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(共37张PPT)
6.实验验证机械能守恒定律
第四章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
典例精讲 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
1.理解验证机械能守恒定律的思路,明确需要的器材及测量的物理量。
2.能控制实验条件,正确地进行实验操作。
3.会根据纸带测定下落的距离,掌握测量瞬时速度的方法。
4.能根据实验数据得出实验结论。
素养阐释
1.理解实验原理和方法,体会利用落体法验证机械能守恒定律的科学思维方法。
2.通过实验验证,树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。
3.通过验证机械能守恒定律,体验物理学的研究方法,培养科学探究能力。
自主预习 新知导学
[实验目的]
验证只有重力做功时,系统的机械能守恒。
[实验原理]
在重物自由下落的过程中,如果它受到的空气阻力和纸带受到的摩擦力可以忽略不计,则机械能守恒,即系统机械能的总量保持不变。以重物下落过程中的某一点A为参考,设重物的质量为m,利用纸带可以测出重物对应于A点的速度vA,再测出重物由A点下落Δh后经过B点的速度vB。在误差允许范围内,若等式= mgΔh 成立,则机械能守恒定律得到验证。
[实验器材]
铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器 、重物、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、电源。
[实验步骤]
先接通电源,后释放纸带,让重物自由下落。打点计时器在纸带上打下一系列点,在点迹清晰的纸带上,沿着物体下落的方向,依次取若干个连续的点,并标记为0、1、2、3……选定两个计数点,测出它们之间的距离和重物在各点的速度。设计实验数据表格,并将测量和计算的数据记录在表格中,验证这一过程中机械能是否守恒。
[注意事项]
1.应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力的影响,采取的措施有:
(1)安装电火花打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力 。
(2)应选用质量和密度较 大 的重物,增大重力可使阻力的影响相对 减小 ,增大密度可以减小体积,使空气阻力减小。
2.计算速度时不能用v=gt或v=,否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。
典例精讲 释疑解惑
知识点一
实验原理与操作
1.安装置:按图安装好实验装置。
2.打纸带:先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3~5次实验。
3.选纸带:选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点,记作O,在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…
4.测距离:用刻度尺测出O点到1、2、3…的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3…
【例题1】 在验证机械能守恒定律的实验中,有同学按以下步骤进行实验操作:
A.用天平称出重锤和夹子的质量。
B.固定好打点计时器,将连着重锤的纸带穿过限位孔,用手提住,且让手尽量靠近打点计时器。
C.松开纸带,接通电源,开始打点。并如此重复多次,以得到几条打点纸带。
D.取下纸带,挑选点迹清晰的纸带,记下起始点O,在距离O点较近处选择连续几个计数点(或计时点),并计算出各点的速度值。
E.测出各点到O点的距离,即得到重锤下落的高度。
F.计算出mghn和 ,看两者是否相等。
在以上步骤中,不必要的步骤是　　　;有错误或不妥的步骤是　　　　(填写代表字母);更正情况是①　　　　　　,②　　　　　　,③　　　　　　,④　　　　　　。
答案：见解析
解析：本实验的目的是要验证机械能守恒定律,即比较重锤在下落过程中重力势能的减少量ΔEp与动能的增加量ΔEk是否相等,如果操作不当或错误,就会增大重锤和纸带所受阻力,导致机械能损耗过大,无法达到实验目的。为了保证实验成功和减少机械能损耗,在实验操作时应遵照注意事项,因此本题可对照实验注意事项和围绕减小误差方面进行考虑。
因本实验是通过比较重力势能的减少量ΔEp是否等于动能的增加量ΔEk来验证机械能守恒的,不需要知道动能的具体数值,因而不需要测出重物(含重锤和夹子)的质量,故步骤A是多余的。
有错误或不妥的步骤是B、C、D、F。原因和更正办法分别是:
B中“让手尽量靠近打点计时器”应改为“让重锤尽量靠近打点计时器”,因打点计时器开始工作应从与重锤靠近的纸带开始打点,不致留下过长的空白纸带,纸带也不宜过长,约40 cm即可。
C中应先接通电源,后松开纸带。因为只有当打点计时器工作正常后再让重锤下落,才可保证打第一个点时重锤的初速度为零,并且使纸带上的第一个点是清晰的小点。
D中应将“距离O点较近处”改为“距离O点较远处”,因为所取的各计时点应尽量是重锤自由下落运动的真实记录,而打点计时器接通电源开始工作后不一定很快就能达到稳定状态,同时开始的几个点比较密集,会增加长度测量的误差。
方法归纳 (1)打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。
(2)重物密度要大:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。
(3)一先一后:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。
知识点二
原子结构　化学用语
1.方法一:利用起始点和第n点
2.方法二:任取两点A、B
3.方法三:图像法
【例题2】 图(a)为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。在实验中,已知电火花打点计时器工作周期T=0.02 s,自由下落的重物质量m=2 kg。如图(b)为某同学实验后选出的一条理想的纸带,O点是打出的第一个点,A、B、C是在纸带上取出的三个计数点,AB、BC之间各有一个点未画出。经测量得A、B、C三点到O点的距离分别为x1=12.9 cm,x2=20.6 cm,x3=28.9 cm,g取9.8 m/s2,回答以下问题:
(a) (b)
(1)纸带的　　　　(选填“左”或“右”)端与重物相连。
(2)根据图上所得的数据,应取图中O点和　　　　点来验证机械能守恒定律。
(3)从O点到所取点,重物重力势能减少量ΔEp=　　　　 J,动能增加量ΔEk=　　　　 J。(结果保留3位有效数字)
答案：(1)左　(2)B　(3)4.04　4.00
解析:(1)根据自由落体运动的特点及该实验的装置可知,与重物相连的纸带一端打出第一个计时点,故纸带的左端与重物相连。
