【高中物理】实验：验证机械能守恒定律课件 2022-2023学年高一物理人教版（2019）必修第二册.pptx

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1、人教版物理必修二人教版物理必修二第八章第八章 机械能守恒定律机械能守恒定律第五节第五节 实验：验证实验：验证机械能守恒定律机械能守恒定律 复习回顾：机械能守恒定律复习回顾：机械能守恒定律1.1.内容：内容：在只有重力和弹力做功的物体系统内，动能与势能在只有重力和弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。可以相互转化，而总的机械能保持不变。2.2.表达式：表达式：（1 1）E EK2K2+E+EP2P2=E=EK1K1+E+EP1 P1 即即E E2 2=E=E1 1 守恒观点守恒观点（2 2）E Ek k=-=-E Ep p或或 EEk k增增EEp p减减 转化观点

2、转化观点（3 3）E EA A=-=-E EB B或或 EEA A增增EEB B减减 转移观点转移观点3.3.机械能守恒定律成立条件：机械能守恒定律成立条件：只有重力做功或弹簧弹力做功只有重力做功或弹簧弹力做功4.4.机械能守恒定律机械能守恒定律适用对象适用对象：单个单个质点、多个质点组成的系统质点、多个质点组成的系统我们要通过我们要通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能的变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。化，从而验证机械能守恒定律。我们熟知的运动中，哪些运动满足仅有重力做功？我们熟知的运动中，哪些运动满足仅有重力做功？自由落体运动自由落体运动 小球的

3、摆动小球的摆动物体沿光滑斜面下滑物体沿光滑斜面下滑钩码拉动滑块的运动钩码拉动滑块的运动实验思路实验思路(1)(1)自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。(2)(2)物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直，对物体不做功，这种情况也满但支持力与物体位移方向垂直，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。足机械能守恒的条件。(3)(3)用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物

4、体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。重力做功，也满足机械能守恒的条件。在自由落体运动中，在自由落体运动中，若物体下落高度若物体下落高度h h 时的速度为时的速度为v,v,则则h hv v一、研究自由下落物体的机械能一、研究自由下落物体的机械能OB方法一：方法一：若要验证若要验证O O（重物下落的起点）点到重物下落的起点）点到B B点机械能是点机械能是否守恒需要测量哪些物理量？否守恒需要测量哪些物理量？hh2h1OABC需要测量起点需要测量起点O O到到A A、B B、C C三点的距离三点的距离h h1

5、1、h h、h h2 2及及B B点的速度点的速度v vB B？=？=？=？=二、守恒验证二、守恒验证方法二：方法二：若以重物下落过程中的某一点若以重物下落过程中的某一点A A为基准，设重物的质为基准，设重物的质量为量为m m，测出物体对应于，测出物体对应于A A点的速度点的速度v vAA再测出物体由再测出物体由A A点点下落下落h h后经过后经过B B点的速度点的速度v vB B 则在误差允许范围内，由计算得出则在误差允许范围内，由计算得出 机械能守恒定律即被验证机械能守恒定律即被验证。ABh h讨论交流：讨论交流：如何测量物体的瞬时速度如何测量物体的瞬时速度?做匀变速运动的纸带上某点的瞬时

6、速做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两段时间内的平均速度。度，等于相邻两段时间内的平均速度。v v0 0t tv vA At tv vB Bv vC C2t2t如图所示：测定第如图所示：测定第n n点的瞬时速度的方点的瞬时速度的方法是：测出第法是：测出第n n点的相邻前、后两段相点的相邻前、后两段相等时间等时间T T内下落的距离内下落的距离s sn n和和s sn+1n+1，Onsnsn+1dndn+1dn-1由公式由公式 ，或由，或由 算出算出 方法三：作方法三：作v v2 2/2/2h h图像图像从从纸带上选取多个点，测量从第一纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度点

