新教材2020-2021学年物理人教版必修第二册课件：第八章 5-实验：验证机械能守恒定律 .pptx

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1、第八章第八章 机械能守恒定律机械能守恒定律 5.实验实验:验证验证机械能守恒定律机械能守恒定律 实验探究实验探究新知导学新知导学 典例精讲典例精讲释疑解惑释疑解惑 课课 堂堂 小小 结结 随随 堂堂 练练 习习 1.理解验证机械能守恒定律的思路理解验证机械能守恒定律的思路,明确需要的器材及测量明确需要的器材及测量的物理量。的物理量。2.能控制实验条件能控制实验条件,正确地进行实验操作。正确地进行实验操作。3.会根据纸带测定下落的距离会根据纸带测定下落的距离,掌握测量瞬时速度的方法。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。能根据实验数据得出实验结论。课标定位课标定位 1.理解实验

2、原理和方法理解实验原理和方法,体会利用落体法验证机械能守恒定体会利用落体法验证机械能守恒定律的科学思维方法。律的科学思维方法。2.通过实验验证通过实验验证,树立“实践是检验真理的唯一标准”的科树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。学观。3.通过验证机械能守恒定律通过验证机械能守恒定律,体验物理学的研究方法体验物理学的研究方法,培养培养科学探究能力。科学探究能力。素养阐释素养阐释 一、实验原理一、实验原理 1.在只有重力做功的自由落体运动中在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能减小物体的重力势能减小,动能增加动能增加,如果重力势能的减少量如果重力势能的减少量等于等于动能的增加量动能的

3、增加量,就验证就验证了机械能守恒定律。了机械能守恒定律。2.两种验证方案两种验证方案 (1)若以重物下落的起始点若以重物下落的起始点O为基准为基准,设重物的质量为设重物的质量为m,测出测出重物自起始点重物自起始点O下落距离下落距离h时的速度时的速度v,则在误差允许范围内则在误差允许范围内,由计算由计算得出得出 mv2=mgh,机械能守恒定律即被验证。机械能守恒定律即被验证。(2)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为基准为基准,设重物的质量为设重物的质量为m,测出重物在测出重物在A点的速度点的速度vA,再测出重物由再测出重物由A点下落点下落h后经过后经过B点的速度点的速度vB

4、,则在误差允许范围内则在误差允许范围内,由计算由计算得得出出 =mgh,机械能守恒定律即被验证。机械能守恒定律即被验证。3.确定某点瞬时速度的方法确定某点瞬时速度的方法:如图甲所示如图甲所示,测出第测出第 n 个点相邻个点相邻前、后两段相等时间前、后两段相等时间 T 内下落的距离内下落的距离 xn和和 xn+1,由公式由公式vn=+算出算出,或如图乙所示或如图乙所示,由由 vn=+-算出。算出。二、实验器材二、实验器材 铁架台铁架台(带铁夹带铁夹)、电磁打点计时器电磁打点计时器、重物、重物(带夹子带夹子)、纸带、纸带、复写纸、导线、复写纸、导线、毫米刻度尺毫米刻度尺、低压交变电源、低压交变电源

5、(约约8 V)。三、实验步骤三、实验步骤 1.安装置安装置:按图甲所示按图甲所示,把打点计时器安装在铁架台上把打点计时器安装在铁架台上,用导用导线把打点计时器与电源连接好。线把打点计时器与电源连接好。2.打纸带打纸带:在纸带的一端把重物用夹子固定好在纸带的一端把重物用夹子固定好,另一端穿过打另一端穿过打点计时器的限位孔点计时器的限位孔,用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后放手时器附近。先接通电源后放手,让重物拉着纸带自由下落。让重物拉着纸带自由下落。重复几次重复几次,得到得到35条打好点的纸带。条打好点的纸带。3.选纸带选纸带:从打好点的纸

