粤教版物理必修2同步教学课件：4.5 验证机械能守恒定律

课件25张PPT。第五节　验证机械能守恒定律目标导航预习导引目标导航预习导引二一三四一、机械能守恒定律
1.当只有重力做功时,物体的动能和重力势能发生相互转化,但机械能的总量保持不变.
2.做自由落体运动的物体,只受重力作用,其机械能是守恒的.目标导航二一预习导引三四二、实验原理
1.如图甲所示,借助打点计时器打出的纸带,测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v,以纸带上的第n个点为例,如图乙中的纸带,打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度.目标导航二一预习导引三四目标导航一预习导引二三四三、实验器材
铁架台(含铁夹),打点计时器,学生电源,纸带,复写纸,导线, 毫米刻度尺,重物(带纸带夹).目标导航一预习导引二三四四、实验步骤
1.器材安装:按如图所示,将纸带固定在重锤上,让纸带穿过打点计时器,用导线将打点计时器与低压交流电源相连,此时电源开关应为断开状态.目标导航一预习导引二三四2.用手握住纸带,让重锤静止在靠近打点计时器的地方,然后接通电源,松开纸带,让重锤自由落下,纸带上打下一系列小点.
3.从打出的几条纸带中挑选第一、二点间的距离接近2 mm且点迹清晰的纸带进行测量,记下第一个点的位置O,并在纸带上从任意点开始依次选取几个点1、2、3、4、…,并量出各点到O点的距离h1、h2、h3、…,计算相应的重力势能减少量mghn.目标导航一预习导引二三四预习交流
选取纸带时,为什么要选第一、二点间距离接近2 mm 的纸带?
答案:这个实验是通过重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律的,据自由落体运动规律, 时,h=1.96 mm.所以,若第一、二两点间的距离接近2 mm,说明重物是在打第一个点时开始下落的.一二迁移应用典题例解知识精要一、实验步骤和注意事项
注意事项:
1.实验中安装打点计时器时,限位孔必须在同一竖直线上,以减少摩擦阻力.打点计时器离地面高度约1 m,实验用的纸带60 cm左右即可.
2.实验时,必须先接通电源,让打点计时器工作正常以后才能松开纸带,让重物下落.
3.纸带上端要用手提着使其静止,这样可保证下落的初速度为零,并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点.
4.测量下落高度时,都必须从起点算起.为了减小测量h值的误差,选取的各个计数点要离起始点远些.一二迁移应用典题例解知识精要【例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,输出电压为6 V的交流电和直流电两种.重锤从高处由静止开始落下,重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点的痕迹进行测量,即可验证机械能守恒定律.一二迁移应用典题例解知识精要(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件;
B.将打点计时器接到电源的直流输出端;
C.用天平测量出重锤的质量;
D.释放悬挂纸带的夹子,同时接通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锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能.
指出其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤,将其对应的字母填在下面的横线上,并说明原因.一二迁移应用典题例解知识精要(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值,如图所示.根据打出的纸带,选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E,测出A点距起始点O的距离为s0,点A、C间的距离为s1,点C、E间的距离为s2,交流电源的频率为f,则根据这些条件计算重锤下落的加速度a的表达式为a=　　　.?一二迁移应用典题例解知识精要解析:(1)本题是对实验步骤的考查.仔细分析可知,步骤B是错误的,应该接到电源的交流输出端;步骤D是错误的,应该先接通电源,待打点稳定后再释放纸带;步骤C不必要,根据测量原理,重锤的动能和势能中都包含了质量m,可以约去.
(2)根据匀变速直线运动规律Δs=aT2,有答案:(1)见解析　 一二迁移应用典题例解知识精要某同学利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示.一二迁移应用典题例解知识精要(1)请指出实验装置中存在的明显错误:?　　　　　　　　.?
(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为零,应　　　　(选填“A”或“B”).?
