资源简介

(共32张PPT)
第八章 机械能守恒定律
第 5 节 实验：验证机械能守恒定律
1、明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量。
2、能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性分析产生误差的原因。
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。
问题1：机械能守恒定律的条件是什么？
只有重力或弹力做功
问题2：回顾以前学过的运动，哪种运动形式可以用来验证机械能守恒定律？
实验思路：机械能守恒的前提是“只有 做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。本节实验我们以只有重力做功的过程进行研究。
重力或弹力
做自由落体运动的小球
沿光滑斜面下滑的物体
自由摆动的小球
平抛运动
思考与讨论：只有重力做功时，能量是怎样转化的，表达式是什么？需要测量那些物理量？用到什么工具？
1、要验证的表达式：
m+mgh2=+mgh1
2、所需测量的物理量：
(1)物体的质量（天平）；
(2)物体所处位置的高度（刻度尺）；
(3)物体的运动速度（速度传感器、光电门、纸带平均速度法）。
(1)如果你要通过研究自由下落物体的机械能变化来验证机械能守恒定律，根据所要测量的物理量，你认为还需要哪些器材？
(2)在使用这些器材进行测量时，你需要注意什么问题
思考与讨论
(3)你是否可以设计出详细的实验方案，完成这个验证实验
1.实验器材
铁架台(带铁夹)、 、重物(带夹子)、纸带、复写纸(或墨粉纸盘)、导线、 、 。
打点计时器
刻度尺
交流电源
2.实验步骤
限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3~5条打好点的纸带。
(2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的
(1)安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。
甲
(3)选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及在两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证。
问题：怎样测定第n个点的瞬时速度？
O
n
sn
sn+1
dn
dn+1
dn-1
测出第n个点的相邻前、后两段相等时间T内下落的距离sn和sn+1
(1)计算各点对应的瞬时速度
3.数据处理
第1种方法是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用。
第2种方法认为加速度为g，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。
拓展思考：计算物体的速度，可有三种方法，哪种方法不合适？为什么？
选择开始的两点间距接近 的一条纸带，打的第一个点为起始点，
如果在实验误差允许范围内 ，则机械能守恒定律得到验证。
2 mm
mghn=m
(2)验证方法
思考：在纸带上选择哪两个位置作为过程的开始和终结采集数据？
方法一：利用起始点和第n点。
x = gt2 = ×9.8×0.022m ≈2×10-3m = 2 mm
如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？表达式是什么？
ghn =
也可以不测量物体的质量
问题：是否需要一定测量重物的质量？
可不可以用图象处理数据 斜率表示什么？
如果实验要求计算势能和动能的2具体数据，那就必须要知道物体的质量。
方法二：图像法
计数点 B C D E F
hn(×10-2m) 14.88 18.34 22.30 26.50 31.28
(m2/s2) 1.416 1.721 2.081 2.520 2.940
(m2/s2)
/m
0.1
0.2
0.3
1.0
2.0
3.0
若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证。
mghn=m
如果在实验误差允许范围内 ，则机械能守恒定律得到验证。
方法三：任取两点A、B。
mghAB=m-m
Δh
A
B
思考：可以回避起始点吗？（即处理纸带时可以不用到起始点吗）
可以，如选取A、B 两点，比较物体从A落到B的过程中：
减少的重力势能 是否等于增加的动能
4.实验误差分析
①系统误差：本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。
②偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差。
5.注意事项
（1）打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力。
（2）重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从而减小实验误差。
（3）实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带。
（4）测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60～80 cm之间。
思考：重物下落过程中，除了重力外还受哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？实验中要注意那些事项？打点计时器应该注意什么？
5.注意事项
（5）不需测出物体质量，只需验证 或 即可。
（6）速度不能用vn＝gtn或 计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用 或 计算得到。
1.(2023·开封市高一期末)如图甲所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始下落，利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)关于该实验，下列操作必要且又正确的有　　 。
A.重物应选择质量大和体积小的金属锤
B.两限位孔在同一竖直面内上下对正
C.用夹子夹好纸带稳定后，接通直流电源，然后
松开手释放重物
D.除如图所示器材外，为了完成实验，还必须增加刻度尺
√
√
√
甲
(2)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图乙所示的一条纸带，在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T，设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减小量
ΔEp=　 　　，动能增加量ΔEk=　　　　　　。
mghB
m()2
(3)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，其原因是______________________________________________。
重物和纸带运动过程中克服阻力做功，机械能减少
(4)某同学想用下述方法研究重物下落过程机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2-h图像如图丙所示，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，斜率为k，则当满足　　　时，重物下落过程中机械能守恒。
k=2g
2.(2023·滨州市高一期中)用如图甲的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。实验中获取的一条纸带如图乙所示，0是打下的第一个点，每相邻两计数
点间还有4个打下的点(图中未标出)，打点频率为50 Hz，计数点间的距离已标记在纸带上。已知m1=50 g，m2=150 g。(g=9.8 m/s2，所有结果均保留三位有效数字)
(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5=　　　 m/s。
2.40
(2)在打下0~5的过程中系统动能的增加量ΔEk=　　　　 J，系统重力势能的减少量ΔEp= J。
0.576
0.588
(4)在本实验中，若某同学作出了-h图像，如图丙所示，则当地的重力加速度的测量值g=_______m/s2。
9.70
(3)由此得出的结论是：__________________________________________
________。
在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械
能守恒
思考与讨论
沿光滑斜面下滑的物体
物体沿斜面下滑受到哪些力的作用？要机械能守恒要满足什么条件？怎样实现？
(1)实验器材：气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。
(2)实验原理：如图所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大。
1.实验原理与装置
测量两光电门之间高度差Δh和滑块通过两个光电门时的速度v1、v2，代入表达式验证。
mgΔh=m-m
(1)为什么要用气垫导轨，它的作用是什么？
(2)你如何测量滑块下降的高度
思考与讨论
(3)你如何测量滑块经过光电门的瞬时速度，这个速度的测量值是否有误差，如果有误差，你认为如何减小误差呢
2.数据处理
mgΔh=m-m
思考：实验原理是什么？需要测量那些物理量？怎样测量？
3.误差分析
思考.如何选择挡光片的距离？过大或过小对速度的测量各有什么影响
用平均速度代替瞬时速度对本实验的结果影响如何？
两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小。
【方案三】利用频闪照片验证机械能守恒
频闪时间间隔T
mgΔh=m-m
方案四:结合平抛运动验证机械能守恒
如图所示,从斜槽某高度处固定点A由静止开始释放钢球,使钢球在末端水平飞出,重复多次,找出平均落地点P。