6、带中挑选点迹清晰且开始的两点间从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近距接近2 mm的一条纸带的一条纸带,在起始点标上在起始点标上0,以后任取间隔相同以后任取间隔相同时间的点依次标上时间的点依次标上1、2、3 4.测距离测距离:用刻度尺测出计数点用刻度尺测出计数点0到到1、2、3的距离的距离,即为即为对应下落的高度对应下落的高度h1、h2、h3 四、数据处理四、数据处理 1.计算各点对应的瞬时速度计算各点对应的瞬时速度:根据公式根据公式vn=,计算出计算出1、2、3、n点的瞬时速度点的瞬时速度v1、v2、v3、vn。2.机械能守恒定律的验证机械能守恒定律的验证:方法一方法一:利用起始点

7、和第利用起始点和第n点。点。+-从起始点到第从起始点到第 n 个计数点个计数点,重力势能减少量为重力势能减少量为 mghn,动能增加动能增加量为量为,计算计算 ghn和和,如果在实验误差允许范围内如果在实验误差允许范围内ghn=,那么机那么机械能守恒定律得到验证。械能守恒定律得到验证。方法二方法二:任取两点任取两点A、B。从从 A 点到点到 B 点点,重力势能减少量为重力势能减少量为 mghAB,动能增加量为动能增加量为,计算计算 ghAB和和,如果在实验误差允如果在实验误差允许范围内许范围内 ghAB=,那么机械能守恒定律得到验证。那么机械能守恒定律得到验证。五、误差分析五、误差分析 1.本

8、实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。系统误差。2.测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差,安安装打点计时器使两限位孔中线竖直装打点计时器使两限位孔中线竖直,并且选择质量适当大些、并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。体积尽量小些的重物来减小系统误差。六、注意事项六、注意事项 1.打点计时器安装要稳固打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直并使两

9、限位孔的中线在同一竖直线上线上,以减小摩擦阻力。以减小摩擦阻力。2.应选用质量和密度较大的重物应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响增大重力可使阻力的影响相对减小相对减小,增大密度可以减小体积增大密度可以减小体积,可使空气阻力相对减小。可使空气阻力相对减小。3.实验时实验时,应先接通电源应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开纸让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。带让重物下落。4.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。5.速度不能用速度不能用 v=gt 或或 v=计算计算,应根据纸带上测得的数应根据纸带上测得的数据据,利用

10、利用 vn=+-计算瞬时速度。计算瞬时速度。一、实验原理与操作一、实验原理与操作 【例题【例题1】用如图所示的实验装置验证用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源电源,输出电压有输出电压有8 V的交变电流和直流两的交变电流和直流两种。重物从高处由静止开始下落种。重物从高处由静止开始下落,重物拖着重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸对纸带上的点进行测量带上的点进行测量,即可验证机械能守恒定即可验证机械能守恒定律。律。(1)下面列举了该实验的几个操作步骤下面列举了该实验的几个操作步骤:A.按照图示

11、的装置安装器材按照图示的装置安装器材;B.将打点计时器接到电源的直流输出端上将打点计时器接到电源的直流输出端上;C.用天平测出重物的质量用天平测出重物的质量;D.释放纸带释放纸带,然后闭合电源开关打出一条纸带然后闭合电源开关打出一条纸带;E.测量打出的纸带上某些点之间的距离测量打出的纸带上某些点之间的距离;F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。否等于增加的动能。其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是 。(将将其选项对应的字母填在横线处其选项对应的字母填在横线处)(2)在验证机械

12、能守恒定律的实验中在验证机械能守恒定律的实验中,若以若以v2为纵轴、以为纵轴、以 h 为为横轴横轴,根据实验数据绘出根据实验数据绘出v2-h 的图像是的图像是 ,才才能验证机械能守恒定律。能验证机械能守恒定律。v2-h 图像的斜率等图像的斜率等于于 的的数值。数值。解析解析:(1)打点计时器应接到电源的交流输出端上打点计时器应接到电源的交流输出端上,故故B错误错误;验证机械能是否守恒只需验证验证机械能是否守恒只需验证mgh=mv2,即即gh=v2,m可约可约去去,故不需要用天平测重物的质量故不需要用天平测重物的质量,故故C没有必要进行没有必要进行;开始记开始记录时录时,应先给打点计时器通电打点

