8.5 实验：验证机械能守恒定律 课件(共32张PPT)

(共32张PPT)
8.5 实验：验证机械能守恒定律
第八章 机械能守恒定律
人教版（2019）必修 第二册
1. 理解验证机械能守恒定律的原理。会设计实验方案，确定需要测量的物理量，采用正确的方法测量相关的物理量。
2．能够控制实验条件，正确地进行实验操作，获取物体下落的高度和速度大小的数据，会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因，并采取相应措施，以减小实验误差。
3．树立实事求是的科学态度，培养认真严谨的科学精神。
学习目标
复习：机械能守恒的条件是什么？它有哪些表达形式？
1.条件：仅有重力或弹力做功。
2.表达式：
⑴守恒的角度：E1=E2
⑵转化的角度： △Ek= —△EP
导入新课
思考：我们熟知的运动中，哪些运动满足仅有重力做功？
自由落体运动
物体沿光滑斜面下滑
小球的摆动
一、实验思路
新课讲授
系统守恒
二、物理量的测量
1.物体的质量；
2.物体所处位置的高度；
3.物体的运动速度。
需要测量三个物理量：
任取两点，如点B、点E，
C
D
E
0
hE
B
hB
计算物体在某两点间的动能变化和势能减少量是否相等。
三、数据处理
思路1：若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，若有
即验证了机械能守恒定律。
h
v
O
物体自由下落时，如果不计空气阻力，物体的机械能守恒，即重力势能的减少量等于动能的增加量。
一、【实验目的】
方案一、研究自由下落物体的机械能
利用自由落体运动验证只有重力作用下的物体机械能守恒。
二、【实验原理】
思路2：若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA 再测出物体由A点下落 h后经过B点的速度vB ,则在误差允许范围内，
若有 ，即验证了机械能守恒定律。
h
vB
O
B
A
vA
图为选取的一条符合实验要求的纸带，O为第一个点(速度恰好为零)，纸带上有连续的3个点C、D、E， 其中C 、E到O点的距离分别为hC 、 hE，已知打点计时器每隔T=0.02s打一次点。求：vD
T=0.02s
C
D
E
0
hC
hE
B
思考：怎样计算瞬时速度v？
讨论：速度能不能用公式 或 v=gt 计算？
1.打点计时器哪种类型较好？
重锤
1.铁架台(含铁夹)
2.打点计时器、低压交流电源、纸带、墨粉纸盘（复写纸片）、导线两根
3.重物(带纸带夹)
4.毫米刻度尺
思考：如何选择实验器材？
质量大，体积小。
3.重物的质量是否需要测量？
三、【实验器材】
2.重物选择有什么要求？
1．如图安装装置
四、【实验步骤】
思考：打点计时器的固定有什么要求？
2．打纸带
先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。
将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。
更换纸带重复做3次～5次实验。
五、【处理数据】
⑴求瞬时速度
0
1
2
3
4
5
6
7
h1
h2
h3
h4
……
测量点n 1 2 3 4 5 6
高度hn /m
速度vn /(m/s)
数据记录
⑵验证守恒
方法一：利用起始点和第n点计算
思考：纸带选择有什么要求？
纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。
0
1
2
3
4
5
6
7
代入mghn和 ，如果在误差允许的条件下，mghn和 相等，则验证了机械能守恒。
思考：纸带选择还有上述要求吗？
方法二：任取两点计算
⑴任取两点如3、6，测出h36，计算出mgh36。
⑶在实验误差允许的条件下，若 ，则验证了机械能守恒。
0
1
2
3
4
5
6
7
⑵算出 的值
结论：若在误差允许的范围内，图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。
0
h
思考：怎样的图像才是验证了机械能守恒定律？
方法三：图像法
从纸带上选取多个点，测量从起始点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的 ，然后以 为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出 图线。
思考：为什么重物的重力势能减少量略大于动能的增加量？ 如何减小它们之间的误差？
重物下落过程中克服阻力做功。
⑴系统误差
ΔEk增<ΔEp减
选择质量大、体积小的重物
用电火花计时器代替电磁打点计时器；
安装打点计时器时保证两个限位孔竖直；
释放纸带时，保证纸带竖直。
减小系统误差的措施：
六、【误差分析】
⑵偶然误差
主要在于长度的测量。
测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完。
