高一物理人教版必修2课件：7.9 实验：验证机械能守恒定律 课件（共20张PPT）

第七章 机械能守恒定律
第九节 实验：验证机械能守恒定律
人教版必修2
实验原理
在自由落体运动中，若物体下落高度h 时的速度为v ,则
h
v
mgh =
mv 2
1
2
实验器材：打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）、学生电源等。
夹子
打点计时器
纸带
重物
？
铁架台
实验器材
打点计时器的作用是什么?
重物选取的原则是什么?为什么?
密度比较大，质量相对比较大，可以减小因为空气阻力带来的误差．
实验中还有哪些应该注意的地方?
计时器要稳定在铁架台上，计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，铁架台放在桌边，计时器距地面的距离大约是1 m．
这样做的目的是什么?
计时器平面与纸带限位孔在竖直方向上的目的是减小摩擦以减小实验误差的产生，铁架台放在桌边有利于重物下落到地面上，计时器距地面的距离较大的目的是能够有充足的时间使重物下落，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．
1．把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好．
2．把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近．
3．接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点．
4．重复上一步的过程，打三到五条纸带．
5．选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2 mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落的高度h1\h2\h3，……记人表格中．
实验步骤
6．用公式vn=hn+1+hn-1/2t，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表格中．
7．计算各点的重力势能的减少量mgh。和动能的增加量，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内．
测量点n
1
2
3
4
5
6
高度hn /m
速度vn /m/s
势能EP /J
动能EK /J
本实验要不要测量物体的质量？
mgh =
mv 2
1
2
gh =
v 2
1
2
无需测量物体的质量
如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。
问题1
纸带上的第一个点为计时起点0 （起始点的速度应该为零，即打点计时器在纸带上打下第一个点时纸带刚开始下落）。
gh =
v 2
1
2
1
2
x = gt2 = ×9.8×0.022m ≈2×10-3m = 2 mm
1
2
h
起始点
对于实际获得的纸带，如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？
纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。
问题1
可以回避起始点吗（即处理纸带时可以不用到起始点吗）?
我们可以选取A、B两点，比较它们的机械能EA和EB。若以点B为0 势能点，则有：
EKA＋mgΔh＝EKB
Δh
A
B
思考
如何测量物体的瞬时速度?
x = vA(2t) + a(2t)2
1
2
—
vAC = = vA + at
x
2t
—
vB = vA + at
vB = vAC
v
0
t
vA
t 2t
vB
vC
做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。
问题3
速度能不能用 v = 2gh 或 v = gt 计算？
这种方法认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。
这种方法是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用。
思考
4、实验用的纸带一般小于1m ，从起始点开始大约能打出20 个点左右。末位置的点可选择倒数第一个点或倒数第二个点，从这一个点向前数4～6 个点当初位置的点，可以减小这两个点的瞬时速度以及两点之间距离（高度h）测量的误差。
1、安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，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，可使空气阻力减小。
3、选用纸带时应尽量挑选第一、二点间距接近2mm的点迹清晰且各点呈一条直线的纸带。
注意事项
1、偶然误差：
测量长度时会带来误差
2、系统误差：
实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量ΔEK 必定稍小于势能的减少量ΔEP 。
误差分析
测量点n
1
2
3
4
5
6
高度hn /m
速度vn /m/s
势能EP /J
动能EK /J
可不可以用图象处理数据?
数据记录
0
h
v 2
1
2
gh =
v 2
1
2
该图象的斜率表示什么？
为什么图象通过原点？
图像法处理数据
1、在用自由落体运动验证机械能守恒定律的实中，
(1)若用公式v=gt计算瞬时速度进行验证，打点计时器所接交流的频率为50Hz，甲、乙两条实验纸带，应选________________纸带为好（图）
(2)若通过测量纸带上某两点间距离来计算瞬时速度进行验证的话，设已测得点2到4点之间距离为S1，点0到点3之间距离为S2，打点周期为T，为验证自重物开始下落到打点计时器打下点3这段时间内机械能守恒，实验结果应满足S1、S2、T之间的关系为_______________________．
(3)重物选取的原则应是_________________________
甲
S2=S12/(8gT2)
重力远远大于阻力
课堂练习
2、为了验证物体在自由下落过程中机械能是守恒的，将m=0.5kg的重物系上一纸带，并将纸带穿过打点计时器，当重物自由下落时，得到如图所示的记录纸带，已知打点周期T=0.02s（设当地的重力加速度g=9.9m/s2）
①计算打A、B两点时重物下落的速率VA=_________________，VB=_____________．
②以A、B两点为例，验证机械能是否守恒?△Ek=_____________，mgh=_______________．结论_____________________________．
1.5m/s
2.1m/s
0.54J
0.53J
在误差允许范围内机械能守恒．
3、斜面长100cm，高60cm，某同学以质量为400g的小车沿斜面下滑来验证机械能守恒定律，他从记录小车运动的打点纸带上选取了A、B、C、D四个计数点，已知每相邻两点间对应的时间间隔为0.1s，A与B、B与C、C与D之间的距离分别为10cm、15cm、20cm，则小车由纸带上对应打B点时运动到打C点时，小车动能增加了_____J，重力势能减小了_______J．实际上此过程机械能并不守恒是由于______________________________，若减小斜面倾角，将使本实验的误差________．（填“增大”、“减小”、“不变”）．
增大
0.3
0.35
摩擦力对小车做了功
4、在验证机械能守恒定律时，将重物自由下落，纸带记录如图所示．（计算结果取2位有效数字）T=0.02s图中纸带左端为与重物相连端，0点为重物静止时所记录的点，ABC三个记数点为打点计时之点，则重物下落hB距离时，其速度VB可用计算式VB=_________ 进行计算，根据图示数据求出VB=__________m/s；重物重力势能减少量为___________，动能增加量为__________________，两者不完全相同的原因是__________________．实验中需要的测量仪器是_________________________________________________．
(AB+BC)/2T
1.6
1.5J
1.3J
打点计时器,刻度尺
下落过程中,重物克服摩擦和空气阻力做功,部分机械能转化为内能