高一物理（粵教版)必修二第4章第5節(jié)《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》（48張ppt）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第五節(jié)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^研究物體運(yùn)動過程中的 和 變化 驗(yàn)證械能守恒定律 二 實(shí)驗(yàn)原理1 針對只有重力做功的情形 研究其運(yùn)動過程 比較物體 變化量與 變化量 若滿足 Ep Ek 則說明機(jī)械能守恒 動能勢能 重力勢能動能 2 比較運(yùn)動過程中兩個狀態(tài)的機(jī)械能 若滿足Ek1 Ep1 Ek2 Ep2 也說明機(jī)械能守恒 3 兩種設(shè)計(jì)方案 1 方案一 利用打點(diǎn)計(jì)時器記錄自由下落物體的運(yùn)動信息 通過打點(diǎn)紙帶確定物體下落的高度及此時對應(yīng)的速度 確定減少的重力勢能和增加的動能 探尋兩者之間的關(guān)系 驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒 2 方案二 如右圖所示 用單擺和DIS裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒 將DIS裝置的光電門放在A B C D各點(diǎn) 測出各點(diǎn)的速度 測量出各點(diǎn)對D的高度 運(yùn)用所得數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒 三 實(shí)驗(yàn)器材方案一 打點(diǎn)計(jì)時器及電源 鐵架臺 含鐵夾 紙帶 刻度尺 夾子 方案二 DISLab實(shí)驗(yàn)儀一套 鐵架臺 細(xì)線 鉛筆 貼有方格紙的木板 刻度尺 鉤碼 擺球 方案一 落體法 驗(yàn)證機(jī)械能守恒一 實(shí)驗(yàn)步驟 1 如圖把打點(diǎn)計(jì)時器安裝在鐵架臺上 并將打點(diǎn)計(jì)時器接到電源上 2 把紙帶的一端和鉤碼用夾子固定好 另一端穿過計(jì)時器限位孔 用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時器附近 3 先接通電源 然后松手讓重物帶著紙帶自由下落 4 重復(fù)幾次 得到3 5條打好點(diǎn)的紙帶 5 在打好點(diǎn)的紙帶中挑選一條點(diǎn)跡清晰的紙帶 在起始點(diǎn)標(biāo)上O 以后的點(diǎn)依次標(biāo)上1 2 3 用刻度尺測出對應(yīng)下落的高度h1 h2 h3 并計(jì)算相應(yīng)的重力勢能減少量mghn 7 比較與mghn是否在誤差范圍內(nèi)相等 二 數(shù)據(jù)處理1 代人數(shù)據(jù)計(jì)算比較 2 作v2 h圖象 分析曲線 從靜止開始下落 如滿足機(jī)械能守恒 則mgh mv2 所以v2 2gh 其中2g為常數(shù) 故v2 h圖線應(yīng)為過原點(diǎn)的傾斜直線 斜率的一半為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?所得圖象如右圖 三 誤差分析1 本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)計(jì)時器阻力 做功 故動能的增加量mv2稍小于重力勢能的減少量mgh 這是系統(tǒng)誤差 2 本實(shí)驗(yàn)的另一個誤差來源是長度的測量 屬偶然誤差 3 另外交流電的頻率發(fā)生波動 也會給實(shí)驗(yàn)帶來偶然誤差 四 注意事項(xiàng) 1 應(yīng)盡可能控制實(shí)驗(yàn)條件 使裝置滿足機(jī)械能守恒的條件 這需要盡量減小各種阻力 采取的措施有 1 安裝時使限位孔與紙帶處于同一豎直平面內(nèi) 2 應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物 2 使用打點(diǎn)計(jì)時器時 應(yīng)先接通電源 再松開紙帶 3 選取紙帶的原則是 1 點(diǎn)跡清晰 2 所打點(diǎn)間距適中 可舍去開始打點(diǎn)密集的部分 4 由于不需要計(jì)算動能和重力勢能的具體數(shù)值 因而不需要測量物體的質(zhì)量 方案二用DIS裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)過程 1 在鐵架臺上端用鐵架懸掛一個擺球 如圖 2 在方格紙上確定4 5個點(diǎn)作為測量點(diǎn) 3 分別安裝光電傳感器 并使之與數(shù)據(jù)采集器相連接 4 讓小球從某一高度向下擺動 分別測定擺球在擺動過程中任意時刻的動能和重力勢能 5 