《驗證機械能守恒定律》-完整版課件

第五節(jié)驗證機械能守恒定律一、實驗目的通過研究物體運動過程中的________和________變化，驗證械能守恒定律．二、實驗原理1．針對只有重力做功的情形，研究其運動過程，比較物體________變化量與________變化量，若滿足ΔEp＝－ΔEk.則說明機械能守恒．動能勢能重力勢能動能2．比較運動過程中兩個狀態(tài)的機械能．若滿足Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2，也說明機械能守恒．3．兩種設計方案：(1)方案一：利用打點計時器記錄自由下落物體的運動信息，通過打點紙帶確定物體下落的高度及此時對應的速度，確定減少的重力勢能和增加的動能．探尋兩者之間的關系，驗證機械能是否守恒．(2)方案二：如右圖所示，用單擺和DIS裝置驗證機械能守恒，將DIS裝置的光電門放在A、B、C、D各點，測出各點的速度．測量出各點對D的高度．運用所得數(shù)據(jù)驗證機械能是否守恒．三、實驗器材方案一：打點計時器及電源、鐵架臺(含鐵夾)、紙帶________、刻度尺、夾子．方案二：DISLab實驗儀一套，鐵架臺、________、細線、鉛筆、貼有方格紙的木板、刻度尺．鉤碼擺球方案一“落體法”驗證機械能守恒一、實驗步驟1．如圖把打點計時器安裝在鐵架臺上，并將打點計時器接到電源上．2．把紙帶的一端和鉤碼用夾子固定好，另一端穿過計時器限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c計時器附近．3．先接通電源，然后松手讓重物帶著紙帶自由下落．4．重復幾次，得到3～5條打好點的紙帶．5．在打好點的紙帶中挑選一條點跡清晰的紙帶，在起始點標上O，以后的點依次標上1、2、3…，用刻度尺測出對應下落的高度h1、h2、h3…，并計算相應的重力勢能減少量mghn.7．比較與mghn是否在誤差范圍內(nèi)相等．二、數(shù)據(jù)處理1．代人數(shù)據(jù)計算比較：2．作v2－h(huán)圖象，分析曲線：從靜止開始下落，如滿足機械能守恒，則mgh＝mv2，所以v2＝2gh，其中2g為常數(shù)，故v2－h(huán)圖線應為過原點的傾斜直線，斜率的一半為當?shù)刂亓铀俣?，所得圖象如右圖．三、誤差分析1．本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(空氣阻力、打點計時器阻力)做功，故動能的增加量mv2稍小于重力勢能的減少量mgh，這是系統(tǒng)誤差．2．本實驗的另一個誤差來源是長度的測量，屬偶然誤差．3．另外交流電的頻率發(fā)生波動，也會給實驗帶來偶然誤差．四、注意事項：1．應盡可能控制實驗條件，使裝置滿足機械能守恒的條件，這需要盡量減小各種阻力，采取的措施有：(1)安裝時使限位孔與紙帶處于同一豎直平面內(nèi)．(2)應選用質(zhì)量和密度較大的重物．2．使用打點計時器時，應先接通電源，再松開紙帶．3．選取紙帶的原則是：(1)點跡清晰，(2)所打點間距適中(可舍去開始打點密集的部分)．4．由于不需要計算動能和重力勢能的具體數(shù)值，因而不需要測量物體的質(zhì)量．方案二用DIS裝置驗證機械能守恒實驗過程1．在鐵架臺上端用鐵架懸掛一個擺球(如圖)．2．在方格紙上確定4～5個點作為測量點．3．分別安裝光電傳感器，并使之與數(shù)據(jù)采集器相連接．4．讓小球從某一高度向下擺動．分別測定擺球在擺動過程中任意時刻的動能和重力勢能．5．研究每一個測量點上機械能的總量有什么特點.注意事項：1．小球運動時，應使其軌跡在一豎直面內(nèi)，避免做圓錐擺運動．2．調(diào)整帶方格紙的木板，應使其豎線在豎直方向上．3．為準確測定小球在各位置的瞬時速度，可在小球下部安置一塊擋光片，并確保擋光片在豎直面內(nèi)．(1)為進行“驗證機械能守恒定律”的實驗，有下列器材可供選擇：A．鐵架臺B．打點計時器C．復寫紙D．紙帶E．低壓交流電源F．天平G．秒表H．導線I．電鍵J．米尺上述器材不必要的是________(只填字母代號)，缺少的器材是______________________________．(2)實驗中下列物理量中需要直接測量的量有______，通過計算可得到的量有________(填字母序號)．A．重錘質(zhì)量B．重力加速度C．重錘下落的高度D．與下落高度相對應的重錘的瞬時速度(3)質(zhì)量為m＝1kg的重錘自由下落，在紙帶上打出一系列的點如圖所示，O為第一個點，A、B、C為相鄰的點，相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.02s，長度單位是cm，取g＝9.8m/s2，求：a.打點計時器打下計數(shù)點B時，物體的速度vB＝________m/s；(保留兩位有效數(shù)字)b．從點O到打下計數(shù)點B的過程中，物體重力勢能的減少量ΔEp＝________J，動能的增加量ΔEk＝________J．(保留兩位有效數(shù)字)重力勢能減小量ΔEp＝mghOB＝1×9.8×4.86×10－2J≈0.48J.答案：(1)F、G重錘(2)C