7、到其余各点的下落高度h h，并计算，并计算各点速度的各点速度的v v2 2/2/2，然后以，然后以v v2 2/2/2为纵为纵轴，以轴，以h h为横轴，根据实验数据绘出为横轴，根据实验数据绘出v v2 2/2/2h h图线图线O Oh h结论：若在误差允许的范围内结论：若在误差允许的范围内，图，图像是像是一条过原点且斜率为一条过原点且斜率为g g的直线，的直线，则验证了机械能守恒定律则验证了机械能守恒定律该图像的斜率该图像的斜率表示什么？表示什么？=?打点计时器、纸带、打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度复写纸、重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）尺、铁架台（带铁夹）、学生电源等。、学生电源等。夹子

8、夹子打点计时器打点计时器纸带纸带重物重物？铁架台铁架台三、实验器材：三、实验器材：1.1.按如图装置把打点计时器安装在铁架台上，按如图装置把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与学生电源连接好。用导线把打点计时器与学生电源连接好。2.2.把把纸纸带带的的一一端端在在重重锤锤上上用用夹夹子子固固定定好好，另另一一端端穿穿过过计计时时器器限限位位孔孔，竖竖直直提提起起纸纸带带使使重重锤锤停停靠靠在在打打点点计计时时器器附附近近，纸纸带带上上端端用夹子夹住。用夹子夹住。3.3.接通电源，松开纸带，让重锤自由下落。接通电源，松开纸带，让重锤自由下落。4.4.重复几次，得到重复几次，得到3 35

9、 5条打好点的纸带。条打好点的纸带。四、实验步骤四、实验步骤:5.5.在在打打好好点点的的纸纸带带中中挑挑选选第第一一、二二两两点点间间的的距距离离接接近近2mm2mm，且且点点迹迹清清晰晰的的一一条条纸纸带带，在在起起始始点点标标上上0 0，以以后后各各依依次次标标上上1 1，2 2，33，用用刻刻度度尺尺测测出出对对应应下下落落高高度度h h1 1、h h2 2、h h3 3(为什么为什么选第一、二两点间的距离接近选第一、二两点间的距离接近2mm2mm的纸带？）的纸带？）7 7计算各点对应的势能减少量计算各点对应的势能减少量mghmghn n和动能的增加量和动能的增加量 进行比较。进行比较

10、。6 6应用公式应用公式计算各点对应的瞬时速度计算各点对应的瞬时速度v v1 1、v v2 2、v v3 3五、注意事项五、注意事项1 1应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这应尽可能控制实验条件，即应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：就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力以减小摩擦阻力(2)(2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影影响响相对减小，增大密度可以

11、减小体积，可使空气阻力减小相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小2 2实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直接通直接通电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带3 3验证机械能守恒时，可以不测物体质量，只要比验证机械能守恒时，可以不测物体质量，只要比较较1/2 v1/2 vn n2 2 和和ghghn n是否相等即可验证机械能是否守恒是否相等即可验证机械能是否守恒但需选取密度较大但需选取密度较大的物体做重锤，以相对减小空气阻力的影响。的物体做重锤，以相对减小空气阻力的影响。4 4测量下落高度时，为了

12、减小测量值测量下落高度时，为了减小测量值h h的相对误差，选取的相对误差，选取 的的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有，有效长效长度可在度可在60 cm60 cm80 cm80 cm之间之间5 5速度不能用速度不能用v vn ngtgtn n或或v vn n 计算，因为只要认为计算，因为只要认为加加速速度为度为g g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律定律验验证机械能守恒定律，况且用证机械能守恒定律，况且用v vn ngtgtn n计算出的速度计算出的速度比实比实际值大，际值大，会得出机械能增加的

13、错误结论，而因为摩会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦阻擦阻力的影响，机力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上械能应该减小，所以速度应从纸带上直接直接测量计算同样的测量计算同样的道理，重物下落的高度道理，重物下落的高度h h，也只，也只能用能用刻度尺直接测量，而不刻度尺直接测量，而不能用能用h hn n ,或或h hn n 计计算得到算得到六、误差分析六、误差分析1 1因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力 (空气阻力、空气阻力、打点计时器阻力打点计时器阻力)做功，故动能的增加量做功，故动能的增加量E Ek k 稍小于重力势能稍小于重力势能的减少量

