《学霸笔记 同步精讲》第8章 机械能守恒定律 5.实验：验证机械能守恒定律（课件）高中物理人教版必修二
文档属性
| 名称 | 《学霸笔记 同步精讲》第8章 机械能守恒定律 5.实验：验证机械能守恒定律（课件）高中物理人教版必修二 |
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| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 1.8MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2026-03-03 00:00:00 | ||
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文档简介
(共48张PPT)
第八章 机械能守恒定律
5.实验:验证机械能守恒定律
实验探究·新知导学
典例精讲·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.理解验证机械能守恒定律的思路,明确需要的器材及测量的物理量。
2.能控制实验条件,正确地进行实验操作。
3.会根据纸带测定下落的距离,掌握测量瞬时速度的方法。
4.能根据实验数据得出实验结论。
课标定位
1.理解实验原理和方法,体会利用落体法验证机械能守恒定律的科学思维方法。
2.通过实验验证,树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。
3.通过验证机械能守恒定律,体验物理学的研究方法,培养科学探究能力。
素养阐释
实验探究·新知导学
一、实验原理
1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能减小,动能增加,如果重力势能的减少量等于动能的增加量,就验证了机械能守恒定律。
2.两种验证方案
(1)若以重物下落的起始点O为基准,设重物的质量为m,测出重物自起始点O下落距离h时的速度v,则在误差允许范围内,由计算得出 mv2=mgh,机械能守恒定律即被验证。
(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,测出重物在A点的速度vA,再测出重物由A点下落Δh后经过B点的速度vB,则在误差允许范围内,由计算得出
二、实验器材
铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(约8 V)。
三、实验步骤
1.安装置:按图甲所示,把打点计时器安装在铁架台上,用导线把打点计时器与电源连接好。
2.打纸带:在纸带的一端把重物用夹子固定好,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后放手,让重物拉着纸带自由下落。重复几次,得到3~5条打好点的纸带。
3.选纸带:从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2 mm的一条纸带,在起始点标上0,以后任取间隔相同时间的点依次标上1,2,3…
4.测距离:用刻度尺测出计数点0到1,2,3…的距离,即为对应下落的高度h1,h2,h3…
四、数据处理
1.计算各点对应的瞬时速度:根据公式vn= ,计算出1,2,3,…,n点的瞬时速度v1,v2,v3,…,vn。
2.机械能守恒定律的验证:
方法一:利用起始点和第n点。
方法二:任取两点A、B。
五、误差分析
1.本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。
2.测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差,安装打点计时器使两限位孔中线竖直,并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。
六、注意事项
1.打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。
2.应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可以减小体积,可使空气阻力相对减小。
3.实验时,应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。
4.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。
典例精讲·释疑解惑
一、实验原理与操作
【例题1】 用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,输出电压有8 V的交变电流和直流两种。重物从高处由静止开始下落,重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点进行测量,即可验证机械能守恒定律。
(1)下面列举了该实验的几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器材;
B.将打点计时器接到电源的直流输出端上;
C.用天平测出重物的质量;
D.释放纸带,然后闭合电源开关打出一条纸带;
E.测量打出的纸带上某些点之间的距离;
F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。
