【課件】1.5科學驗證：機械能守恒定律課件-2021-2022學年高一下學期物理魯科版（2019）必修第二冊

1、第第5 5節(jié)：科學驗證：機械能守恒定律節(jié)：科學驗證：機械能守恒定律機械能：動能、重力勢能、彈性勢能機械能：動能、重力勢能、彈性勢能與物體的機械運動有關的能稱之機械能與物體的機械運動有關的能稱之機械能機械能可以相互轉化機械能可以相互轉化機械能在轉化過程中遵循機械能在轉化過程中遵循什么規(guī)律什么規(guī)律呢？呢？ 機械能的總量保持不變？機械能的總量保持不變？一、機械能守恒定律一、機械能守恒定律機械能：機械能：動能、重力勢能和彈性勢能動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱統(tǒng)稱機械能守恒定律機械能守恒定律3、適用條件：、適用條件：只有重力只有重力 做功做功2、表達式：、表達式： EK2+EP2=EK1+EP1(E2E1

2、 )只受重力只受重力其他力不做功其他力不做功4 4、時刻守恒，可任選初末狀態(tài)、時刻守恒，可任選初末狀態(tài)5 5、機械能守恒的另一表述：、機械能守恒的另一表述：E P EK ( (不要取零勢面不要取零勢面) )重力勢能的減少量（或增加量）等于動能的增加量（或減少量）重力勢能的減少量（或增加量）等于動能的增加量（或減少量）、物體在只有彈力做功的情況下，只發(fā)生動能和彈性勢能之間的相、物體在只有彈力做功的情況下，只發(fā)生動能和彈性勢能之間的相互轉化，物體的機械能也守恒互轉化，物體的機械能也守恒（要取零勢面）（要取零勢面）( (彈力彈力) )( (彈性彈性) )( (彈力彈力) )三、解題步驟：三、解題步驟

3、：比牛二優(yōu)越：只涉及初末狀態(tài)，不考慮中間過程比牛二優(yōu)越：只涉及初末狀態(tài)，不考慮中間過程, ,適用曲線運動適用曲線運動1 1、內容：在只有重力、內容：在只有重力 做功的情況下，物體的動能和重力做功的情況下，物體的動能和重力 勢能發(fā)生相互轉化，但機械能的總量保持不變勢能發(fā)生相互轉化，但機械能的總量保持不變機械能守恒定律實驗探究機械能守恒定律實驗探究直接方法直接方法測出物體在各個時測出物體在各個時刻的速率和高度刻的速率和高度更簡單的實驗更簡單的實驗利用速率為零的那些利用速率為零的那些時刻比較高度時刻比較高度2mm2mm實驗實驗Ghv11A hv22BWG重力勢能重力勢能動能動能=mgh機械能守恒定律

4、理論推導機械能守恒定律理論推導做自由落體運動的小球經過做自由落體運動的小球經過A A、B B兩兩點，在點，在ABAB過程中，重力做的功為過程中，重力做的功為2122G2121vmvmW 21GhgmhgmW 2121222121hgmhgmvmvm2112222121vmhgmvmhgm 1k1p2k2pEEEE 所以所以動能定理動能定理: :W合=EK重力做功和重力重力做功和重力勢能的關系：勢能的關系：WG=-EP只受重力只受重力還受其它力還受其它力, ,其他力不做功其他力不做功適用條件適用條件: :只有重力做功只有重力做功不受阻力不受阻力v0v0v0下列運動滿足機械能守恒的是：下列運動滿足

5、機械能守恒的是：1、手榴彈拋出后的運動、手榴彈拋出后的運動(不計阻力不計阻力)2、被勻速吊起的集裝箱、被勻速吊起的集裝箱3、雨滴雨滴( (降落傘降落傘) )在空中勻速下落在空中勻速下落4 4、物體沿斜面勻速下滑、物體沿斜面勻速下滑5、圓錐擺球在水平面內做勻速圓周運動圓錐擺球在水平面內做勻速圓周運動6 、子彈射穿木塊子彈射穿木塊判斷判斷: :除重力做功外，其他力做的功之除重力做功外，其他力做的功之和為零，物體的機械能守恒嗎和為零，物體的機械能守恒嗎? ?平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)F F合合=0=0W W合合=0=0機械能一定守恒機械能一定守恒? ?F Ff fWF化學能化學能Wf機械能機械能內能內能機械能