D

(3)0.97

0.48

0.47變式訓練1．在驗證機械能守恒定律的實驗中：(1)從下列器材中選出實驗所必需的，其編號為_________．A．打點計時器(包括紙帶)；B.重物；C.天平；D.毫米刻度尺；E.秒表；F.運動小車．(2)打點計時器的安裝放置要求為___________；開始打點計時的時候，應先_________________，然后________．A、B、D底板要豎直給打點計時器通電釋放重物(3)實驗中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要是________________________________，使重物獲得的動能________重物減少的重力勢能．為減小誤差，懸掛在紙帶下的重物應選擇___________________．(4)如果以v2/2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出的

圖線是___________________________，該線的斜率等于____________．重力加速度g紙帶通過打點計時器時有摩擦阻力小于質(zhì)量和密度大一些的一條通過坐標原點的傾斜直線在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，所用電源的頻率為50Hz，某同學選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測量時各計數(shù)點對應刻度尺上的讀數(shù)如圖所示(圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D、E分別是每打兩個點取出的計數(shù)點)．根據(jù)紙帶計算：(1)重錘下落的加速度；(2)若重錘的質(zhì)量為m，則重錘從開始下落到打B點時，減少的重力勢能是多少？(3)重錘下落到打B點時增加的動能有多大？(4)從(2)(3)數(shù)據(jù)可得出什么結論？產(chǎn)生誤差的主要原因是什么？解析：在驗證機械能守恒定律的實驗中，誤差中的一部分來自于空氣阻力及紙帶和打點計時器限位孔之間的摩擦，故重力勢能的減少應等于動能的增加量和克服阻力做功之和．所以，此題在計算結論上肯定是重力勢能減少的多，動能增加的少，其差值除偶然誤差外，就是上述原因造成的．(1)根據(jù)逐差法求加速度＝(0.101＋0.1165－0.0855－0.07)/[4×(0.04)2]m/s2＝9.688m/s2即重錘下落的加速度為9.688m/s2.(2)重錘從開始下落到打B點時減少的重力勢能為：ΔEp減＝mgh＝mg＝9.8×0.1950mJ＝1.911mJ.(3)重錘下落到打B點時的速度為vB＝(sAB＋sBC)/2T＝(0.07＋0.0855)/(2×0.04)m/s＝1.944m/s，則物體從開始下落到打B點增加的動能為ΔEp增＝mvB2/2＝(1.944)2m/2＝1.89mJ.(4)從(2)(3)可以得出，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，重錘重力勢能的減少等于其動能的增加，機械能守恒．重錘減少的重力勢能略大于其增加的動能的原因是：重錘在下落時要受到阻力的作用(打點計時器對紙帶摩擦、空氣阻力等)，重錘克服阻力做功要損失一部分機械能．答案：(1)9.688m/s2

(2)1.911mJ

(3)1.89mJ

(4)從(2)(3)可以得出，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，重錘重力勢能的減少等于其動能的增加，機械能守恒．重錘減少的重力勢能略大于其增加的動能的原因是：重錘在下落時要受到阻力的作用(打點計時器對紙帶摩擦、空氣阻力等)，重錘克服阻力做功要損失一部分機械能．變式訓練2．某同學做“驗證機械能守恒定律”的實驗時不慎將一條選擇好的紙帶的前面一部分破壞了，測出剩下的一段紙帶上的各個點間的距離如下圖所示．已知打點計時器工作頻率為50Hz，重力加速度g取9.8m/s2.(1)利用這段紙帶說明重錘通過2、5兩點時機械能守恒；(2)分別說明為什么得到的結果是重力勢能減少量ΔEp稍大于重錘動能的增加量ΔEk.答案：(1)因為ΔEp＝mgh＝1.047mJ，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，ΔEp＝ΔEk，機械能守恒．(2)由于存在空間阻力和紙帶與打點計時器間的摩擦力，減少的重力勢能一小部分由于摩擦轉化為其他能量，所以，增加的動能略小于減少的重力勢能．基礎達標1．在利用重錘自由下落“驗證機械能守恒定律”的實驗中，產(chǎn)生誤差的主要原因是(

