資源簡介

(共31張PPT)
8.5 實驗：驗證機械 能守恒定律
復習回顧：
1、五種功能關系是什么？
2、電動機多消耗的電能是如何轉化的？
1、什么叫機械能守恒？
2、機械能守恒的條件是什么？
3、自由落體運動的物體，機械能守恒嗎？
4、我們可以通過什么樣的實驗來驗證這一定律呢？
實驗目的：驗證機械能守恒定律
重力或彈力
新課導入
方案一、自由下落
1、實驗目的：驗證物體做自由落體運動過程中機械能守恒。
=
=
2、實驗原理
研究在自由落體運動中：
？
O
A
B
C
D
方案1：從起點開始計算
方案2：從一般位置開始計算
打點計時器、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（帶鐵夾）、學生電源等。夾子打點計時器紙帶重物？鐵架臺3、實驗器材：1.按照如圖所示裝置安裝實驗器材
2.將紙帶穿過計時器，下端與重物相連
3.接通電源，待計時器工作穩定后釋放紙，及時切斷電源，取下紙帶，標上紙帶號，更換紙帶，重復以上步驟。
4.選取點跡清晰的紙帶，在紙帶上進行取點。
5.測距離
6.整理器材，使器材復位
4、實驗步驟
5、數據處理
①高度h 的測量：
②第n個點的速度：
0
1
2
3
4
S3
S4
d4
d2
③m
天平
需要嗎？
④方法一：利用起始點到較遠的點，驗證，m=mgh成立.
方法二：任取兩點A、B，驗證
m-m=mg成立.
方法三：利用圖像，從第一點到某點的下落高度h，該點的速度v，繪出v2一h圖線，若是一條過原點且斜率為2g的直線，則驗證了機械能守恒定律.
0
h
v 2
1
2
gh =
v 2
1
2
為什么圖象過原點？
結論：在誤差允許的范圍內，圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律。
方法四：繪出v2一h圖線
該圖象的斜率表示什么？
①.選擇質量密度較大、體積較小的物體
②.打點計時器要豎直架穩,使其兩限位孔在同一豎直平面內，盡量減少摩擦阻力
6、注意事項
③.計時器要穩定在鐵架臺上，并將計時器伸出桌外。
⑥.速度計算不能用v=gt 或 v=等計算，用機械能守恒定律去驗證機械能守恒的錯誤。
⑤.先通電源，讓打點計時器正常工作, 再釋放紙帶
④.釋放重物前，重物應靠近打點計時器，以便能打出較多的點。拉穩紙帶的上端，確保重物由靜止釋放。
⑦．因不需要知道動能和勢能的具體數值，所以不需要測量重錘的質量。
(1)以第一個點為起點時,要驗證的是=mghn,必須保證紙帶上的第一個點為重物靜止釋放時打的點,所以前兩個點的間距為h=gt2=×10×(0.02)2 m=2 mm。
(2)以下落中某點為起點時,要驗證的是=mghmn,這時選擇紙帶不需要滿足兩點間距為2 mm。
7.紙帶選取
①.重物下落中要克服空氣阻力做功，紙帶與限位孔存在摩擦。實驗的動能增加量必定稍小于重力勢能減少量。在實驗條件允許的情況下，盡量使用電火花計時器。
②.長度測量過程中存在讀數誤差。
8、誤差分析
③.由于交變電流的周期不穩定，造成打點時間間隔變化而產生誤差。
例1.[湖南長郡中學2022高一下期中] 用如圖甲所示的實驗裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗時，將打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始下落.
甲
（1）關于本實驗,下列說法正確的是_____（填字母代號）.
AB
A.應選擇質量大、體積小的重物進行實驗
B.釋放紙帶之前，紙帶必須處于豎直狀態C.先釋放紙帶，后接通電源
（2）實驗中，得到如圖乙所示的一條紙帶.在紙帶上選取三個連續打出的點
、 、 ，測得它們到起始點 點與下一點的間距接近 的
距離分別為 、 、 .已知當地重力加速度為 ，打點計時器的打
點周期為 .設重物質量為 .從打 點到打 點的過程中，重物的重力勢
能變化量 _________，動能變化量 _ ___________ .（用已
知字母表示）
乙
（3）某同學用如圖丙所示裝置驗證機械能守恒定律，將力傳感器
固定在天花板上，細線一端系著小球，一端連在力傳感器上.將小球
拉至水平位置從靜止釋放，到達最低點時力傳感器顯示的示數為
.已知小球質量為 ，當地重力加速度為 .在誤差允許范圍
內，當滿足關系式__________時，可驗證機械能守恒.
丙
解析 在最低點，由牛頓第二定律可得 ，此時小球的動能為
，小球由靜止釋放到運動到最低點的過程中，若機械能守恒，則有
，聯立解得 .
例2、 某同學做驗證機械能守恒定律實驗時，不慎將一條挑選出的紙帶的一部分損壞，損壞的是前端部分。剩下的一段紙帶上各相鄰點間的距離已測出標在圖中，單位是cm。打點計時器工作頻率為50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)質量為m的重物在點2的速度v2=　　　　，在點5的速度v5=　　　，
此過程中動能增加量ΔEk=　　　　，重力勢能減少量ΔEp=　　　　。
由以上可得出實驗結論　 　　　 　 。
1.50 m/s
2.075 m/s
1.03m J
1.06m J
在誤差允許的范圍內，機械能守恒
(2)重物獲得的動能往往　　　　(選填“大于”“小于”或“等于”)減少的重力勢能，實驗中產生系統誤差的原因是　 。
(3)根據實驗判斷下列圖像正確的是(其中ΔEk表示重物動能的變化量，Δh表示物體下落的高度)(　　)
小于
紙帶與打點計時器之間有摩擦以及空氣阻力等
C
方案二、物體沿光滑斜面下滑
需要測量的哪些物理量？需要哪些器材？
1、實驗器材：氣墊導軌、數字計時器、帶有遮光條的滑塊。
2、實驗原理：把氣墊導軌調成傾斜狀態，讓滑塊沿傾斜的氣墊導軌下滑，忽略空氣阻力，重力勢能減小，動能增大。驗證滑塊機械能守恒，即驗證△Ep減與△Ek增是否相等
3.實驗測量及數據處理
(1)測量兩光電門之間的高度差Δh；
(2)滑塊經過兩光電門時遮光條遮光時間Δt1和Δt2，計算滑塊經過兩光電門時的瞬時速度.
