實驗驗證機械能守恒定律（教學課件）【教學無憂】高一物理備課（人教版2019必修第二冊）

8.5實驗驗證機械能守恒定律人教版（2019）普通高中物理必修第二冊同步教學課件第八章·機械能守恒定律目錄1實驗思路2物理量的測量3實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理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、質(zhì)量為m的物體從O點自由下落，以地面為零參考面，經(jīng)過A、B兩點的速度分別為VA和VB，A、B兩點距地面的高度分別為hA、hB。如何推導機械能守恒的表達式？5、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知識點一：實驗思路1.自由下落的物體只受到重力作用，滿足機械能守恒的條件。2.物體沿光滑斜面下滑時，雖然受到重力和斜面的支持力，但支持力與物體位移方向垂直(如圖)，對物體不做功，這種情況也滿足機械能守恒的條件。3.用細線懸掛的小球擺動時，細線的拉力與小球的運動方向垂直，對小球不做功。如果忽略空氣阻力，這個過程中只有重力做功，也滿足機械能守恒的條件。知識點二：測量物理量

需要測量三個物理量：物體的質(zhì)量、物體所處位置的高度以及物體的運動速度。注意：如果實驗要求計算勢能和動能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量；如果只是驗證機械能守恒定律可以不測物體的質(zhì)量。知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理問題：你覺得我們要按照什么樣的思路設計實驗驗證，我們?nèi)绾卧O計實驗方案。方案一：自由落體方案二：光滑斜面方案三：系統(tǒng)守恒.......知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理【方案一】研究自由下落物體的機械能打點計時器、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（帶鐵夾）、學生電源等夾子紙帶重物？實驗器材測量物理量根據(jù)重力勢能和動能的定義，很自然想到，需要測量物體的質(zhì)量、物體所處位置的高度以及物體運動的速度這三個物理量.知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理本實驗要不要測量物體的質(zhì)量？mgh

=mv

212gh

=v

212無需測量物體的質(zhì)量如果實驗要求計算勢能和動能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量。知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理紙帶上的第一個點為計時起點0（起始點的速度應該為零，即打點計時器在紙帶上打下第一個點時紙帶剛開始下落）。gh

=v

21212x=

gt2=

×9.8×0.022m≈2×10-3m=

2

mm12h起始點對于實際獲得的紙帶，如何判定紙帶上的第一個點就是紙帶剛開始下落時打下的呢？紙帶上的頭兩個點間的距離應接近2mm。知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理可以回避起始點嗎（即處理紙帶時可以不用到起始點嗎）?我們可以選取A、B兩點，比較它們的機械能EA和EB。若以點B為0勢能點，則有：mgΔh=ΔhAB知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理第1種方法是根據(jù)機械能守恒定律得到的，而我們的目的就是驗證機械能守恒定律，所以不能用。第2種方法認為加速度為g，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實際加速度必將小于g，這樣將得到機械能增加的結(jié)論，有阻力作用機械能應該是減少的，故這種方法也不能用。問題：計算物體的速度，可有三種方法，哪種方法不合適？為什么？知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理測量點n123456高度hn

/m速度vn

/(m/s)勢能Ep

/J動能Ek/J數(shù)據(jù)記錄知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理1.求瞬時速度2.守恒驗證方法一:利用起始點。知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理

知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理誤差分析1．本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力

(空氣阻力、打點計時器阻力)做功，故動能的增加量ΔEk稍小于重力勢能的減少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，這屬于系統(tǒng)誤差．改進的辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力．知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理2．本實驗的另一個誤差來源于長度的測量，屬偶然誤差．減小誤差的辦法是測下落距離時都從O點量起，一次將各打點對應的下落高度測量完，或者多次測量取平均值．3．打點計時器產(chǎn)生的誤差(1)由于交流電周期的變化，引起打點時間間隔變化而產(chǎn)生誤差；(2)計數(shù)點選擇不好，振動片振動不均勻，紙帶放置方法不正確引起摩擦，造成實驗誤差．誤差分析知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理注意事項1．應盡可能控制實驗條件，即應滿足機械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：(1)安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴格豎直，以減小摩擦阻力．(2)應選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減?。R點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理【實驗方案2】研究沿斜面下滑物體的機械能1.實驗器材

