高中物理 4.5 驗證機械能守恒定律課件 粵教版必修2.ppt

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第五節(jié) 驗證機械能守恒定律,目標導航,預習導引,目標導航,預習導引,二,一,三,四,一、機械能守恒定律 1.當只有重力做功時,物體的動能和重力勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,但機械能的總量保持不變. 2.做自由落體運動的物體,只受重力作用,其機械能是守恒的.,,,目標導航,二,一,預習導引,三,四,二、實驗原理 1.如圖甲所示,借助打點計時器打出的紙帶,測出物體自由下落的高度h和該時刻的速度v,以紙帶上的第n個點為例,如圖乙中的紙帶,打第n個計數(shù)點時的瞬時速度等于以該時刻為中間時刻的某一段時間內(nèi)的平均速度.,,目標導航,二,一,預習導引,三,四,目標導航,一,預習導引,二,三,四,三、實驗器材 鐵架臺(含鐵夾),打點計時器,學生電源,紙帶,復寫紙,導線, 毫米刻度尺,重物(帶紙帶夾).,,目標導航,一,預習導引,二,三,四,四、實驗步驟 1.器材安裝:按如圖所示,將紙帶固定在重錘上,讓紙帶穿過打點計時器,用導線將打點計時器與低壓交流電源相連,此時電源開關(guān)應為斷開狀態(tài).,,目標導航,一,預習導引,二,三,四,2.用手握住紙帶,讓重錘靜止在靠近打點計時器的地方,然后接通電源,松開紙帶,讓重錘自由落下,紙帶上打下一系列小點. 3.從打出的幾條紙帶中挑選第一、二點間的距離接近2 mm且點跡清晰的紙帶進行測量,記下第一個點的位置O,并在紙帶上從任意點開始依次選取幾個點1、2、3、4、…,并量出各點到O點的距離h1、h2、h3、…,計算相應的重力勢能減少量mghn.,,,目標導航,一,預習導引,二,三,四,預習交流 選取紙帶時,為什么要選第一、二點間距離接近2 mm 的紙帶? 答案:這個實驗是通過重物的自由落體運動來驗證機械能守恒定律的,據(jù)自由落體運動規(guī)律, 時,h=1.96 mm.所以,若第一、二兩點間的距離接近2 mm,說明重物是在打第一個點時開始下落的.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,一、實驗步驟和注意事項 注意事項: 1.實驗中安裝打點計時器時,限位孔必須在同一豎直線上,以減少摩擦阻力.打點計時器離地面高度約1 m,實驗用的紙帶60 cm左右即可. 2.實驗時,必須先接通電源,讓打點計時器工作正常以后才能松開紙帶,讓重物下落. 3.紙帶上端要用手提著使其靜止,這樣可保證下落的初速度為零,并且紙帶上打出的第一個點是清晰的一個小點. 4.測量下落高度時,都必須從起點算起.為了減小測量h值的誤差,選取的各個計數(shù)點要離起始點遠些.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,【例1】 用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律.實驗所用的電源為學生電源,輸出電壓為6 V的交流電和直流電兩種.重錘從高處由靜止開始落下,重錘上拖著的紙帶通過打點計時器打出一系列的點,對紙帶上的點的痕跡進行測量,即可驗證機械能守恒定律.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟: A.按照圖示的裝置安裝器件; B.將打點計時器接到電源的直流輸出端; C.用天平測量出重錘的質(zhì)量; D.釋放懸掛紙帶的夾子,同時接通電源開關(guān)打出一條紙帶; E.測量打出的紙帶上某些點之間的距離; F.根據(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能. 指出其中沒有必要進行或者操作不恰當?shù)牟襟E,將其對應的字母填在下面的橫線上,并說明原因.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(2)利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值,如圖所示.根據(jù)打出的紙帶,選取紙帶上打出的連續(xù)五個點A、B、C、D、E,測出A點距起始點O的距離為s0,點A、C間的距離為s1,點C、E間的距離為s2,交流電源的頻率為f,則根據(jù)這些條件計算重錘下落的加速度a的表達式為a= .,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,解析:(1)本題是對實驗步驟的考查.仔細分析可知,步驟B是錯誤的,應該接到電源的交流輸出端;步驟D是錯誤的,應該先接通電源,待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶;步驟C不必要,根據(jù)測量原理,重錘的動能和勢能中都包含了質(zhì)量m,可以約去. (2)根據(jù)勻變速直線運動規(guī)律Δs=aT2,有,答案:(1)見解析,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,某同學利用重物自由下落來“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置如圖甲所示.