其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是 。(将其选项对应的字母填在横线处)
答案:(1)BCD
(2)过原点的倾斜直线 重力加速度g
解析:(1)打点计时器应接到电源的交流输出端上,故B错误。验证机械能是否守恒只需验证mgh= mv2,即gh= v2,m可约去,故不需要用天平测重物的质量,故C没有必要进行。开始记录时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放重物,让它带着纸带一同落下,故D错误。
二、数据处理与误差分析
【例题2】 某同学做验证机械能守恒定律实验时,不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏,损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出并标在图中,单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)设重物的质量为m,重物在2点的速度v2= ,在5点的速度v5= ,此过程中动能增加量ΔEk= ,重力势能减少量ΔEp= 。由以上可得出实验结论 。
(2)重物获得的动能往往 (选填“大于”“小于”或“等于”)减少的重力势能,实验中产生系统误差的原因是 。
(3)根据实验判断下列图像正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量,Δh表示物体下落的高度) 。
答案:(1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03m m2/s2 1.06m m2/s2 在误差允许的范围内,机械能守恒
(2)小于 纸带受到摩擦力作用
(3)C
能减少量为ΔEp=mgh25=m×9.8×(3.2+3.6+4.0)×10-2 m2/s2 =1.06 m2/s2·m,由以上可得出实验结论:在误差允许的范围内,机械能守恒。
(2)由于纸带受到摩擦力作用,需克服摩擦力做功,所以获得的动能小于减少的重力势能。
(3)重物机械能守恒,重物减少的重力势能转化为增加的动能,即ΔEk=mgΔh,可见重物增加的动能与下落的距离成正比,选项C正确。
三、创新型实验
【例题3】 某同学利用图甲中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有:一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g,其上可放钩码)、刻度尺。当地重力加速度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下:
甲
①安装器材,调整两个光电门距离为50.00 cm,轻细绳下端悬挂4个钩码,如图甲所示;
②接通电源,释放滑块,分别记录遮光条通过两个光电门的时间,并计算出滑块通过两个光电门的速度;
③保持绳下端悬挂4个钩码不变,在滑块上依次增加一个钩码,记录滑块上所载钩码的质量,重复上述步骤;
④完成5次测量后,计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量m总、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE,结果如下表所示。
m总/kg 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400
ΔEk/J 0.587 0.490 0.392 0.294 0.195
ΔE/J 0.393 0.490 0.686 0.785
回答下列问题:
(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为 J(保留三位有效数字)。
(2)步骤④中的表格所缺数据为 。
(3)以m总为横轴,ΔE为纵轴,选择合适的标
度,在图乙中绘出ΔE-m总图像。
忽略滑轮和绳子之间的摩擦力做功,滑块
与木板之间的动摩擦因数为 。
(保留三位有效数字)
乙
答案:(1)0.980 (2)0.588 (3)如图所示 0.400
解析:(1)ΔEp=4mgh=4×50×10-3×9.8×0.5 J=0.980 J。
(2)ΔE=ΔEp-ΔEk=0.980 J-0.392 J=0.588 J。
(3)根据题中数据描点作图即可;由题意可知,滑块和木板之间的摩擦力做功即为系统损失的机械能,则有μm总gl=ΔE,根据图像得μ=0.400。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(实验器材)在做验证机械能守恒定律的实验时,以下说法正确的是( )
A.选用重锤时,密度大体积小的比密度小体积大的好
B.选用重锤时,密度小体积大的比密度大体积小的好
C.选用的重锤一定要测其质量
D.重锤的质量大小与实验准确性无关
答案:A
解析:验证机械能守恒定律实验中,由于重物要克服空气阻力做功,从而产生系统误差,选用密度大体积小的重锤能减小空气阻力的影响,从而减小误差,A正确,B、D错误。因验证量中都含有质量,可以消去,故不用测重锤的质量,C错误。
2.(实验步骤)某同学为验证机械能守恒定律制定了如下实验步骤:
A.用天平称出重物的质量
B.把纸带固定到重物上,并把纸带穿过打点计时器,提升到一定高度
C.拆掉导线,整理仪器
D.断开电源,换上新纸带,重做两次