)A．重錘下落的實際高度大于測量值B．重錘下落的實際高度小于測量值C．重錘實際末速度v大于gt(g為重力加速度，t為下落時間)D．重錘實際末速度v小于gtD2．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，由于打點計時器兩個限位孔不在同一豎直線上，使紙帶通過時受到較大阻力，這樣的結果會有(

)D．以上都有可能A3．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列物理量中需要用工具直接測量的有(

)A．重錘的質(zhì)量B．重力加速度C．重錘下落的高度D．與重錘下落高度對應的重錘的瞬時速度C4．在驗證機械能守恒定律的實驗中，下列說法正確的是(

)A．需要天平測定重錘質(zhì)量B．實驗時要先松開紙帶讓重錘下落，然后接通電源讓打點計時器工作C．應該選用第1、2點之間間距約等于2mm的紙帶進行分析D．實驗結果總是動能的增加量略大于重力勢能的減少量C5．利用重錘自由下落驗證機械能守恒定律實驗時，下列說法不正確的是(

)A．選用重錘時，重的比輕的好B．選用重錘時，體積小的比體積大的好C．選用重錘后要測出錘的質(zhì)量D．重錘所受重力要遠大于它所受的空氣阻力和打點計時器對紙帶的阻力解析：實驗過程中，重錘下落的過程中會受到空氣阻力和紙帶與打點計時器之間的摩擦阻力作用，要減小實驗誤差，就必然減小這些阻力．所以重錘要選用體積小、重一些的，一是減小阻力，二是使阻力相對于重力較小，可以忽略．選項ABD正確．由于動能和重力勢能的表達式中都有質(zhì)量m，因此在比較始末位置的機械能時不需要測出重錘的質(zhì)量的大小，所以選項C錯誤．答案：C6．用電磁打點計時器做“驗證機械能守恒定律”的實驗，有如下可供選擇的實驗器材：鐵架臺、打點計時器、復寫紙、紙帶、低壓直流電源、天平、秒表、導線、開關，其中不必要的器材是__________________________，缺少的器材是___________________________．低壓直流電源、天平、秒表低壓交流電源、重錘、刻度尺7．(雙選)下列關于“驗證機械能守恒定律”實驗的實驗誤差的說法，正確的是(

)A．重物質(zhì)量的稱量不準會造成較大誤差B．重物質(zhì)量選用得較大些，有利于減小誤差C．重物質(zhì)量選用得較小些，有利于減小誤差D．先釋放紙帶后接通電源會造成較大誤差解析：該實驗不需要測量物體的質(zhì)量，故A錯；選用質(zhì)量較大的重物有利于減小摩擦帶來的誤差，B對；應先接通電源，待打點穩(wěn)定后再松開紙帶，故D對．答案：BD能力提升8．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，某同學依據(jù)紙帶求得相關各點的瞬時速度以及與此相對應的下落距離h，以v2為縱軸，以h為橫軸，建立坐標系，描點后畫出變化圖線，從而驗證機械能守恒定律．若所有操作均正確，則得到的v2－h(huán)圖象應是圖中的(

)解析：若滿足機械能守恒應有v2＝gh即v2與h成正比關系，C對．答案：C9．某位同學用落體法做“驗證機械能守恒定律”的實驗，下列操作步驟中錯誤的是(

)A．把打點計時器固定在鐵架臺上，用導線連接到低壓交流電源B．將連有重錘的紙帶穿過限位孔，將紙帶和重錘提升到一定高度C．先釋放紙帶，再接通電源D．更換紙帶，重復實驗，根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)解析：根據(jù)驗證機械能守恒定律的實驗要求，應先接通電源，讓打點計時器工作穩(wěn)定后，再釋放紙帶，故C選項是錯誤的，A、B、D均符合實驗要求，故選C.答案：C10.如圖為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖．現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平．回答下列問題：(1)為完成此實驗，除了所給的器材，還需要的器材有________(填入正確選項前的字母)．A．米尺B．秒表C．0～12V的直流電源D．0～12V的交流電源(2)實驗中誤差產(chǎn)生的原因有_____________________________________________________________________________________________________________________________________________.(寫出兩個原因)解析：(1)用A項米尺測量長度，用D項交流電源供打點計時器使用．(2)紙帶與打點計時器之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差；計算勢能變化時選取的始末兩點距離過近；交流電頻率不穩(wěn)定．答案：(1)A、D

(2)見解析11．下圖是某同學探究“動能與重力勢能的轉化和守恒”實驗及打出的一條紙帶的一部分(

)(1)已知打點計時器的周期為0.02s，當?shù)氐闹亓铀?/p>