14、的减少量E Ep p，即，即E Ek kE Ep p，这属于系统误差改进的办法，这属于系统误差改进的办法是调整器材的安装，使用电火花计算器尽可能地减小阻力是调整器材的安装，使用电火花计算器尽可能地减小阻力2 2本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差减本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差减小误差的办法是测下落距离时都从小误差的办法是测下落距离时都从O O点量起，一次将各打点对点量起，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应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值3 3打点计时器产生的误差打点计时器产生的误差(1)(1)由于交流电周期变化，引起打点时间间隔变化而产生

15、误差；由于交流电周期变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；(2)(2)计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差确引起摩擦，造成实验误差思考思考1 1：为什么本实验不用测量物体的质量？：为什么本实验不用测量物体的质量？mgh=mv 212gh=v 212无需测量物体的质量无需测量物体的质量如果实验要求计算势能和动能的具体数如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。据，那就必须要知道物体的质量。纸带上的第一个点为计时起点纸带上的第一个点为计时起点O O（起始点的速度应该为零，（起始点的速度应该

16、为零，即打点计时器在纸带上打下第一个点时纸带刚开始下落）。即打点计时器在纸带上打下第一个点时纸带刚开始下落）。x=1/2 gtx=1/2 gt2 2=1/2 9.80.02=1/2 9.80.022 2m 210m 210-3-3m=m=2 mm2 mmh起始点起始点思考思考2.2.为什么纸带上的前两个点间的距离应接近为什么纸带上的前两个点间的距离应接近2mm2mm？思考思考3 3：可以回避起始点吗：可以回避起始点吗?（即处理纸带时可以不用起始（即处理纸带时可以不用起始点吗）点吗）可以。我们可以选取可以。我们可以选取A A、B B两点，比较它们的机械能两点，比较它们的机械能E EA A和和E

17、EB B。若以点。若以点B B为零势能点，则有：为零势能点，则有：E EkAkAmghmghE EkBkBhAB其他验证方法一：利用气垫导轨验证机械能守恒其他验证方法一：利用气垫导轨验证机械能守恒 研究沿斜面下滑物体的机械能研究沿斜面下滑物体的机械能实验器材：实验器材：气垫导轨、滑块、天平、刻度尺、气垫导轨、滑块、天平、刻度尺、数字计时器、遮光片、垫块、支架数字计时器、遮光片、垫块、支架仪器说明：仪器说明：1 1、气垫导轨、气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的

18、空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。确度能大大提高。2 2、计时、计时系统的工作要借助于光源和光敏管（统称光电门）。光源与光系统的工作要借助于光源和光敏管（统称光电门）。光源与光敏管相对，它射出的光使光敏管感光。当滑块经过时，其上的遮光条把敏管相对，它射出的光使光敏管感光。当滑块经过时，其上的遮光条把光遮住，与光敏管相连的电子电路自动记录遮光时间，通过数码屏显示光遮住，与光敏管相连的电子电路自动记录遮光时间，通过数码屏显示出来。根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度。因出来。根据遮光条

19、的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度。因为这样的计时系统可以测出为这样的计时系统可以测出0.001 s0.001 s的时间，并且能直接以数字显示，的时间，并且能直接以数字显示，所以又叫数字毫秒计所以又叫数字毫秒计3 3、实验步骤、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测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 h h 和初、末速度和初、末速度 v

20、v1 1 、v v2 2 ，就可以验证机械能是否守恒。，就可以验证机械能是否守恒。物体沿倾斜导轨下滑，下落过程中经过两光电门，两光物体沿倾斜导轨下滑，下落过程中经过两光电门，两光电门的高度，用刻度尺测量，则减少的重力势能为电门的高度，用刻度尺测量，则减少的重力势能为mghmgh；用光电门处测量滑块的瞬时速度，质量用天平用光电门处测量滑块的瞬时速度，质量用天平测出测出.挡光片挡光片比例比例1:1 1:1 频闪时间间隔频闪时间间隔T T其他验证方法二：其他验证方法二：利用频闪照片验证机械能守恒利用频闪照片验证机械能守恒s s1 1s s2 2验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律小结小结:用用mgh

