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(共42张PPT)
5. 实验：验证机械能守恒定律
跳水运动员下落的过程中不计空气阻力，机械能是否守恒？怎样验证？
小球通过“过山车模型”过程中，机械能守恒吗？如何验证呢？
通过实验，验证机械能守恒定律。
1.掌握验证机械能守恒定律的实验原理、器材、步骤、数据处理和误差分析。
2.会用打点计时器打下的纸带计算瞬时速度。
（科学探究）
（科学思维）
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
【探究一：实验方案设计】
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？
自由落体运动只受重力，符合验证条件
问题3：在自由落体运动中，实验需验证的关系？
物体的重力势能的减少量是否等于动能的增加量，若二者相等，就可以说明机械能守恒。
实验方案:利用自由落体运动下落过程中动能与势能的转化，可以验证机械能守恒定律。
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。
夹子
打点计时器
纸带
重物
？
铁架台
实验器材
实验步骤
1. 将打点计时器固定在铁架台上，把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔。
2.用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近。然后先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。
3.更换纸带，重复几次。
4.选择合适的纸带，处理数据。
实验步骤演示
问题1：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
【探究二：实验中需要测量的物理量】
由公式 ，或由 算出
mgh =
mv 2
1
2
gh =
v 2
1
2
无需测量物体的质量
问题2：是否需要测量重物的质量？
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。
问题3：计算物体的速度，可有三种方法，哪种方法不合适？为什么？
测量点n 1 2 3 4 5 6
高度hn /m
速度vn /(m/s)
势能EP /J
动能EK /J
可不可以用图象处理数据
数据记录
0
h
v 2
1
2
gh =
v 2
1
2
该图象的斜率表示什么？
为什么图象通过原点？
图象法处理数据
【探究三：实验操作中需要注意的事项】
问题1：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？
会受到空气阻力和限位孔对纸带的摩擦力的影响
①重物应该选择小而重的（即密度比较大的）
②打点计时器安装时要竖直，同时必须使纸带两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。
问题2：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？
以打在纸带上的第1个点作为开始（初速度为零）
（1）若根据 来判定，则：
【互动探究】
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？
x = gt2 = ×9.8×0.022m ≈2×10-3m = 2 mm
纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。
h
起始点
（2）若根据 来判定
【互动探究】可以回避起始点吗？（即处理纸带时可以不用到起始点吗）
Δh
A
B
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
问题：该实验的误差主要来源于哪些方面？
【探究四：实验误差分析】
1.偶然误差：测量长度时会带来误差。
2.系统误差：实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量ΔEK 必定稍小于势能的减少量ΔEP 。
一、实验原理
其他验证方法：利用气垫导轨验证机械能守恒定律
二、实验器材
为了使系统误差更小，采用气垫导轨来减小摩擦。使用光电门测量瞬时速度。
气垫导轨
光电门
数字计时器
三、实验步骤
实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2。
系统守恒法
一、实验原理
砝码通过绕过定滑轮的细线牵连静止放在气垫导轨上的滑块，从静止释放。设砝码和托盘总质量为m，滑块和挡光条总质量为M。


系统守恒法验证机械能守恒定律
二、实验步骤
1.将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；
2.测出挡光条的宽度l；
3.由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s；
4.将滑块移至光电门1左侧某处，
待砝码静止时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
5.从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电
门2所用的时间Δt1和Δt2；
6.用天平称出滑块和挡光条的总质量M，
再称出托盘和砝码的总质量m。
二、实验步骤
三、数据处理
1.滑块通过光电门1和光电门2时，瞬时速度分别为v1＝____和v2＝____.
2.当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动
能分别为Ek1＝_____________和Ek2＝_____________。
3.在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统
重力势能的减少量 (重力加速度为g)。
ΔEp＝mgs
4.如果ΔEp＝___________________________，则可认为验证了机械能守恒定律。
创新设计：验证机械能守恒定律
一、实验原理
如图，悬挂在O点的小球摆到最低点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处(箭头所指处)放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时能被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺。该方案只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平抛运动的水平位移x即可验证机械能守恒。
二、验证过程
实验时可多次改变H值并测量与之对应的x值，利用作图像的方法验证。为了直观地表述H和x的关系，可用横轴表示H，纵轴表示x2，建立坐标系。
验证机械能守恒定律
实验方法
速度测量
注意事项
中间时刻的瞬时速度与这段时间上的平均速度的数值相等
实验的结果受阻力影响重物的质量不必测量多做几次反复验证
用mgh表示重力势能的减少量
用 表示动能的增加量
比较两者是否相等
1.利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。下列说法中正确的是（　）
A．实验中必须用天平测出重物的质量
B．必须用秒表测出重物下落的时间
C．应先释放纸带，后打开打点计时器的电源
D．释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带处于竖直方向
D
2、如图是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。在调整气垫导轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道右端向左运动，发现滑块通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间。为使气垫导轨水平，可采取的措施是（ ）
A．调节P使轨道左端升高一些
B．调节P使轨道左端降低一些
C．遮光条的宽度应适当大一些
D．滑块的质量增大一些
A
3.某同学用图示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用6V、50Hz的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8 m/s2，重锤的质量为1 kg.(计算结果均保留两位有效数字)
(1)打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝____ m/s，
重锤的动能EkB＝________ J.从O到B，重锤的重力势能减少
量为________ J.
1.2
0.72
0.73
(2)根据以上计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是_________________________.
重锤下落过程中机械能守恒
4.某实验小组为验证系统机械能守恒，设计了如图所示的装置，实验过程如下：
（1）用螺旋测微器测量砝码上端固定的遮光片厚度时，螺旋测微器示数如图乙所示，则d＝____________mm，
测得砝码和遮光片总质量 ；
（2）按图甲安装实验器材并调试，确保砝码竖直上下振动时，遮光片运动最高点高于光电门1的激光孔，运动最低点低于光电门2的激光孔；
（3）实验时，利用计算机记录弹簧拉伸量x及力传感器的读数F，画出F-x图像，如图丙所示；
5.（2022·广东选择考）某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图（a）所示的装置，实验过程如下：
（1）让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。
（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（b）所示，小球直径d=_______mm。
（3）测量时，应__________（选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，
后释放小球”）。记录小球第一次和
第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。
（4）计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为m，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失△E=__________（用字母m、d、t1和t2表示）。
（5）若适当调高光电门的高度，
将会__________（选填“增大”或“减小”）
因空气阻力引起的测量误差。
没有目标的人永远为有目标的人去努力。
名言警句

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