研究每一個測量點(diǎn)上機(jī)械能的總量有什么特點(diǎn) 注意事項(xiàng) 1 小球運(yùn)動時 應(yīng)使其軌跡在一豎直面內(nèi) 避免做圓錐擺運(yùn)動 2 調(diào)整帶方格紙的木板 應(yīng)使其豎線在豎直方向上 3 為準(zhǔn)確測定小球在各位置的瞬時速度 可在小球下部安置一塊擋光片 并確保擋光片在豎直面內(nèi) 1 為進(jìn)行 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn) 有下列器材可供選擇 A 鐵架臺B 打點(diǎn)計(jì)時器C 復(fù)寫紙D 紙帶E 低壓交流電源F 天平G 秒表H 導(dǎo)線I 電鍵J 米尺上述器材不必要的是 只填字母代號 缺少的器材是 2 實(shí)驗(yàn)中下列物理量中需要直接測量的量有 通過計(jì)算可得到的量有 填字母序號 A 重錘質(zhì)量B 重力加速度C 重錘下落的高度D 與下落高度相對應(yīng)的重錘的瞬時速度 3 質(zhì)量為m 1kg的重錘自由下落 在紙帶上打出一系列的點(diǎn)如圖所示 O為第一個點(diǎn) A B C為相鄰的點(diǎn) 相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時間間隔為0 02s 長度單位是cm 取g 9 8m s2 求 a 打點(diǎn)計(jì)時器打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時 物體的速度vB m s 保留兩位有效數(shù)字 b 從點(diǎn)O到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的過程中 物體重力勢能的減少量 Ep J 動能的增加量 Ek J 保留兩位有效數(shù)字 重力勢能減小量 Ep mghOB 1 9 8 4 86 10 2J 0 48J 答案 1 F G重錘 2 CD 3 0 970 480 47 變式訓(xùn)練 1 在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中 1 從下列器材中選出實(shí)驗(yàn)所必需的 其編號為 A 打點(diǎn)計(jì)時器 包括紙帶 B 重物 C 天平 D 毫米刻度尺 E 秒表 F 運(yùn)動小車 2 打點(diǎn)計(jì)時器的安裝放置要求為 開始打點(diǎn)計(jì)時的時候 應(yīng)先 然后 A B D 底板要豎直 給打點(diǎn)計(jì)時器通電釋放重物 3 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要是 使重物獲得的動能 重物減少的重力勢能 為減小誤差 懸掛在紙帶下的重物應(yīng)選擇 4 如果以v2 2為縱軸 以h為橫軸 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的圖線是 該線的斜率等于 重力加速度g 紙帶通過打點(diǎn)計(jì)時器時有摩擦阻力 小于 質(zhì)量和密度大一些的 一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線 在 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn)中 所用電源的頻率為50Hz 某同學(xué)選擇了一條理想的紙帶 用刻度尺測量時各計(jì)數(shù)點(diǎn)對應(yīng)刻度尺上的讀數(shù)如圖所示 圖中O點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時器打出的第一個點(diǎn) A B C D E分別是每打兩個點(diǎn)取出的計(jì)數(shù)點(diǎn) 根據(jù)紙帶計(jì)算 1 重錘下落的加速度 2 若重錘的質(zhì)量為m 則重錘從開始下落到打B點(diǎn)時 減少的重力勢能是多少 3 重錘下落到打B點(diǎn)時增加的動能有多大 4 從 2 3 數(shù)據(jù)可得出什么結(jié)論 產(chǎn)生誤差的主要原因是什么 解析 在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中 誤差中的一部分來自于空氣阻力及紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器限位孔之間的摩擦 故重力勢能的減少應(yīng)等于動能的增加量和克服阻力做功之和 所以 此題在計(jì)算結(jié)論上肯定是重力勢能減少的多 動能增加的少 其差值除偶然誤差外 就是上述原因造成的 1 根據(jù)逐差法求加速度 0 101 0 1165 0 0855 0 07 4 0 04 2 m s2 9 688m s2即重錘下落的加速度為9 688m s2 2 重錘從開始下落到打B點(diǎn)時減少的重力勢能為 Ep減 mgh mg 9 8 0 1950mJ 