21、mgh表示重力势能的减少表示重力势能的减少量量用用 1/2 mv1/2 mv2 2表示表示动能的增加量动能的增加量比较比较两者是否相等两者是否相等实验方法实验方法速度测量速度测量中间时刻的瞬时速度与这段时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间上的平均速度的数值相等注意事项注意事项实验的结果受阻力影响实验的结果受阻力影响,重物的质重物的质量不必测量量不必测量,多做几次反复验证多做几次反复验证课堂练习课堂练习1 1在验证机械能守恒定律实验中在验证机械能守恒定律实验中,纸带将被释放瞬间的四种情况如纸带将被释放瞬间的四种情况如照片所示照片所示,其中最合适的是其中最合适的是()D D2.2

22、.在验证机械能守恒定律时，如果以在验证机械能守恒定律时，如果以 为为纵轴以纵轴以h h为横轴，根据实验数据绘出的图为横轴，根据实验数据绘出的图线应是线应是 ，才能验证机械，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于能守恒定律，其斜率等于 的数值。的数值。O Oh hgv v2 2/2/2过原点的倾斜直线过原点的倾斜直线根据实验原理根据实验原理推导推导1/2 v1/2 v2 2与与h h表达式表达式（3 3）如如果果所所打打的的纸纸带带，前前几几个个点点不不清清晰晰，其其它它点点清清晰，试说明用这样的纸带怎样验证机械能守恒定律。晰，试说明用这样的纸带怎样验证机械能守恒定律。3.3.在验证机械能守恒定律的

23、实验中：在验证机械能守恒定律的实验中：（1 1）除除打打点点计计时时器器、电电源源、重重锤锤、纸纸带带以以外外，在在下下面面的的测测量量仪器中，必需使用的是仪器中，必需使用的是_。A A、天平、天平 B B、弹簧秤、弹簧秤 C C、刻度尺、刻度尺 D D、秒表、秒表 C C实验当地的重力加速度实验当地的重力加速度h h（2 2）如果以）如果以 为纵轴，以为纵轴，以h h为横轴，由实验数为横轴，由实验数据描出的图线是一条通过原点的直线，那么该直据描出的图线是一条通过原点的直线，那么该直线的斜率等于线的斜率等于 在纸带上选取在纸带上选取A A、B B两点，测出两点，测出 计算出重力势能计算出重力势

24、能的减小量，求出的减小量，求出 计算动能的增加量，在计算动能的增加量，在误差范围内验证：误差范围内验证：h hABABv vA A、v vB BE Ek k=-=-E Ep p4.4.第五章第第五章第4 4节节“练习与应用练习与应用”第第2 2题描述了一个实验。实际做题描述了一个实验。实际做一做这个实验，用你当时得到的计算式计算钢球离开桌面时的一做这个实验，用你当时得到的计算式计算钢球离开桌面时的速度。然后再测量钢球在斜面上开始滚下的位置相对桌面的高速度。然后再测量钢球在斜面上开始滚下的位置相对桌面的高度，按照机械能守恒定律计算钢球到达桌面的速度。对比两种度，按照机械能守恒定律计算钢球到达桌面

25、的速度。对比两种不同方法得到的速度值并尝试解释两者的差异。不同方法得到的速度值并尝试解释两者的差异。答答:用平抛运动的知识测出的小球离开桌面用平抛运动的知识测出的小球离开桌面时的速度要略大于小球从斜面上滚下过程中时的速度要略大于小球从斜面上滚下过程中用机械能守恒定律算出的速度，这是由于小用机械能守恒定律算出的速度，这是由于小球从斜面上与桌面上运动时受到的摩擦阻力球从斜面上与桌面上运动时受到的摩擦阻力远大于小球做平抛运动时的空气阻力。远大于小球做平抛运动时的空气阻力。5.5.某学生在验证机械能守恒定律的实验中有如下操作步骤，试某学生在验证机械能守恒定律的实验中有如下操作步骤，试将合理的顺序步骤序

