粤教版（2019）物理必修第二册 4.6 验证机械能守恒定律 课件(49张ppt）

第四章　机械能及其守恒定律
第六节　验证机械能守恒定律
学习目标
学法指导
1.能提出可验证的物理问题
2．能在他人帮助下制订科学验证方案，会使用实验器材获取数据
3．能根据数据形成结论，会分析产生实验误差的原因
4．能撰写符合要求的实验报告，能与他人交流探究过程和结果
5．注意提升科学推理与科学论证能力
1.通过认真阅读教材，明确实验目的，理解实验原理和实验设计思路
2．通过“研究自由下落物体的机械能”和“研究沿斜面下滑物体的机械能”实验，掌握实验方法，明确实验中需要注意的问题
3．通过误差分析，掌握减少实验误差的方法，并能创新设计新的实验
知识导图
预习导学 | 新知领悟
一、实验目的
利用重物的自由下落验证机械能守恒定律．
二、实验思路
机械能守恒的前提“只有重力或弹力做功”，因此可用小球自由落体的过程、物体沿光滑斜面下滑的过程和用细线悬挂小球摆动的过程来验证机械能守恒定律．
三、物理量的测量
利用打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线．测量物体下降的高度及运动的速度．
四、实验步骤
1．安装：将打点计时器固定在铁架台上；用导线将打点计时器与低压交流电源相连接．
2．接电源，打点：把纸带的一端在重物上用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近．接通电源，待打点稳定后松开纸带，让重物自由下落，重复几次，打下3～5条纸带．

3．选纸带：选取点迹较为清晰的纸带，挑选纸带上第一个点及距离第一个点较远的点，并依次标上0、1、2、3…
4．数据测量：测出0到点1、点2、点3…的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3…
六、注意事项
1．安装打点计时器时，必须使两个限位孔在同一竖直线上，以减少摩擦阻力．
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，可使空气阻力减小．
3．实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动．接通电源后，让打点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证第一点是一个清晰的点．
七、误差分析
1．本实验的误差主要来自于空气阻力及纸带和计时器限位孔之间的摩擦，故重力势能的减少量应等于动能增加量和克服阻力做功之和，所以动能的增加量应略小于重力势能的减少量．
2．偶然误差
测量长度时会带来误差，减少误差的办法：
(1)测距离时都应从打第一个点(O点)量起．
(2)多测几次取平均值．
3．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必定稍小于重力势能的减少量ΔEp，减少误差的办法：(1)增大重物的质量．(2)减小器材摩擦，打点计时器换成电火花计时器．
多维课堂 | 素养初培
精练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6 V的交流电和直流电两种，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．
实验原理和过程
(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，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物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能．
变式1　如图甲所示，用落体法验证机械能守恒定律．
在实验中打点计时器所接交流电频率为50 Hz，当地重力加速度g＝9.8 m/s2.实验选用的重物质量为1.0 kg，纸带上打点计时器打下的连续计时点A、B、C、D到O点的距离如图乙所示，则重物从O点运动到C点，重力势能减少________J，重物经过C点时的速度为________m/s，其动能的增加为________J．(结果保留三位有效数字)
【答案】2.74　2.33 　2.71
精练2　某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz.打出纸带的一部分如图乙所示．
实验数据处理和误差分析
该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算．
(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落．利用f和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为____________．打出C点时重物下落的速度大小为____________，重物下落的加速度大小为____________．
(2)已测得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，s3＝10.10 cm；当地重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为________Hz.
变式2　在利用如图所示的实验装置“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)研究对象是做自由落体的重物，除下述器材：低压交流电源、铁架台、电磁打点计时器、纸带、重物、夹子外，还要用的器材是__________________________．
(3)实验中得到一条纸带如图所示，打点周期为T，O点是打下的第一个点，当打点计时器打C点时，物体的动能表达式为Ek＝________，物体势能减少量大小的表达式为ΔEp＝________.若等式______________成立，则验证了机械能守恒定律．
精练3　某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示．在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B．滑块P上固定一个遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连．滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器A、B时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U随时间t变化的图像．
实验创新——应用气垫导轨和光电计时器
(1)实验前，接通气源，将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上．轻推滑块，当图乙中的Δt1______Δt2(选填“>”“＝”或“<”)时，说明气垫导轨已经水平．
(2)用游标卡尺测遮光条宽度d，测量结果如图丙所示．则d＝_______ mm.
(3)滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与钩码Q相连，钩码Q的质量为m.将滑块P由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图像如图乙所示，若Δt1、Δt2和d已知，要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒，还应测出________________(写出物理量的名称及符号)．
(4)若上述物理量间满足关系式___________________________，则表明在上述过程中滑块和钩码组成的系统机械能守恒．