E.用停表测出重物下落的时间
F.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离,记录数据,并计算出结果,得出结论
G.把打点计时器接到低压交流电源上
H.接通电源,释放纸带
I. 把打点计时器接到低压直流电源上
J. 把打点计时器固定到桌边的铁架台上
上述实验步骤中错误的是 ,可有可无的是 ,其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是 。(均只需填步骤的代号)
答案:E,I A JGBHDCF
解析:对于物理实验,掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理,才能判断出实验步骤中哪些是错误的,哪些是必要的;只有亲自动手进行认真的操作,才能正确地对实验步骤按序排列。
上述实验步骤中错误的是E和I,因为实验中不用测定时间,打点计时器应使用低压交流电源。可有可无的实验步骤是A。其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是JGBHDCF。
3.(数据处理)某次验证机械能守恒定律的实验中,用8 V、50 Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带,如图所示,O点为重锤下落的起点,选取的计数点为A、B、C、D,各计数点到O点的长度已在图上标出,单位为mm,重力加速度g取9.8 m/s2,重锤质量为1 kg。
(1)打点计时器打出B点时,重锤下落的速度vB= m/s,重锤的动能EkB= J。
(2)从开始下落算起,打点计时器打B点时,重锤的重力势能减小量为 J。
(3)根据纸带提供的数据,在误差允许的范围内,重锤从静止开始到打出B点的过程中,得到的结论是 。
答案:(1)1.17 0.68 (2)0.69 (3)机械能守恒
解析:(1)重锤下落的速度
(2)打点计时器打B点时,重锤的重力势能减少量
ΔEp减=mghOB=1×9.8×70.5×10-3 J=0.69 J。
(3)由(1)、(2)计算结果可知,重锤下落过程中,在实验允许的误差范围内,动能的增加量等于其重力势能的减少量,机械能守恒。
4.(实验方案)验证机械能守恒定律的实验可以采用如图所示的甲或乙方案来进行。
(1)比较这两种方案, (选填“甲”或“乙”)方案好些。
(2)图丙是某种方案得到的一条纸带,测得每两个计数点间距离如图所示,已知每两个计数点之间的时间间隔T=0.1 s,物体运动的加速度a= m/s2(结果保留三位有效数字);该纸带是采用 (选填“甲”或“乙”)实验方案得到的。
D.vN=g(n-1)T
答案:(1)甲 (2)4.83 乙 (3)BC
(3)图丁是采用甲方案时得到的一条纸带,在计算图中N点速度时,几位同学分别用下列不同的方法进行,其中正确的是
( )
A.vN=gnT
解析:(1)比较甲、乙两种方案,乙方案中产生的阻力对实验的影响大于甲方案,因此甲方案好些。
(2)由题意得a= =4.83 m/s2,所以该纸带是采用乙实验方案得到的。
(3)计算N点速度应利用实验得到的纸带,经测量计算得出,所以应选B、C。
第八章 机械能守恒定律
5.实验:验证机械能守恒定律
实验探究·新知导学
典例精讲·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.理解验证机械能守恒定律的思路,明确需要的器材及测量的物理量。
2.能控制实验条件,正确地进行实验操作。
3.会根据纸带测定下落的距离,掌握测量瞬时速度的方法。
4.能根据实验数据得出实验结论。
课标定位
1.理解实验原理和方法,体会利用落体法验证机械能守恒定律的科学思维方法。
2.通过实验验证,树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。
3.通过验证机械能守恒定律,体验物理学的研究方法,培养科学探究能力。
素养阐释
实验探究·新知导学
一、实验原理
1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能减小,动能增加,如果重力势能的减少量等于动能的增加量,就验证了机械能守恒定律。
2.两种验证方案
(1)若以重物下落的起始点O为基准,设重物的质量为m,测出重物自起始点O下落距离h时的速度v,则在误差允许范围内,由计算得出 mv2=mgh,机械能守恒定律即被验证。
(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,测出重物在A点的速度vA,再测出重物由A点下落Δh后经过B点的速度vB,则在误差允许范围内,由计算得出
二、实验器材
铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(约8 V)。
三、实验步骤
1.安装置:按图甲所示,把打点计时器安装在铁架台上,用导线把打点计时器与电源连接好。
2.打纸带:在纸带的一端把重物用夹子固定好,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后放手,让重物拉着纸带自由下落。重复几次,得到3~5条打好点的纸带。
3.选纸带:从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2 mm的一条纸带,在起始点标上0,以后任取间隔相同时间的点依次标上1,2,3…