6、恒定機械能恒定在只有彈力做功的情形下，物體系（物體和彈簧）的機械能在只有彈力做功的情形下，物體系（物體和彈簧）的機械能也守恒也守恒只有重力和彈力做功只有重力和彈力做功, ,物體的機械能守恒物體的機械能守恒判斷判斷:在光滑水平面上運動的小球，在光滑水平面上運動的小球，碰到彈簧上，把彈簧壓縮后又被彈簧碰到彈簧上，把彈簧壓縮后又被彈簧彈回來，小球的機械能守恒彈回來，小球的機械能守恒小球和彈簧組成的系統(tǒng)小球和彈簧組成的系統(tǒng)進一步認識機械能守恒定律進一步認識機械能守恒定律應用機械能守恒定律解題的一般步驟：應用機械能守恒定律解題的一般步驟：1 1、明確研究對象和運動過程、明確研究對象和運動過程2 2、受力

7、分析、受力分析、做功做功分析，分析，判斷判斷機械能守恒機械能守恒3 3、確定初末狀態(tài)，選定、確定初末狀態(tài)，選定零勢能面零勢能面，確定初末狀態(tài)，確定初末狀態(tài)的機械能的機械能4 4、根據(jù)機械能守恒定律列方程求解、根據(jù)機械能守恒定律列方程求解例：如圖所示，在豎直平面內有一段四分之例：如圖所示，在豎直平面內有一段四分之一圓弧軌道半徑一圓弧軌道半徑OAOA在水平方向，一個小球在水平方向，一個小球從頂端從頂端A A點由靜止開始下滑，已知軌道半點由靜止開始下滑，已知軌道半徑徑R R10cm10cm，不計摩擦，求小球剛離開軌，不計摩擦，求小球剛離開軌道底端道底端B B點時的速度大??？點時的速度大小？光滑曲面光

8、滑曲面E1=mgR機械能守恒機械能守恒E E1 1=E=E2 2E2=mvmv2 21 12 2mgR=mgR=mvmv2 21 12 2V= 2gRV= 2gR 解：小球運動過程中，不計摩擦阻力，機械能守恒解：小球運動過程中，不計摩擦阻力，機械能守恒以小球運動最低點為參考面，確定初末狀態(tài)機械能以小球運動最低點為參考面，確定初末狀態(tài)機械能例例2 2：如圖，一質量為：如圖，一質量為m m的小球從光滑斜面上高為的小球從光滑斜面上高為h=4Rh=4R處由靜處由靜止滑下，斜面底端緊接著一個半徑為止滑下，斜面底端緊接著一個半徑為R R的光滑圓環(huán)，求：小的光滑圓環(huán)，求：小球滑至圓環(huán)頂點時的速度各多大？球滑

9、至圓環(huán)頂點時的速度各多大？hR2R初位置末位置E1=mgh=4mgR機械能守恒機械能守恒E1=E2光滑曲面光滑曲面解：小球在光滑面運動解：小球在光滑面運動機械能守恒，取最低點機械能守恒，取最低點的水平面為零勢能面的水平面為零勢能面E2=mg2R+mvmv2 21 12 2得：得：v2=2 gR 例例4 4將一物體從將一物體從15m15m高的樓頂以高的樓頂以10m/s10m/s的速度拋出，的速度拋出，不計阻力，則小球落到地面的速度大小？不計阻力，則小球落到地面的速度大??？h h拋體運動拋體運動v0v0v0v0h解：小球在運動中不計解：小球在運動中不計阻力機械能守恒，取地阻力機械能守恒，取地面零勢

10、能面面零勢能面E1=mghmvmv2 21 12 2機械能守恒機械能守恒E1=E2得：得：vt= 2gh+v02 E2=mvmvt t2 21 12 2mgh+ =mvmv2 21 12 2mvmvt t2 21 12 2二、驗證機械能守恒定律二、驗證機械能守恒定律實驗目的實驗目的1鞏固用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的速度鞏固用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的速度的方法。的方法。2掌握利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的原理掌握利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的原理和方法。和方法。實驗器材實驗器材打點計時器、交流電源、紙帶、復寫紙、重物、天平、打點計時器、交流電源、紙帶、復寫紙、重物、

11、天平、砝碼、刻度尺、帶有鐵夾的鐵架臺、導線。砝碼、刻度尺、帶有鐵夾的鐵架臺、導線。實驗原理實驗原理通過實驗，測出做自由落體運動物體的重力勢能的通過實驗，測出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應過程動能的增加量，若二者相等，說明機減少量和相應過程動能的增加量，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。實驗步驟實驗步驟1測質量：使用天平稱出重物的質量。測質量：使用天平稱出重物的質量。2安裝置：按圖將檢查、調整好的打點計時器豎直固安裝置：按圖將檢查、調整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路。定在鐵架臺上，接好電路。3打紙帶：將紙帶的一端用夾子固

12、定在重物上，另一打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源，然后再松開紙帶，靠近打點計時器的地方。先接通電源，然后再松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶，按上述要求再重復讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶，按上述要求再重復做做35次。次。5測距離：用毫米刻度尺測出測距離：用毫米刻度尺測出O點到點到1、2、3各計各計數(shù)點的距離，求出重物對應于各點下落的高度數(shù)點的距離，求出重物對應于各點下落的高度h1、h2、h3并將各點對應的高度填入設計的表格中。并將各點對應的