【解析】(1)实验前，接通气源，将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上，轻推滑块，当题图乙中的Δt1＝Δt2时，说明滑块已经匀速运动，即气垫导轨已经水平．
(2)用游标卡尺测遮光条宽度d，则d＝5.0 mm.
变式3　用 DIS研究机械能守恒定律的实验装置如图所示，如表是某同学某次的实验数据，实验中系统默认 D、C、B、 A 各点高度分别为 0、0.050、0.100、0.150，A 点速度为零．D、C、B 三点速度由光电门传感器测得．分析如表中实验数据．
(1)从B到C到D，机械能逐渐减小，其原因是________________________．
(2)表中A 点的机械能数据明显偏小，其原因是摆锤释放器释放点________(选填“高于”或“低于”)A点.
实验序号
D
C
B
A
高度h/m
0
0.050
0.100
0.150
速度v/(m·s－1)
1.878
1.616
1.299
0
势能Ep/J
0
0.003 9
0.007 8
0.011 7
动能Ek/J
0.014 0
0.010 4
0.006 7
0
机械能E/J
0.014 0
0.014 3
0.014 5
0.011 7
【答案】(1)克服空气阻力做功，机械能减小　(2)高于
【解析】(1)从B到C到D，机械能逐渐减小，原因是克服空气阻力做功，使得一部分机械能转化为内能，导致机械能减少．
(2)表中A点的机械能数据明显偏小，原因是摆锤释放器释放点高于A点，速度测量不准．

1．分析实验目的：验证滑块和钩码组成的系统机械能守恒．
2．确定实验原理：滑块与气垫导轨的摩擦不计，滑块和钩码组成的系统，只有钩码重力做功，系统机械能守恒．

课堂小练 | 素养达成
1．在“用打点计时器验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是 (　　)
A．实验中必须用天平测量重物的质量
B．打点计时器的两个限位孔应在同一竖直线上
C．需使用秒表测出重物下落的时间
D．打点结束应先检查纸带点迹是否清晰，再关闭电源
【答案】B
2．(多选)用DIS实验研究机械能守恒定律的实验中，用光电门测定摆锤在某一位置的瞬时速度．实验测得D点的速度偏小，造成这个误差的原因可能是 (　　)
A．摆锤释放的位置高于A点
B．摆锤释放的位置在AB之间
C．摆锤在A点没有静止释放
D．光电门没有放在D点


【答案】BD
【解析】若实验测得D点的机械能明显偏小，说明重锤低于A点才开始静止释放的，或未到D点就开始测速度，因此不是重力势能少些，就是动能小些，B、D正确．
3．利用如图所示实验装置来验证机械能守恒定律．通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中小铁球经过光电门B时，毫秒计时器(图中未画出)记录下小铁球的挡光时间t.实验前调整光电门位置，使小铁球下落过程中，小铁球球心垂直细激光束通过光电门，当地重力加速度为g.
(1)为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，还需要测量的物理量是________．
A．A点距地面的高度H B．A、B之间的距离h
C．小铁球从A到B的下落时间tAB D．小铁球的直径d
(2)小铁球通过光电门时的瞬时速度v＝________；要验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，只需验证等式________是否成立即可．(用实验中测得物理量的符号表示)