氣墊導軌、數(shù)字計時器、帶有遮光條的滑塊。2.實驗裝置

如圖所示，把氣墊導軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導軌下滑時，忽略空氣阻力，重力勢能減小，動能增大。知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理3.實驗測量及數(shù)據(jù)處理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。窄知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理【方案三】系統(tǒng)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(zhì)量為m，滑塊和擋光條總質(zhì)量為M。由m1和m2組成的系統(tǒng)，m2>m1,將m2由靜止，系統(tǒng)重力勢能的減少量等于動能的增加量。

知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理其他創(chuàng)新設計如圖，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。知識點三：實驗方案設計及其數(shù)據(jù)處理其他創(chuàng)新設計請嘗試說出以下裝置如何驗證機械能守恒？驗證機械能守恒定律的實驗設計思路：機械能守恒定律的條件只有重力或彈力做功符合機械能守恒定律的條件的運動測量的物理量考點一：基礎實驗例1“驗證機械能守恒定律”的實驗采用重物自由下落的方法。圖1圖2(1)本實驗中，除鐵架臺、夾子、交流電源、紙帶和重物外，還需選用的儀器是______。

A.秒表B.刻度尺C.天平D.打點計時器考點一：基礎實驗(2)在驗證機械能守恒定律的實驗中，得到一條紙帶如圖2所示，圖中O點為打點計時器打下的第一點，可以看做重物運動的起點，若重物的質(zhì)量為1kg，已知相鄰兩點時間間隔為0.02s，圖中長度單位是cm，g取9.8m/s2，則打點計時器打下B點時，重物的速度VB=______m/s。從起點O到打下B點的過程中，重物動能的增加量△Ek=______J，重力勢能的減小量△EP=______J，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)動能的增加量略小于重力勢能的減少量，為什么___________________。(以上計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)考點一：基礎實驗(1)【答案】BD【解析】根據(jù)實驗原理可知，需要計算重物重力勢能的減少量，所以需要刻度尺測量高度，動能的表達式中需要有重物的速度，所以需要使用打點計時器打點來計算瞬時速度的大小，方程兩邊都有質(zhì)量，所以不需要天平，綜上本題選BD。(2)【答案】0.97，0.47J，0.48J，重物克服阻力做功?！窘馕觥扛鶕?jù)平均速度等于該段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度可得，考點一：基礎實驗考點一：基礎實驗(1)下列做法正確的有____.A.必須要稱出重物和夾子的質(zhì)量B.圖中兩限位孔必須在同一豎直線上C.將連著重物的紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手

盡量靠近打點計時器D.實驗時，先放開紙帶，再接通打點計時器的電源E.數(shù)據(jù)處理時，應選擇紙帶上距離較近的兩點作為初、

末位置B考點一：基礎實驗(2)選取O、C兩點為初、末位置驗證機械能守恒定律，重物減少的重力勢能是______J，打下C點時重物的速度大小是______m/s.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)解析重物減少的重力勢能為：ΔEp＝mgh＝mg(s0＋s1)＝1×9.8×(19.00＋8.36)×10－2J≈2.68J考點一：基礎實驗解析在驗證機械能守恒定律的實驗中，圖線的斜率等于g，即重力加速度，故選C.(3)根據(jù)紙帶算出打下各點時重物的速度v，量出下落距離s，則以

為縱坐標、s為橫坐標畫出的圖像應是下列選項中的____.考點一：基礎實驗【正確答案】A考點二：創(chuàng)新實驗例2．某同學利用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，弧形軌道末端水平，離地面的高度為H。將小鋼球從光滑軌道上的不同高度h處由靜止釋放，鋼球的落點與軌道末端的水平距離為x。（1）用H、x及重力加速度g表示，小球離開軌道時的速度大小v=___________；（2）若x2與h的關系應滿足x2=___________（用H、h等表示），便可驗證機械能守恒定律。答案：4Hh考點二：創(chuàng)新實驗變式訓練2驗證機械能守恒定律的實驗的裝置如圖所示，將輕繩拉至水平后由靜止釋放，在最低點附近放置一組光電門，測出小圓柱運