(2)匀变速直线运动中,某段时间内中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度,题图(b)中A、C之间的距离由题给条件能够计算得出,因此,应取图中的O点和B点来验证机械能守恒定律。
(3)由题给条件可得纸带上A、C之间的距离为
hAC=x3-x1=(28.9-12.9)×10-2 m=1.60×10-1 m
纸带上B点对应的瞬时速度大小为
vB= m/s=2.00 m/s
从O到B动能的增加量为
ΔEk=-0=×2×2.002 J=4.00 J
重力势能的减少量为
ΔEp=mghOB=mgx2=2×9.8×20.6×10-2 J≈4.04 J。
方法归纳 利用自由落体运动验证机械能守恒定律时,处理实验数据通常采用的是验证法,计算v2、gh,如果在实验误差允许的范围内v2=gh,则机械能守恒。
知识点三
验证机械能守恒定律实验改进与创新
教材中的学生实验及大多数实验试题一般都是利用自由落体运动来验证机械能守恒定律的,但高考试题往往避开这一固定模式,另辟蹊径,通过变通实验装置、操作方法等,达到验证实验的目的,灵活考查学生利用教材中知识解决实际问题的能力。解决这类问题的关键在于了解实验目的、实验装置以及操作过程,明确实验原理,进而分析需要测量的物理量,找出各量之间的关系,确定验证的表达式。
【例题3】 某同学用如图(a)所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球,悬挂在铁架台上,钢球静止于A点,光电门固定在A的正下方,在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放,遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出,取v= 作为钢球经过A点时的速度。记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t,计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk,就能验证机械能是否守恒。
(a)
(1)ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到　　　　之间的竖直距离。
A.钢球在A点时的顶端
B.钢球在A点时的球心
C.钢球在A点时的底端
(2)用ΔEk= mv2计算钢球动能变化的大小,用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图(b)所示,其读数为　　　 cm。某次测量中,计时器的示数为0.010 0 s,则钢球的速度为v=　　　　 m/s。
(b)
(3)下表为该同学的实验结果:
他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异,认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点 请说明理由。
(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。
答案：(1)B
(2)1.50　1.50
(3)不同意　理由见解析
(4)见解析
ΔEp/(10-2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38
ΔEk/(10-2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
解析：(1)钢球下落高度h,应测量释放时钢球球心到钢球在A点时的球心之间的竖直距离,故选B。
(2)遮光条的宽度d=1.50 cm,钢球的速度v= =1.50 m/s。
(3)不同意,因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp。
(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度l'和l,计算ΔEk时,将v折算成钢球的速度v'= v。
方法归纳 光电门可以方便地测出物体运动的瞬时速度,因此,光电门在实验中获得了广泛的应用。光电门测量速度时,挡光片宽度越小,测量出的速度越接近瞬时速度。
随堂练习
1.(验证机械能守恒定律误差分析)下列关于验证机械能守恒定律实验的误差的说法,正确的是(　　)
A.重物质量的称量不准会造成较大误差
B.重物质量选用得大些,有利于减小误差
C.重物质量选用得较小些,有利于减小误差
D.打点计时器选用电磁打点计时器比电火花打点计时器误差要小
答案：B
解析：为减小实验误差,重物应选质量大些的,且重物质量不需称量,A、C错误,B正确;电磁打点计时器的振针与纸带间有摩擦,电火花打点计时器对纸带的阻力较小,故选用电磁打点计时器误差大些,D错误。
2.(阻力对验证机械能守恒定律实验的影响)在验证机械能守恒定律的实验中,由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上,使纸带通过时受到较大的阻力,则结果(　　)
答案：A
解析：阻力增大,实际加速度a小于重力加速度g,据动能定理有mah= mv2,故mgh> mv2。
3.(验证机械能守恒定律实验的原理与操作)关于验证机械能守恒定律的实验中,以下说法正确的是(　　)
A.实验中摩擦是不可避免的,因此纸带越短越好,因为纸带越短,克服摩擦力做的功就越小,误差就越小
B.称出重锤的质量
C.纸带上第1、2两点间距若不接近2 mm,则无论怎样处理实验数据,实验误差一定较大
D.处理打完点的纸带时,可以直接利用打点计时器打出的实际点迹,而不必采用“计数点”的方法
答案：D
解析：在打纸带时,纸带太短了,不易打出符合实验要求的纸带,选项A错误;由于mgh= mv2,故称出重锤的质量是多余的,选项B错误;纸带上第1、2两点的间距不接近2 mm,是由于通电后释放重锤时操作不同步造成的,不会影响验证结果,选项C错误;处理纸带时,由于自由落体加速度较大,纸带上点迹距离较大,故可直接用实际点迹测量研究,选项D正确。
4.(验证机械能守恒定律的原理)国舰载飞机在“辽宁舰”上成功着舰后,某课外活动小组对舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣。他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水,制作了如图所示的装置,准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系。要达到实验目的,需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的　　　　和在橡皮条阻拦下前进的距离,还必须增加的一种实验器材是　　　　。忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力,重力加速度已知,根据　　　　定律,可得到钢球被阻拦前的速率。
答案：见解析
解析：根据机械能守恒定律可知 ,要研究v与前进的距离的关系,需要直接测出钢球距水平木板的高度h,要测距离及高度,必须增加实验器材刻度尺。

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