第5節(jié)　實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 教學(xué)課件

物理第八章機(jī)械能守恒定律第5節(jié)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律01基礎(chǔ)儲備明確原理02熱點(diǎn)實(shí)驗(yàn)典例解讀一、實(shí)驗(yàn)原理做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，在下落過程中，重力勢能減少，動(dòng)能增加，如果重力勢能的減少量等于動(dòng)能的增加量，就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．二、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(4～6V)．三、實(shí)驗(yàn)步驟1．安裝裝置：按圖甲所示把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好．2．打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器附近．先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落．重復(fù)幾次，得到3～5條打好點(diǎn)的紙帶．3．選紙帶：從打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰且開始的兩點(diǎn)間距接近2mm的一條紙帶，在起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時(shí)間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3、…，如圖乙所示．4．測距離：用刻度尺測出0到1、2、3、…的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3、….方法三：圖像法(如圖所示)．

若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．五、誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)過程中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差，減小偶然誤差的方法是多測幾次取平均值．六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．2．應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力的影響相對減?。?．實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落．熱點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)原理與操作

【例1】“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置可以采用圖示的甲或乙方案來進(jìn)行．(1)比較這兩種方案，______(選填“甲”或“乙”)方案好些．(2)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，直接測量的物理量是________．A．重力加速度 B．重物下落的高度C．重物下落的瞬時(shí)速度 D．重物下落的平均速度(3)在進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)________．A．先釋放紙帶，再接通電源B．用手托住重物由靜止釋放C．根據(jù)v＝gt計(jì)算重物在t時(shí)刻的速度D．使重物下落的起始位置靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器[解析]

(1)甲方案摩擦阻力小，誤差小，而且方便操作，所用實(shí)驗(yàn)器材少，所以甲方案好些．(2)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，重力勢能減少量等于動(dòng)能的增加量，所以重力加速度是已知的，無須測量，A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)要計(jì)算重力勢能的減少量，所以需要測量重物下落的高度，B正確；本實(shí)驗(yàn)下落的瞬時(shí)速度是根據(jù)紙帶處理得到，無法直接測量，而平均速度本實(shí)驗(yàn)用不到，C、D錯(cuò)誤．(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作，接通電源打點(diǎn)穩(wěn)定后，再釋放紙帶，A錯(cuò)誤；釋放時(shí)，紙帶應(yīng)豎直，減少與限位孔的摩擦，所以釋放時(shí)，應(yīng)按題圖甲中所示的方式，B錯(cuò)誤；因?yàn)橐?yàn)證機(jī)械能守恒，所以速度需根據(jù)實(shí)際的紙帶計(jì)算，而不能用自由落體公式計(jì)算，因?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)只受重力，機(jī)械能一定守恒，C錯(cuò)誤；釋放紙帶前，重物應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，這樣可以充分利用紙帶，D正確．[答案]

(1)甲(2)B

(3)D[針對訓(xùn)練1]利用如圖所示裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)．(1)為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點(diǎn)間的________．A．動(dòng)能變化量與勢能變化量B．速度變化量和勢能變化量C．速度變化量和高度變化量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的器材是________．A．已知頻率的交流電源B．刻度尺C．天平(含砝碼)D．停表解析：(1)為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點(diǎn)間動(dòng)能的增加量和重力勢能的減少量是否相等，故A正確；(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用交流電源，實(shí)驗(yàn)中需要測量點(diǎn)跡間的距離，從而得出瞬時(shí)速度和下降的高度，所以需要刻度尺．實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證動(dòng)能的增加量和重力勢能的減少量是否相等，質(zhì)量可以約去，不需要測量質(zhì)量，則不需要天平，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器根據(jù)電源頻率可以知道時(shí)間，故不需要停表，故A、B正確．答案：(1)A

(2)AB(2)圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組得到的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，紙帶上的O點(diǎn)是起始點(diǎn)，選取紙帶上連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D、E、F作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，并測出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離依次為27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm.已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源是50Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5kg，則從計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)D的過程中，重物減小的重力勢能ΔEp＝________J；重物增加的動(dòng)能ΔEk＝________J，兩者不完全相等的原因可能是__________________．(重力加速度g取9.8m/s2，計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)(3)實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)又正確計(jì)算出圖乙中計(jì)數(shù)點(diǎn)B、C、D、E、F各點(diǎn)的瞬時(shí)速度v，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離h′為橫軸，v2為縱軸作出圖像，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒的依據(jù)是______________________________________________________________________________________________________________________.[答案]