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)請指出實驗裝置中存在的明顯錯誤: . (2)進行實驗時,為保證重物下落時初速度為零,應 (選填“A”或“B”). A.先接通電源,再釋放紙帶 B.先釋放紙帶,再接通電源 (3)根據(jù)打出的紙帶,選取紙帶上連續(xù)打出的1、2、3、4四個點如圖乙所示.已測出點1、2、3、4到打出的第一個點O的距離分別為h1、h2、h3、h4,打點計時器的打點周期為T.若代入所測數(shù)據(jù)能滿足表達式gh3= ,則可驗證重物下落過程機械能守恒(用題目中已測出的物理量表示). 答案:(1)打點計時器接在了“直流電源”上 (2)A,遷移應用,典題例解,一,二,知識精要,二、數(shù)據(jù)處理和誤差分析 實驗誤差來源與分析 (1)在測量重錘下落的高度與計算某點的瞬時速度時,都要涉及長度的測量.測量過程中必然帶來偶然誤差.減小這種誤差的方法:①保證測量時從O點開始測量;②選取的計數(shù)點應盡可能離O點遠些,以減小相對誤差. (2)重物在拖著紙帶下落過程中必然受到阻力作用,主要是打點計時器與紙帶的摩擦力以及空氣的阻力.克服這些阻力做功要消耗能量,所以重錘動能的增加量ΔEk必定小于重力勢能的減少量ΔEp.這是實驗設(shè)計上帶來的系統(tǒng)誤差.減小這種誤差的方法:使打點計時器的限位孔在同一豎直線上,適當增加重錘的質(zhì)量,減小重錘的體積等.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,【例2】 在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,所用電源的頻率為50 Hz,某同學選擇了一條理想的紙帶,用刻度尺測量時各點位置對應刻度尺上的讀數(shù)如圖所示(圖中O是打點計時器打的第一個點,A、B、C、D是間隔一段所取的點,圖中單位為厘米),根據(jù)實驗并結(jié)合紙帶回答以下問題:(g取9.8 m/s2),一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)現(xiàn)有器材:電磁打點計時器;低壓交流電源;紙帶;帶夾子的重物;刻度尺;天平;導線;鐵架臺.其中該實驗不需要的器材是 ; (2)實驗時,釋放紙帶與接通電源的合理順序是 ; (3)實驗中,要從幾條打上點的紙帶中挑選第一、二兩點間的距離接近 mm并且點跡清晰的紙帶進行測量; (4)若重物的質(zhì)量為m kg,則重物下落到B點時,減少的重力勢能為 ; (5)若重物的質(zhì)量為m kg,則重物下落到B點時,重物的動能為 ; (6)由紙帶計算重物下落的加速度為 .[注:(4)、(5)、(6)三題小數(shù)點后面保留兩位小數(shù)],一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,解析:(1)實驗中,不需測量重物的質(zhì)量,所以不需要的器材是天平. (2)實驗中應先接通電源,后釋放紙帶. (3)若釋放紙帶時恰好打點,紙帶上一、二兩點間的距離,答案:(1)天平 (2)先接通電源,后釋放紙帶 (3)2 (4)6.88m J (5)6.85m J (6)9.63 m/s2,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,某同學根據(jù)機械能守恒定律,設(shè)計實驗探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關(guān)系.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)如圖(a),將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺,在上端的托盤中依次增加砝碼,測量相應的彈簧長度,部分數(shù)據(jù)如下表.由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k= N/m.(g取9.8 m/s2),(2)取下彈簧,將其一端固定于氣墊導軌左側(cè),如圖(b)所示;調(diào)整導軌,使滑塊自由滑動時,通過兩個光電門的速度大小 . (3)用滑塊壓縮彈簧,記錄彈簧的壓縮量x;釋放滑塊,記錄滑塊脫離彈簧后的速度v.釋放滑塊過程中,彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為 .,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(4)重復(3)中的操作,得到v與x的關(guān)系如圖(c).由圖可知,v與x成 關(guān)系.由上述實驗可得結(jié)論:對同一根彈簧,彈性勢能與彈簧的 成正比.,(c),一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,答案:(1)49.5~50.5 (2)相等 (3)滑塊的動能 (4)正比 x2 解析:(1)由F=kx得ΔF=kΔx,代入表中數(shù)據(jù)可得出k值.(2)滑塊滑行過程中無摩擦阻力,自由滑動時導軌已調(diào)整到水平狀態(tài),故滑塊此時勻速運動.(3)當不考慮空氣阻力、摩擦等因素且導軌又調(diào)到水平狀態(tài)時,釋放滑塊的過程中只涉及彈簧的彈性勢能與滑塊的動能,即能量只在這兩種形式的能量之間轉(zhuǎn)化.(4)v-x圖線是過原點的直線,故v∝x.因Ep=Ek=,