26、号填在下面的线上：将合理的顺序步骤序号填在下面的线上：_A A断开电源，取下纸带，选出前两个点间距离接近断开电源，取下纸带，选出前两个点间距离接近2mm2mm的纸带；的纸带；B B把纸带固定在重锤上；把纸带固定在重锤上；C C将纸带穿过打点计时器，并把纸带上提使重锤停在靠近打点将纸带穿过打点计时器，并把纸带上提使重锤停在靠近打点计时器的地方；计时器的地方；D D把打点计时器固定在放于桌边的铁架台上，并与低压交流电把打点计时器固定在放于桌边的铁架台上，并与低压交流电源相连接；源相连接；E E接通电源，同时释放纸带；接通电源，同时释放纸带；F F求出重锤重力势能的减少量求出重锤重力势能的减少量EE

27、P P和动能的增加量和动能的增加量EEK K，比较，比较EEP P和和EEK K得出实验结论；得出实验结论；G G用刻度尺量出所选取的计数点到打下的第一个点之间的距离用刻度尺量出所选取的计数点到打下的第一个点之间的距离D B C E A G FD B C E A G F6.6.某次某次“验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律”的实验中，用的实验中，用6V6V、50Hz50Hz的打点的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O O点为重锤下落的点为重锤下落的起点，选取的计数点为起点，选取的计数点为A A、B B、C C、D D，各计数点到，各计数点到O

28、O点的长度已在点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s9.8m/s2 2，若重锤质量为，若重锤质量为1kg1kg。打点计时器打出打点计时器打出B B点时，重锤下落的速度点时，重锤下落的速度v vB B=_m/s=_m/s，重，重锤的动能锤的动能E EkBkB=J J。从开始下落算起，打点计时器打从开始下落算起，打点计时器打B B点时，重锤的重力势能减点时，重锤的重力势能减小量为小量为 J J。根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出始到打出B B点的过程中，得到的结论是点

29、的过程中，得到的结论是 。1.1751.175 0.690.69 0.690.69 机械能守恒机械能守恒 8.8.在验证机械能守恒定律的实验中，质量为在验证机械能守恒定律的实验中，质量为m m1.00 kg1.00 kg的重锤的重锤拖着纸带下落，在此过程中，打点计时器在纸带上打出一系列拖着纸带下落，在此过程中，打点计时器在纸带上打出一系列的点，在纸带上选取五个连续的点的点，在纸带上选取五个连续的点A A、B B、C C、D D和和E E，如图所示，如图所示其中其中O O为重锤开始下落时记录的点，各点到为重锤开始下落时记录的点，各点到O O点的距离分别是点的距离分别是31.4 mm31.4 mm

30、、49.0 mm49.0 mm、70.5 mm70.5 mm、95.9 mm95.9 mm、124.8 mm.124.8 mm.当地重力当地重力加速度加速度g g9.8 m/s9.8 m/s2 2.本实验所用电源的频率本实验所用电源的频率f f50 Hz.(50 Hz.(结果保结果保留三位有效数字留三位有效数字)(1)(1)打点计时器打下点打点计时器打下点B B时，重锤下落的速度时，重锤下落的速度v vB B_m/s_m/s，打点计时器打下点打点计时器打下点D D时，重锤下落的速度时，重锤下落的速度v vD D_ m/s._ m/s.(2)(2)从打从打 下点下点B B到打下点到打下点D D的过程中，重锤重力势能减小量的过程中，重锤重力势能减小量EEp p_ J_ J，重锤动能增加量为，重锤动能增加量为EEk k_J_J。0.9781.360.4600.447