4.测距离:用刻度尺测出计数点0到1,2,3…的距离,即为对应下落的高度h1,h2,h3…
四、数据处理
1.计算各点对应的瞬时速度:根据公式vn= ,计算出1,2,3,…,n点的瞬时速度v1,v2,v3,…,vn。
2.机械能守恒定律的验证:
方法一:利用起始点和第n点。
方法二:任取两点A、B。
五、误差分析
1.本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。
2.测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差,安装打点计时器使两限位孔中线竖直,并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。
六、注意事项
1.打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。
2.应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可以减小体积,可使空气阻力相对减小。
3.实验时,应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。
4.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。
典例精讲·释疑解惑
一、实验原理与操作
【例题1】 用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,输出电压有8 V的交变电流和直流两种。重物从高处由静止开始下落,重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点进行测量,即可验证机械能守恒定律。
(1)下面列举了该实验的几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器材;
B.将打点计时器接到电源的直流输出端上;
C.用天平测出重物的质量;
D.释放纸带,然后闭合电源开关打出一条纸带;
E.测量打出的纸带上某些点之间的距离;
F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。
其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是 。(将其选项对应的字母填在横线处)
答案:(1)BCD
(2)过原点的倾斜直线 重力加速度g
解析:(1)打点计时器应接到电源的交流输出端上,故B错误。验证机械能是否守恒只需验证mgh= mv2,即gh= v2,m可约去,故不需要用天平测重物的质量,故C没有必要进行。开始记录时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放重物,让它带着纸带一同落下,故D错误。
二、数据处理与误差分析
【例题2】 某同学做验证机械能守恒定律实验时,不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏,损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出并标在图中,单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)设重物的质量为m,重物在2点的速度v2= ,在5点的速度v5= ,此过程中动能增加量ΔEk= ,重力势能减少量ΔEp= 。由以上可得出实验结论 。
(2)重物获得的动能往往 (选填“大于”“小于”或“等于”)减少的重力势能,实验中产生系统误差的原因是 。
(3)根据实验判断下列图像正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量,Δh表示物体下落的高度) 。
答案:(1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03m m2/s2 1.06m m2/s2 在误差允许的范围内,机械能守恒
(2)小于 纸带受到摩擦力作用
(3)C
能减少量为ΔEp=mgh25=m×9.8×(3.2+3.6+4.0)×10-2 m2/s2 =1.06 m2/s2·m,由以上可得出实验结论:在误差允许的范围内,机械能守恒。
(2)由于纸带受到摩擦力作用,需克服摩擦力做功,所以获得的动能小于减少的重力势能。
(3)重物机械能守恒,重物减少的重力势能转化为增加的动能,即ΔEk=mgΔh,可见重物增加的动能与下落的距离成正比,选项C正确。
三、创新型实验
【例题3】 某同学利用图甲中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有:一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g,其上可放钩码)、刻度尺。当地重力加速度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下:
甲
①安装器材,调整两个光电门距离为50.00 cm,轻细绳下端悬挂4个钩码,如图甲所示;
②接通电源,释放滑块,分别记录遮光条通过两个光电门的时间,并计算出滑块通过两个光电门的速度;
③保持绳下端悬挂4个钩码不变,在滑块上依次增加一个钩码,记录滑块上所载钩码的质量,重复上述步骤;
