8.5实验：验证机械能守恒定律 课件（29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
实验思路
机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。想一想，满足这一条件的过程有哪些?
自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。
物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直(图8.5-1)，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。
机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。下面我们通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律。
上一节课我们只是从物理学知识推导出机械能守恒定律，物理学是一门实验科学，任何规律、公式都要经得起实验的验证，本节通过实验来验证机械能守恒的定律，进一步加深对该规律的理解。
新课导入
物体自由下落时，如果不计空气阻力，这时物体的机械能守恒，也就是重力势能的减少等于动能的增加。
具体地说：
方法一：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，由计算
得出 机械能守恒定律即被验证。
实验原理
思考：如何验证自由落体运动的机械能守恒？
自由落体运动
？
=
O
B
如图所示，若要验证O（重物下落的起点）点到B点机械能是否守恒需要测量哪些物理量？
？
=
h
h2
h1
O
A
B
C
？
=
需要测量起点O到A、B、C三点的距离h1、h、h2
？
=
方法二：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Δh后经过B点的速度vB 则在误差允许范围内，由计算得出


机械能守恒定律即被验证。
方法三：作v2/2－h图像．
从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的v2/2，然后以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2/2－h图线．
结论：若在误差允许的范围内，图像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．
O
h
？
=
该图像的斜率表示什么？
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。
铁架台
重物
夹子
纸带
复写纸
打点计时器
实验器材
实验步骤
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2mm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h1、h2、h3、……记入表格中。
各计数点
l
2
3
4
5
6
下落高度
速度
势能
动能
结论
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1/2mvn2，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内。
1.实验中安装打点计时器时，限位孔必须在同一竖直直线上，以减少摩擦阻力，计时器离地面的高度约1m，实验用的纸带60 cm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，让重物落下。
3.纸带上端要用手提着静止，这样保证下落的速度v为0。并且纸带上打出的第一个点是清晰的一 个小点。
注意事项
4.测量下落高度时，都必须从起点算起，不能搞错，为了减小测量h值的误差，选取的各计数点要离起始点远些。
5.实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力（注意是打点计时器的阻力）做功，所以动能的增加量ΔEk一定小于重力势能的减少量ΔEp。
6.铁架台上固定打点计时器的夹子不可伸出太长，以防铁架台翻到。
7.因 ΔEk = ΔEp ，两边均有质量m，故不测量m也可以验证机械能守恒。
纸带的选取
关于纸带的选取，我们分两种情况加以说明：
1.用 　验证
这是以纸带上第一点（起始点）为基准验证机械能守恒定律的方法。由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选取点迹清晰且第1、2两点间的距离接近2mm的纸带。
h
起始点
本实验起始点（速度为零），如何确认？
h
起始点
即：纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。
h≈2×10-3m =2 mm
Δh
A
B
这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法。由于重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为基准点，势能的大小不必从起始点开始计算。这样，纸带上打出起始点O后的第一个0.02s内的位移是否接近2mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了。实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于计算机械能是否守恒。
2.用 　 验证
当然，实验开始时如果不是用手提着纸带的上端，而是用夹子夹住纸带的上端，待开始打点后再松开夹子释放纸带，打点计时器打出的第一个点的点迹清晰，计算时从第一个计时点开始至某一点的机械能守恒，其误差也不会太大。回避第一个计时点的原因也包括实验时手提纸带的不稳定，使第一个计时点打出的点迹过大，从而使测量误差加大。
速度的测量
结论：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
如何测物体的瞬时速度：
t
vA
v
vC
vB
O
t
2t
A
B
C
思考：能否用 v=gt 或 求瞬时速度？
1.利用v=gt求瞬时速度，因重物下落过程中受阻力影响，重物实际加速度比g小，如果用v=gt来求瞬时速度，会导致计算出的速度比实际值大，从而导致ΔEk大于 Δ EP，与事实不符；
2.利用 求瞬时速度，相当于默认机械能守恒来验证机械能守恒；
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？
1.重物下落过程中克服阻力做功。
2.减小误差的措施：
（1）减小重物下落时受到的空气阻力（选择体积小、密度大的重物）；
系统误差
阻力来源：
（1）重物下落过程中受空气阻力；
（2）纸带与打点计时器之间存在摩擦阻力.
（2）用电火花计时器代替电磁打点计时器；
（3）安装打点计时器时保证两个限位孔竖直；
（4）释放纸带时，保证纸带竖直。
误差分析
思考：实验中是否存在其他误差？若存在如何减小误差？
测量纸带长度时存在误差
措施：
（1）多次测量取平均值；
（2）依次测量后面的点与第一点之间的距离。
偶然误差
h
h2
h1
O
A
B
C
【针对训练】
1 ．某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是（ ）
A.把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源
B.将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度
C.先释放纸带，再接通电源
D.更换纸带，重复实验，根据记录处理数据
C
2．(多选)在“验证机械能守恒定律”的实验中，有关重物的质量，下列说法中正确的是(　　)
A．应选用质量较大的重物，使重物和纸带所受的重力远大于它们所受的阻力
B．应选用质量较小的重物，使重物的惯性小一些，下落时更接近于自由落体运动
C．不需要称量重物的质量
D．必须称量重物的质量，而且要估读到0.01 g
AC
3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，质量m＝1 kg的重物自由下落，在纸带上打出一系列的点，如图所示(相邻两计数点时间间隔为0.02 s)，单位cm，那么
(1)纸带的________端与重物相连；
(2)打点计时器打下计数点B时，重物的速度vB＝________；
(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能减少量是ΔEp＝____ J，此过程中重物动能的增加量ΔEk＝______ J(g取9.8 m/s2)；
(4)通过计算，数值上ΔEp ________ΔEk(选填“>”“＝”或“<”)，这是因为__________________________________________。
【解析】(1)重物下落的过程中，重物的速度越来越大，打的点间距应当越来越大，故O端与重物相连。
(2)B点瞬时速度等于AC段的平均速度
vB＝?????????2????＝(7.06?3.14)×10?22×0.02 m/s＝0.98 m/s。
(3)重力势能减少量ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.050 1 J≈0.491 J
动能的增加量ΔEk＝12mv2＝12×1×0.982 J≈0.480 J。
(4)计算得出ΔEp>Δek，这是因为重物在下落过程中还须克服摩擦阻力做功。
【答案】　(1)O　(2)0.98 m/s　(3)0.491　0.480
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课后作业：
课后问题与练习P98页1,2
同步训练

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