(1)测动能的增加量ΔEk:
(3)实验结论:
测量斜槽末端到O点的高度h2,O点到P点的距离x。由平抛运动知识可知x=v0t及h2=gt2,得平抛初速度v0=x ,钢球在平抛运动起始点的动能Ek=m= 。
(2)测重力势能的减少量ΔEp:
测量A点到斜槽末端所在水平面的高度h1,以斜槽末端为零势能点,则钢球在A点的重力势能Ep=mgh1。
若Ep=Ek,即只要有h1= ,那么就验证了机械能守恒定律。
2.现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”。图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的数字计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的数字计时器显示的挡光时间分别为5.00×10-2 s、2.00×10-2 s。已知滑块质量为2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm，光电门1和2之间的距离为0.54 m，g取9.80 m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度。(结果均保留三位有效数字)
(1)滑块通过光电门1时的速度v1=　　　 m/s，
通过光电门2时的速度v2=　　　 m/s。
1.00
2.50
(2)滑块通过光电门1、2过程的动能增加量为　　　 J，重力势能的减少量为　　　 J。
5.25
5.29
(3)实验可以得出的结论：________________________________________。
在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒
实验：验证机械能守恒定律
实验思路
要验证表达式： m-m=mgh1-mgh2
所测量物理量：高度差、运动速度
实验方案
自由下落物体的机械能
沿斜面下滑物体的机械能
实验器材
实验步骤
数据分析
误差分析
公式法
图像法

展开更多......

收起↑