④完成5次测量后,计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量m总、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE,结果如下表所示。
m总/kg 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400
ΔEk/J 0.587 0.490 0.392 0.294 0.195
ΔE/J 0.393 0.490 0.686 0.785
回答下列问题:
(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为 J(保留三位有效数字)。
(2)步骤④中的表格所缺数据为 。
(3)以m总为横轴,ΔE为纵轴,选择合适的标
度,在图乙中绘出ΔE-m总图像。
忽略滑轮和绳子之间的摩擦力做功,滑块
与木板之间的动摩擦因数为 。
(保留三位有效数字)
乙
答案:(1)0.980 (2)0.588 (3)如图所示 0.400
解析:(1)ΔEp=4mgh=4×50×10-3×9.8×0.5 J=0.980 J。
(2)ΔE=ΔEp-ΔEk=0.980 J-0.392 J=0.588 J。
(3)根据题中数据描点作图即可;由题意可知,滑块和木板之间的摩擦力做功即为系统损失的机械能,则有μm总gl=ΔE,根据图像得μ=0.400。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(实验器材)在做验证机械能守恒定律的实验时,以下说法正确的是( )
A.选用重锤时,密度大体积小的比密度小体积大的好
B.选用重锤时,密度小体积大的比密度大体积小的好
C.选用的重锤一定要测其质量
D.重锤的质量大小与实验准确性无关
答案:A
解析:验证机械能守恒定律实验中,由于重物要克服空气阻力做功,从而产生系统误差,选用密度大体积小的重锤能减小空气阻力的影响,从而减小误差,A正确,B、D错误。因验证量中都含有质量,可以消去,故不用测重锤的质量,C错误。
2.(实验步骤)某同学为验证机械能守恒定律制定了如下实验步骤:
A.用天平称出重物的质量
B.把纸带固定到重物上,并把纸带穿过打点计时器,提升到一定高度
C.拆掉导线,整理仪器
D.断开电源,换上新纸带,重做两次
E.用停表测出重物下落的时间
F.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离,记录数据,并计算出结果,得出结论
G.把打点计时器接到低压交流电源上
H.接通电源,释放纸带
I. 把打点计时器接到低压直流电源上
J. 把打点计时器固定到桌边的铁架台上
上述实验步骤中错误的是 ,可有可无的是 ,其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是 。(均只需填步骤的代号)
答案:E,I A JGBHDCF
解析:对于物理实验,掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理,才能判断出实验步骤中哪些是错误的,哪些是必要的;只有亲自动手进行认真的操作,才能正确地对实验步骤按序排列。
上述实验步骤中错误的是E和I,因为实验中不用测定时间,打点计时器应使用低压交流电源。可有可无的实验步骤是A。其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是JGBHDCF。
3.(数据处理)某次验证机械能守恒定律的实验中,用8 V、50 Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带,如图所示,O点为重锤下落的起点,选取的计数点为A、B、C、D,各计数点到O点的长度已在图上标出,单位为mm,重力加速度g取9.8 m/s2,重锤质量为1 kg。
(1)打点计时器打出B点时,重锤下落的速度vB= m/s,重锤的动能EkB= J。
(2)从开始下落算起,打点计时器打B点时,重锤的重力势能减小量为 J。
(3)根据纸带提供的数据,在误差允许的范围内,重锤从静止开始到打出B点的过程中,得到的结论是 。
答案:(1)1.17 0.68 (2)0.69 (3)机械能守恒
解析:(1)重锤下落的速度
(2)打点计时器打B点时,重锤的重力势能减少量
ΔEp减=mghOB=1×9.8×70.5×10-3 J=0.69 J。
(3)由(1)、(2)计算结果可知,重锤下落过程中,在实验允许的误差范围内,动能的增加量等于其重力势能的减少量,机械能守恒。
4.(实验方案)验证机械能守恒定律的实验可以采用如图所示的甲或乙方案来进行。
(1)比较这两种方案, (选填“甲”或“乙”)方案好些。
(2)图丙是某种方案得到的一条纸带,测得每两个计数点间距离如图所示,已知每两个计数点之间的时间间隔T=0.1 s,物体运动的加速度a= m/s2(结果保留三位有效数字);该纸带是采用 (选填“甲”或“乙”)实验方案得到的。
D.vN=g(n-1)T
答案:(1)甲 (2)4.83 乙 (3)BC
(3)图丁是采用甲方案时得到的一条纸带,在计算图中N点速度时,几位同学分别用下列不同的方法进行,其中正确的是
( )
A.vN=gnT
解析:(1)比较甲、乙两种方案,乙方案中产生的阻力对实验的影响大于甲方案,因此甲方案好些。
(2)由题意得a= =4.83 m/s2,所以该纸带是采用乙实验方案得到的。
(3)计算N点速度应利用实验得到的纸带,经测量计算得出,所以应选B、C。