13、应先给打点计时器通电打点,然后再释放重物然后再释放重物,让它带着让它带着纸带一同落下纸带一同落下,故故D错误。错误。(2)利用利用v2-h 图线处理数据图线处理数据,物体自由下落过程中机械能守物体自由下落过程中机械能守恒恒,mgh=mv2,即即v2=gh,若以若以v2为纵轴、以为纵轴、以 h 为横轴为横轴,画出的图画出的图线应是过原点的倾线应是过原点的倾斜直线斜直线,由以上易知由以上易知v2-h 图线的斜率就等于图线的斜率就等于重力加速度重力加速度 g 的数值。的数值。答案答案:(1)BCD (2)过原点的倾斜直线过原点的倾斜直线 重力加速度重力加速度g 二、数据处理与误差分析二、数据处理与误

14、差分析 【例题【例题2】某同学做验证机械能守恒定律实验时某同学做验证机械能守恒定律实验时,不慎将一不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏条挑选出的纸带的一部分损坏,损坏的是前端部分。剩下的损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出并标在图中一段纸带上各相邻点间的距离已测出并标在图中,单位是单位是cm。打点计时器工作频率为打点计时器工作频率为50 Hz,重力加速度重力加速度g取取9.8 m/s2。(1)设重物的质量为设重物的质量为m,重物在重物在2点的速度点的速度v2=,在在5点的速度点的速度v5=,此过程中动能增加量此过程中动能增加量Ek=,重力势能减少量重力势能减少量Ep=。由以上

15、可得出实验结。由以上可得出实验结论论 。(2)重物获得的动能往往重物获得的动能往往 (选填选填“大于大于”“小于小于”或或“等等于于”)减少的重力势能减少的重力势能,实验中产生系统误差的原因实验中产生系统误差的原因是是 。(3)根据实验判断下列图像正确的是根据实验判断下列图像正确的是(其中其中Ek表示重物动能表示重物动能的变化量的变化量,h表示物体下落的高度表示物体下落的高度)()解析解析:(1)根据匀变速直线运动的规律根据匀变速直线运动的规律,可以求出重物在可以求出重物在 2 点的点的速度速度 v2=(.+.)-.m/s=1.50 m/s,重物在重物在 5 点的速度点的速度v5=(.+.)-

16、.m/s=2.075 m/s,所以动能增加量为所以动能增加量为Ek=1.03 m2/s2 m,重物从重物从 2 点到点到 5 点点,重力势重力势 能减少量为能减少量为Ep=mgh25=m9.8(3.2+3.6+4.0)10-2 m2/s2=1.06 m2/s2 m,由以上可得出实验结论由以上可得出实验结论:在误差允许的范围内在误差允许的范围内,机械能守恒。机械能守恒。(2)由于纸带受到摩擦力作用由于纸带受到摩擦力作用,需克服摩擦力做功需克服摩擦力做功,所以获得所以获得的动能小于减少的重力势能。的动能小于减少的重力势能。(3)重物机械能守恒重物机械能守恒,重物减少的重力势能转化为增加的动重物减少的重力势能转化为增加的动能能,即即Ek=mgh,可见重物增加的动能与下落的距离成正比可见重物增加的动能与下落的距离成正比,选项选项C正确。正确。答案答案:(1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03m m2/s2 1.06m m2/s2 在误差允许的范围内在误差允许的范围内,机械能守恒机械能守恒 (2)小于小于 纸带受到摩擦力作用纸带受到摩擦力作用 (3)C 三、实验创新三、实验创新 【例