A.先接通电源,再释放纸带
B.先释放纸带,再接通电源
(3)根据打出的纸带,选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示.已测出点1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h1、h2、h3、h4,打点计时器的打点周期为T.若代入所测数据能满足表达式gh3=　　　　,则可验证重物下落过程机械能守恒(用题目中已测出的物理量表示).?
答案:(1)打点计时器接在了“直流电源”上　(2)A迁移应用典题例解一二知识精要二、数据处理和误差分析
实验误差来源与分析
(1)在测量重锤下落的高度与计算某点的瞬时速度时,都要涉及长度的测量.测量过程中必然带来偶然误差.减小这种误差的方法:①保证测量时从O点开始测量;②选取的计数点应尽可能离O点远些,以减小相对误差.
(2)重物在拖着纸带下落过程中必然受到阻力作用,主要是打点计时器与纸带的摩擦力以及空气的阻力.克服这些阻力做功要消耗能量,所以重锤动能的增加量ΔEk必定小于重力势能的减少量ΔEp.这是实验设计上带来的系统误差.减小这种误差的方法:使打点计时器的限位孔在同一竖直线上,适当增加重锤的质量,减小重锤的体积等.一二迁移应用典题例解知识精要【例2】 在“验证机械能守恒定律”的实验中,所用电源的频率为50 Hz,某同学选择了一条理想的纸带,用刻度尺测量时各点位置对应刻度尺上的读数如图所示(图中O是打点计时器打的第一个点,A、B、C、D是间隔一段所取的点,图中单位为厘米),根据实验并结合纸带回答以下问题:(g取9.8 m/s2)一二迁移应用典题例解知识精要(1)现有器材:电磁打点计时器;低压交流电源;纸带;带夹子的重物;刻度尺;天平;导线;铁架台.其中该实验不需要的器材是　;?
(2)实验时,释放纸带与接通电源的合理顺序是?　　　　　　;?
(3)实验中,要从几条打上点的纸带中挑选第一、二两点间的距离接近　　　　mm并且点迹清晰的纸带进行测量;?
(4)若重物的质量为m kg,则重物下落到B点时,减少的重力势能为　　　　;?
(5)若重物的质量为m kg,则重物下落到B点时,重物的动能为　　　　;?
(6)由纸带计算重物下落的加速度为　　　　.[注:(4)、(5)、(6)三题小数点后面保留两位小数]?一二迁移应用典题例解知识精要解析:(1)实验中,不需测量重物的质量,所以不需要的器材是天平.
(2)实验中应先接通电源,后释放纸带.
(3)若释放纸带时恰好打点,纸带上一、二两点间的距离答案:(1)天平　(2)先接通电源,后释放纸带　(3)2
(4)6.88m J　(5)6.85m J　(6)9.63 m/s2一二迁移应用典题例解知识精要一二迁移应用典题例解知识精要某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系.一二迁移应用典题例解知识精要(1)如图(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测量相应的弹簧长度,部分数据如下表.由数据算得劲度系数k=　　　　? N/m.(g取9.8 m/s2)?(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图(b)所示;调整导轨,使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小　　　　.?
(3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度v.释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为　　　　.?一二迁移应用典题例解知识精要(4)重复(3)中的操作,得到v与x的关系如图(c).由图可知,v与x成　　　　关系.由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的　　　　成正比.?(c) 一二迁移应用典题例解知识精要答案:(1)49.5~50.5　(2)相等　(3)滑块的动能　(4)正比　x2
解析:(1)由F=kx得ΔF=k·Δx,代入表中数据可得出k值.(2)滑块滑行过程中无摩擦阻力,自由滑动时导轨已调整到水平状态,故滑块此时匀速运动.(3)当不考虑空气阻力、摩擦等因素且导轨又调到水平状态时,释放滑块的过程中只涉及弹簧的弹性势能与滑块的动能,即能量只在这两种形式的能量之间转化.(4)v-x图线是过原点的直线,故v∝x.因Ep=Ek=