七、【注意事项】
应选用质量和密度较大的重物。
安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。
4．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60cm～80cm之间。
2．实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直接通电源后，打点计时器工作稳定后再松开纸带。
1．应尽可能满足机械能守恒的条件，要尽量减小各种阻力的影响：
3．验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较 和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒。
例题1 某同学用图示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用6V、50Hz的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8m/s2，重锤的质量为1kg。
(计算结果均保留两位有效数字)
⑴下列说法中正确的是 （　 ）
A．实验中必须用天平测出重物的质量
B．必须用秒表测出重物下落的时间
C．应先释放纸带，后打开打点计时器的电源
D．释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带处于竖直方向
【正确答案】D
⑵打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝____ m/s，
重锤的动能EkB＝______ J。
1.2m/s
0.72J
⑶从起点O 到打下B点过程中，重锤的重力势能的减小量为_____ J.
0.73
⑷根据⑵、⑶计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是_________________________。
重锤下落过程中机械能守恒
【解析】在误差允许范围内，由于重锤重力势能减小量等于重锤动能的增加量，重锤下落的过程中机械能守恒;
⑸如图是根据某次实验数据绘出的　－h 图像，图线不过坐标原点的原因是
______________________________
开始打点时重锤有一定的速度
视频1
二、【实验原理】
借助沿斜面下滑物体验证机械能守恒定律
一、【实验目的】
物体沿光滑斜面下滑
方案二、研究沿斜面下滑物体的机械能
思考：怎样减小摩擦？速度怎样测量？
气垫导轨、滑块、遮光条、光电门和数字计时器
三、【实验器材】
实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2，就可以验证机械能是否守恒。
四、【实验步骤】
视频2
砝码通过绕过定滑轮的细线，牵连静止放在水平气垫导轨上的滑块，从静止释放。设砝码和托盘总质量为m，滑块和挡光条总质量为M,遮光条宽度为l；两光电门间距离为s，滑块经过两光电门的时间分别为 t1和 t2。
试写出要验证的表达式。
装置：钩码拉动滑块运动
方案三、系统守恒
【实验原理】
例题2 利用如图所示的装置探究系统机械能守恒，在滑块B上安装宽度为L(较小)的遮光板(遮光板质量忽略不计)，把滑块B放在水平放置的气垫导轨上，通过跨过定滑轮的绳与钩码A相连，连接好光电门与数字毫秒计，两光电门间距离用s表示。
数字毫秒计能够记录遮光板先后通过两个光电门的时间Δt1、Δt2，当地的重力加速度为g。请分析回答下列问题：
(1)为完成验证机械能守恒的实验，除了上面提到的相关物理量之外，还需要测量的量有 (均用字母符号表示，并写清每个符号表示的物理意义)；
钩码A的质量mA、滑块B的质量mB
(2)滑块先后通过两个光电门时的瞬时速度v1＝____、v2＝____(用题中已给或所测的物理量符号来表示)；
(3)在本实验中，验证机械能守恒的表达____________________________________
(用题中已给或所测的物理量符号来表示)。
如图，悬挂在O点的小球摆到最低点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处(箭头所指处)放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时能被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺。
该方案只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平抛运动的水平位移x即可验证机械能守恒。
方案四、创新设计
可以利用作图像的方法验证。
用横轴表示H，纵轴表示x2，建立坐标系。
x2
验证过程
目的：验证机械能守恒
方案：
原理：
验证机械能守恒定律
课堂小结