2019物理同步大讲堂人教必修二课件：7.9 实验：验证机械能守恒定律2 .ppt

9.实验：验证机械能守恒定律,【实验目的】1.会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。2.掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。,【实验原理】让物体自由下落,忽略阻力情况下物体的机械能守恒,有两种方案验证物体的机械能守恒:方案一:以物体自由下落的位置O为起始点,测出物体下落高度h时的速度大小v,若mv2=mgh成立,则可验证物体的机械能守恒。,方案二:测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2,v1、v2的计算方法与方案一的相同。若关系式成立,则物体的机械能守恒。,【实验器材】铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。,【实验过程】一、实验步骤1.安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。,2.打纸带:将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,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。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35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2mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2mm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、h3,二、数据处理1.计算各点对应的瞬时速度:记下第1个点的位置O,在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3再根据公式,计算出1、2、3、4、n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4vn。,2.机械能守恒验证：方法一：利用起始点和第n点。从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为，计算ghn和，如果在实验误差允许的范围内ghn=，则机械能守恒定律得到验证。,方法二：任取两点A、B。从A点到B点，重力势能减少量为mghA-mghB，动能增加量为，计算ghAB和，如果在实验误差允许的范围内ghAB=，则机械能守恒定律得到验证。,方法三：图象法。计算各计数点v2，以v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2-h图线。若在误差许可的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。,【误差分析】(1)在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。(2)重物下落要克服阻力做功,部分机械能转化成内能,下落高度越大,机械能损失越多,所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。(3)由于交流电的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。,【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.纸带选取：(1)以第一个点为起点时，要验证的是=mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h=gt2=10(0.02)2m=2mm。(2)以下落中某点为起点时，要验证的是这时选择纸带不需要满足两点间距为2mm。,3.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。,热点一实验原理及操作【典例1】(2016北京高考)利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。世纪金榜导学号35684093,(1)为验证机械能是否守恒,需要比较重物下落过程中任意两点间的_。A.动能变化量与势能变化量B.速度变化量和势能变化量C.速度变化量和高度变化量,(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是_。A.交流电源B.刻度尺C.天平(含砝码),(3)实验中,先接通电源,再释放重物,得到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,重物的重力势能变化量Ep=_,动能变化量Ek=_。,(4)大多数学生的实验结果显示,重力势能的减少量大于动能的增加量,原因是_。A.利用公式v=gt计算重物速度B.利用公式v=计算重物速度C.存在空气阻力和摩擦阻力的影响D.没有采用多次实验取平均值的方法,(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒: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图象,并做如下判断:若图象是一条过原点的直线,则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。,【正确解答】(1)由机械能守恒定律可知,需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量大小是否相等,A正确。(2)电磁打点计时器使用的是交流电源,选A。因为在计算重力势能变化量时,需要测量纸带上两点之间的距离,所以还需要刻度尺,选B。根据mgh=mv2-0,可知不需要使用天平。,(3)重力势能改变量为Ep=-mghB,由于下落过程是匀加速直线运动,所以根据中间时刻的速度等于这段时间内的平均速度可得B点的速度为vB=,所以动能变化量Ek=。(4)实验过程中存在空气阻力,纸带运动过程中存在摩擦阻力,C正确。,(5)该同学的判断依据不正确,在重物下落h的过程中,若阻力f恒定,根据mgh-fh=mv2-0v2=2(g-)h可知,v2-h图象就是过原点的一条直线。要想通过v2-h图象的方法验证机械能是否守恒,还必须看图象的斜率是否接近2g。,答案:(1)A(2)A、B(3)-mghB(4)C(5)该同学的判断依据不正确,理由见正确解答,热点二实验数据处理【典例2】某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”,实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v,计算出重物减小的重力势能mgh和增加的动能mv2,然后进行比较,如果两者相等或近似相等,即可验证重物自由下落过程中机械能守恒。请根据实验原理和步骤完成下列问题:世纪金榜导学号35684094,(1)(多选)关于上述实验,下列说法中正确的是_。A.重物最好选择密度较小的木块B.重物的质量可以不测量C.实验中应先接通电源,后释放纸带D.可以利用公式v=来求解瞬时速度,(2)如图乙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带,纸带上的O点是起始点,选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点,并测出各计数点到O点的距离依次为27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm。已知打点计时器所用的电源是50Hz的交流电,重锤的质量为0.5kg,则从计时器打下点O到打下点D的过程中,重物减小的重力势Ep=_J;,重物增加的动能Ek=_J,两者不完全相等的原因可能是_。(重力加速度g取9.8m/s2,计算结果保留三位有效数字),(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v,以各计数点到A点的距离h为横轴,v2为纵轴作出图象,如图丙所示,根据作出的图线,能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是_。,【正确解答】(1)选B、C。重物最好选择密度较大的铁块,受到的阻力较小,故A错误。本题是以自由落体运动为例来验证机械能守恒定律,需要验证的方程是mgh=mv2,因为我们是比较mgh、mv2的大小关系,故m可约去比较,不需要用天平测量重物的质量,故B正确。实验中应先接通电源,后释放纸带,故C正确。不能利用公式v=来求解瞬时速度,否则体现不了实验验证,却变成了理论推导,故D错误。,(2)重力势能减小量Ep=mgh=0.59.80.4365J=2.14J。利用匀变速直线运动的推论:vD=2.91m/s,EkD=0.5(2.91)2J=2.12J,动能增加量Ek=EkD-0=2.12J。由于存在阻力作用,所以减小的重力势能大于动能的增加。,(3)根据表达式mgh=mv2,则有v2=2gh;当图象的斜率为重力加速度的2倍时,即可验证机械能守恒,而图象的斜率k=19.52;因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒。,答案:(1)B、C(2)2.142.12重物下落过程中受到阻力作用(3)图象的斜率等于19.52,约为重力加速度g的两倍,故能验证,