13、高度填入設計的表格中。方法三：圖像法。方法三：圖像法。誤差分析誤差分析1系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差：在只有重力對物體做功時，物體在只有重力對物體做功時，物體的動能和重力勢能可以相互轉化，且動能和重力勢的動能和重力勢能可以相互轉化，且動能和重力勢能的總和保持不變。但實驗不可避免地存在阻力能的總和保持不變。但實驗不可避免地存在阻力(打打點計時器與紙帶間的摩擦阻力、空氣阻力等點計時器與紙帶間的摩擦阻力、空氣阻力等)，重物，重物下落要克服阻力做功，部分機械能轉化成內能，下下落要克服阻力做功，部分機械能轉化成內能，下落高度越大，機械能損失越多，所以實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)落高度越大，機械能損失越多，所以實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計數(shù)

14、點對應的機械能依次略有減小的現(xiàn)象。改了各計數(shù)點對應的機械能依次略有減小的現(xiàn)象。改進的辦法是改進器材，盡量減小阻力。進的辦法是改進器材，盡量減小阻力。2偶然誤差：偶然誤差：在進行長度測量時，測量及讀數(shù)不準造成在進行長度測量時，測量及讀數(shù)不準造成誤差。減小誤差的辦法：誤差。減小誤差的辦法：(1)測量距離時從起始點測量距離時從起始點O開始一次測量完各點距離。開始一次測量完各點距離。(2)多測幾次，取平均值。多測幾次，取平均值。3打點計時器產生的誤差：打點計時器產生的誤差：(1)由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點時間間隔變化而由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點時間間隔變化而產生誤差。產生誤差。(2)振動片

15、振動不均勻，打點過淺或過緊造成誤差；紙帶振動片振動不均勻，打點過淺或過緊造成誤差；紙帶放置的方法不正確，計數(shù)點選取的不好，都會造成誤差。放置的方法不正確，計數(shù)點選取的不好，都會造成誤差。注意事項注意事項1盡量減小各種阻力而減小實驗誤差，可采取如盡量減小各種阻力而減小實驗誤差，可采取如下措施：下措施：(1)物體選用體積小、密度大的重錘，且在紙帶下物體選用體積小、密度大的重錘，且在紙帶下落前保持豎直，以減小系統(tǒng)誤差。落前保持豎直，以減小系統(tǒng)誤差。(2)打點計時器必須穩(wěn)固安裝在鐵架臺上，并且兩打點計時器必須穩(wěn)固安裝在鐵架臺上，并且兩個限位孔的中線要嚴格在同一豎直線上，以減小紙帶個限位孔的中線要嚴格在

16、同一豎直線上，以減小紙帶受到的摩擦阻力。受到的摩擦阻力。2實驗時，必須先接通電源，讓打點計時器正常實驗時，必須先接通電源，讓打點計時器正常且穩(wěn)定工作后，再松開紙帶讓重物下落。且穩(wěn)定工作后，再松開紙帶讓重物下落。3對紙帶進行測量時，應一次性測出各計數(shù)點到對紙帶進行測量時，應一次性測出各計數(shù)點到起始點起始點O的距離，不能分階段測量，為了減小測量值的距離，不能分階段測量，為了減小測量值h的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點O盡量遠一盡量遠一些，紙帶也不易過長，有效長度可在些，紙帶也不易過長，有效長度可在6080 cm之間。之間。24練習練習. .下列關于下列關

17、于“驗證機械能的轉化和守恒驗證機械能的轉化和守恒”的的實驗誤差的說法中，正確的是（實驗誤差的說法中，正確的是（ ）A.A.重物的質量測量不準會產生誤差重物的質量測量不準會產生誤差B.B.重物的質量大一些重物的質量大一些, ,有利于減小誤差有利于減小誤差C.C.重物的質量小一些重物的質量小一些, ,有利于減小誤差有利于減小誤差D.D.先釋放重物先釋放重物, ,后接通電源會造成較大誤差后接通電源會造成較大誤差B B2某同學用圖某同學用圖(a)所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，其中打點計時器的電源為交流電源，可以使用的頻率其中打點計時器的電源為交流電源，可以使用的頻率有有20 Hz、30 Hz和和40 Hz。打出紙帶的一部分如圖。打出紙帶的一部分如圖(b)所示。所示。該同學在實驗中沒有記錄交流電的頻率該同學在實驗中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實驗數(shù)，需要用實驗數(shù)據(jù)和其他題給條件進行推算。據(jù)和其他題給條件進行推算。(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用若從打出的紙帶可判定重物