(1)BC(2)2.14

2.12重物下落過程中受到阻力作用(3)圖像的斜率等于19.52，約為重力加速度g的2倍[針對訓(xùn)練2]現(xiàn)利用如圖所示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．圖中AB是固定的光滑斜面，斜面的傾角為30°，1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，與它們連接的光電計(jì)時(shí)器都沒有畫出．讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為5.00×10－2s、2.00×10－2s．已知滑塊P質(zhì)量為2.00kg，滑塊沿斜面方向的長度為5.00cm，光電門1和2之間的距離為0.54m，g取9.80m/s2，取滑塊經(jīng)過光電門時(shí)的速度為其平均速度．(1)滑塊經(jīng)過光電門1時(shí)的速度v1＝________m/s，通過光電門2時(shí)的速度v2＝________m/s.(2)滑塊通過光電門1、2之間的動(dòng)能增加量為________J，重力勢能的減少量為________J.答案：(1)1.00

2.50

(2)5.25

5.292熱點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新

【例3】某同學(xué)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．其中，A、B是由跨過定滑輪的細(xì)線連接著的兩個(gè)物體，C是水平固定在A上的遮光條，1、2是水平固定在鐵架臺上的兩個(gè)光電門．實(shí)驗(yàn)中，該同學(xué)先用手握住質(zhì)量較大的A物體使細(xì)線繃直，接著由靜止釋放A，記錄遮光條C通過光電門1、2的時(shí)間．(1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是________和______．(填選項(xiàng)前字母)A．可以用橡皮筋替代細(xì)線B．A、B應(yīng)選密度較大的實(shí)心物體C．遮光條的寬度應(yīng)適當(dāng)大一些D．光電門1、2間的高度差應(yīng)適當(dāng)大一些(2)若實(shí)驗(yàn)中已測出A、B、C的質(zhì)量分別為M、m、m0，遮光條的寬度為d，光電門1、2間的高度差為h，還測出了某次實(shí)驗(yàn)中遮光條通過光電門1、2的時(shí)間分別為t1、t2，且查出當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮間.則物體A到達(dá)光電門1的速度大小為________；實(shí)驗(yàn)中要驗(yàn)證的關(guān)系為(M＋m0－m)gh＝________________________．[解析]

(1)若用橡皮筋替代細(xì)線，由牛頓第二定律知，釋放A后的加速運(yùn)動(dòng)過程中，橡皮筋的伸長量大于系統(tǒng)靜止時(shí)，即橡皮筋的彈性勢能會(huì)增大，A、B組成的系統(tǒng)機(jī)械能不守恒，A錯(cuò)誤；若A、B是密度較大的實(shí)心物體，則質(zhì)量一定的情況下物體體積較小，運(yùn)動(dòng)過程中，空氣阻力較小，造成系統(tǒng)機(jī)械能的損失較小，B正確；遮光條的寬度若較大，則A通過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度測量誤差較大，C錯(cuò)誤；光電門1、2間的高度差大一些，高度測量的偶然誤差會(huì)減小，D正確．【例4】利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖所示．(1)實(shí)驗(yàn)步驟：①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平．②用游標(biāo)卡尺測出擋光條的寬度l.③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心間的距離s＝________cm.④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2.⑤從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時(shí)間Δt1和Δt2.⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m.(2)用表示直接測量量的字母寫出下列物理量的表達(dá)式．①滑塊通過光電門1和光電門2時(shí)，瞬時(shí)速度分別為v1＝________和v2＝________．②當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時(shí)，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1＝__________和Ek2＝__________．③在滑塊從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過程中，系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp＝____________(重力加速度為g)．(3)如果ΔEp＝________，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．[針對訓(xùn)練3]為了驗(yàn)證矩形線框自由下落過程中上、下邊經(jīng)過光電門時(shí)機(jī)械能是否守恒，使用了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置．已知矩形線框用直徑為d的圓柱形材料做成，用刻度尺