4.誤差分析
兩光電門之間的距離稍大一些，可以減小誤差；遮光條的寬度越 ，誤差越小.
小
例3.[山東德州2023高一下期末]某同學利用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定
律,已知當地重力加速度為g.主要實驗步驟如下:
①用游標卡尺測量擋光片的寬度d,用量角器測出氣墊導軌的傾角θ;
②測量擋光片到光電門的距離L;
③由靜止釋放滑塊,記錄數字計時器顯示擋光片的擋光時間t;
④改變L,測出不同L所對應的擋光時間t;
⑤用天平測出滑塊和擋光片的總質量m.根據上述實驗步驟請回答:
(1)滑塊通過光電門時速度的表達式v=　　 　　(用實驗中所測物理量符號表示).
(2)滑塊下滑至光電門的過程中,動能的增加量為　　 　,重力勢能的減小量為　 　　　.
(3)根據實驗測得的多組L、t數據,可繪制
-L圖像,圖像的縱坐標為
,橫坐標為L,如果滑塊下滑過程符合機械能守恒定律,則圖像應為過原點的一條傾斜直線,其斜率為　　 　　(用d、θ、g表示).
m
mgLsin θ
2g
例4、某實驗小組利用如圖所示的裝置來驗證機械能守恒定律。在氣墊導軌上固定兩個光電門，光電門連接數字毫秒計，滑塊上固定寬度為d 的遮光條。把導軌的右端墊高，測出傾角為θ。已知當地重力加速度為g。
(1)實驗時，將滑塊從某處由靜止釋放。遮光條通過某光電門的時間為Δt，則滑塊通過此光電門的瞬時速度為　　　　。
(2)若通過光電門1和光電門2的速度分別為v1和v2，還需要
測量　　　 (并給這個物理量賦予字母)，
若滿足表達式　　　　　　　　　 ，說明機械能守恒。
比例1:1頻閃時間間隔T方案三、利用頻閃照片驗證機械能守恒1.實驗原理：
砝碼通過繞過定滑輪的細線牽連靜止放在氣墊導軌上的滑塊，從靜止釋放。設砝碼和托盤總質量為m，滑塊和擋光條總質量為M。
由m1和m2組成的系統，m2>m1,將m2由靜止，系統重力勢能的減少量等于動能的增加量。
方案四、驗證系統機械能守恒
例5.[廣東廣州五校聯考2023高一下期末] 某小組為了驗證機械能守恒定律，
設計了如圖甲所示的實驗裝置.物塊 、 用跨過定滑輪的輕繩相連，
底端固定一寬度為 的輕質遮光條，托住 ，用刻度尺測出遮光條所在位
置 與固定在鐵架臺上的光電門 之間的高度差 .已知當地的
重力加速度為 .
甲
乙
（1）用刻度尺測量遮光條的寬度 ，示數如圖乙所示，其讀數為
______ .記下遮光條通過光電門的時間 ，則遮光條通過
光電門的速度大小為_ _（用題中字母表示）.
1.50
（2）下列實驗步驟必要的是____.
BC
A.可以選擇兩個質量相等的物塊進行實驗
B.實驗時，需要確保物塊 由靜止釋放
C.需要測量出兩物塊的質量 和
D.需要測量出遮光條從 到達 所用的時間
（3）改變高度 ，重復實驗，測得各次遮光條的擋
光時間 ，以 為橫軸、 為縱軸建立平面直角坐
標系，在坐標系中作出 圖像，如圖丙所示，該
圖像的斜率為 ，在實驗誤差允許范圍內，若
_ _________（用題中字母表示），則驗證了機械
能守恒定律.
丙
如圖，懸掛在O點的小球擺到最低點時恰好與桌面接觸但沒有彈力，D處(箭頭所指處)放一鋒利的刀片，細線到達豎直位置時能被割斷，小球做平拋運動落到地面，P是一刻度尺。該方案只需利用刻度尺測量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平拋運動的水平位移x即可驗證機械能守恒。
方案五、結合平拋運動驗證機械能守恒
例6．某同學用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律。一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止于A點，光電門固定在A的正下方，在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經過光電門的擋光時間t可由計時器測出，取 作為鋼球經過A點時的速度。記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數t，計算并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小 與動能變化大小 ，就能驗證機械能是否守恒。
(1)用 計算鋼球重力勢能的變化量，公式中鋼球下落高度h應測量
釋放時的鋼球球心到__ 之間的豎直距離。
A．鋼球在A點時的頂端
B．鋼球在A點時的球心
C．鋼球在A點時的底端
(2)用 計算鋼球動能變化的大小。用刻度尺測量遮光條寬度，示數如圖乙所示，其讀數為 cm.某次測量中，計時器的示為0.010s，則鋼球的速度為 。
B
1.50
1.50m/s
(3)下表為該同學的實驗結果：
他發現表中的 與 不完全相同，可能是原因是 。
4.892 9.786 14.69 19.59 29.38
5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
計算動能時的速度是用的遮光條的速度，該速度大于小球的速度

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