1 911mJ 3 重錘下落到打B點(diǎn)時的速度為vB sAB sBC 2T 0 07 0 0855 2 0 04 m s 1 944m s 則物體從開始下落到打B點(diǎn)增加的動能為 Ep增 mvB2 2 1 944 2m 2 1 89mJ 4 從 2 3 可以得出 在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi) 重錘重力勢能的減少等于其動能的增加 機(jī)械能守恒 重錘減少的重力勢能略大于其增加的動能的原因是 重錘在下落時要受到阻力的作用 打點(diǎn)計(jì)時器對紙帶摩擦 空氣阻力等 重錘克服阻力做功要損失一部分機(jī)械能 答案 1 9 688m s2 2 1 911mJ 3 1 89mJ 4 從 2 3 可以得出 在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi) 重錘重力勢能的減少等于其動能的增加 機(jī)械能守恒 重錘減少的重力勢能略大于其增加的動能的原因是 重錘在下落時要受到阻力的作用 打點(diǎn)計(jì)時器對紙帶摩擦 空氣阻力等 重錘克服阻力做功要損失一部分機(jī)械能 變式訓(xùn)練 2 某同學(xué)做 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn)時不慎將一條選擇好的紙帶的前面一部分破壞了 測出剩下的一段紙帶上的各個點(diǎn)間的距離如下圖所示 已知打點(diǎn)計(jì)時器工作頻率為50Hz 重力加速度g取9 8m s2 1 利用這段紙帶說明重錘通過2 5兩點(diǎn)時機(jī)械能守恒 2 分別說明為什么得到的結(jié)果是重力勢能減少量 Ep稍大于重錘動能的增加量 Ek 答案 1 因?yàn)?Ep mgh 1 047mJ 在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi) Ep Ek 機(jī)械能守恒 2 由于存在空間阻力和紙帶與打點(diǎn)計(jì)時器間的摩擦力 減少的重力勢能一小部分由于摩擦轉(zhuǎn)化為其他能量 所以 增加的動能略小于減少的重力勢能 基礎(chǔ)達(dá)標(biāo) 1 在利用重錘自由下落 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn)中 產(chǎn)生誤差的主要原因是 A 重錘下落的實(shí)際高度大于測量值B 重錘下落的實(shí)際高度小于測量值C 重錘實(shí)際末速度v大于gt g為重力加速度 t為下落時間 D 重錘實(shí)際末速度v小于gt D 2 在 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn)中 由于打點(diǎn)計(jì)時器兩個限位孔不在同一豎直線上 使紙帶通過時受到較大阻力 這樣的結(jié)果會有 D 以上都有可能 A 3 在 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn)中 下列物理量中需要用工具直接測量的有 A 重錘的質(zhì)量B 重力加速度C 重錘下落的高度D 與重錘下落高度對應(yīng)的重錘的瞬時速度 C 4 在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中 下列說法正確的是 A 需要天平測定重錘質(zhì)量B 實(shí)驗(yàn)時要先松開紙帶讓重錘下落 然后接通電源讓打點(diǎn)計(jì)時器工作C 應(yīng)該選用第1 2點(diǎn)之間間距約等于2mm的紙帶進(jìn)行分析D 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是動能的增加量略大于重力勢能的減少量 C 5 利用重錘自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時 下列說法不正確的是 A 選用重錘時 重的比輕的好B 選用重錘時 體積小的比體積大的好C 選用重錘后要測出錘的質(zhì)量D 重錘所受重力要遠(yuǎn)大于它所受的空氣阻力和打點(diǎn)計(jì)時器對紙帶的阻力 解析 實(shí)驗(yàn)過程中 重錘下落的過程中會受到空氣阻力和紙帶與打點(diǎn)計(jì)時器之間的摩擦阻力作用 要減小實(shí)驗(yàn)誤差 就必然減小這些阻力 所以重錘要選用體積小 重一些的 一是減小阻力 二是使阻力相對于重力較小 可以忽略 選項(xiàng)ABD正確 由于動能和重力勢能的表達(dá)式中都有質(zhì)量m 因此在比較始末位置的機(jī)械能時不需要測出重錘的質(zhì)量的大小 所以選項(xiàng)C錯誤 答案 C 6 用電磁打點(diǎn)計(jì)時器做 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn) 有如下可供選擇的實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺 打點(diǎn)計(jì)時器 復(fù)寫紙 紙帶 低壓直流電源 天平 秒表 導(dǎo)線 開關(guān) 其中不必要的器材是 缺少的器材是 低壓直流電源 天平 秒表 低壓交流電源 重錘 刻度尺 7 雙選 下列關(guān)于 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差的說法 正確的是 A 重物質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會造成較大誤差B 重物質(zhì)量選用得較大些 有利于減小誤差C 重物質(zhì)量選用得較小些 有利于減小誤差D 先釋放紙帶后接通電源會造成較大誤差 解析 該實(shí)驗(yàn)不需要測量物體的質(zhì)量 故A錯 選用質(zhì)量較大的重物有利于減小摩擦帶來的誤差 B對 應(yīng)先接通電源 待打點(diǎn)穩(wěn)定后再松開紙帶 故D對 答案 BD 能力提升 8 在 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn)中 某同學(xué)依據(jù)紙帶求得相關(guān)各點(diǎn)的瞬時速度以及與此相對應(yīng)的下落距離h 以v2為縱軸 以h為橫軸 建立坐標(biāo)系 描點(diǎn)后畫出變化圖線 從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 若所有操作均正確 則得到的v2 h圖象應(yīng)是圖中的 解析 若滿足機(jī)械能守恒應(yīng)有v2 gh即v2與h成正比關(guān)系 C對 答案 C 9 某位同學(xué)用落體法做 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn) 下列操作步驟中錯誤的是 A 把打點(diǎn)計(jì)時器固定在鐵架臺上 用導(dǎo)線連接到低壓交流電源B 將連有重錘的紙帶穿過限位孔 將紙帶和重錘提升到一定高度C 先釋放紙帶 再接通電源D 更換紙帶 重復(fù)實(shí)驗(yàn) 根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù) 解析 根據(jù)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)要求 應(yīng)先接通電源 讓打點(diǎn)計(jì)時器工作穩(wěn)定后 再釋放紙帶 故C選項(xiàng)是錯誤的 A B D均符合實(shí)驗(yàn)要求 故選C 答案 C 10 如圖為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 現(xiàn)有的器材為 帶鐵夾的鐵架臺 電磁打點(diǎn)計(jì)時器 紙帶 帶鐵夾的重錘 天平 回答下列問題 1 為完成此實(shí)驗(yàn) 除了所給的器材 還需要的器材有 填入正確選項(xiàng)前的字母 A 米尺B 秒表C 0 12V的直流電源D 0 12V的交流電源 2 實(shí)驗(yàn)中誤差產(chǎn)生的原因有 寫出兩個原因 解析 1 用A項(xiàng)米尺測量長度 用D項(xiàng)交流電源供打點(diǎn)計(jì)時器使用 2 紙帶與打點(diǎn)計(jì)時器之間有摩擦 用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時讀數(shù)有誤差 計(jì)算勢能變化時選取的始末兩點(diǎn)距離過近 交流電頻率不穩(wěn)定 答案 1 A D 2 見解析 11 下圖是某同學(xué)探究 動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化和守恒 實(shí)驗(yàn)及打出的一條紙帶的一部分 1 已知打點(diǎn)計(jì)時器的周期為0 02s 當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間 9 8m s2 圖中數(shù)字為各點(diǎn)距起點(diǎn)O的距離 設(shè)重錘為m 0 1kg 當(dāng)打到B點(diǎn)時 重錘的重力勢能減少了 J 動能增加了 J 保留三位有效數(shù)字 2 若當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣任粗?則可利用此實(shí)驗(yàn)來測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?請寫出測量值與當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹悼傆胁町惖囊粋€原因 2 打點(diǎn)時紙帶與打點(diǎn)計(jì)時器間存在摩擦阻力 答案 1 0 1910 190 2 見解析 12 在利用電火花打點(diǎn)計(jì)時器 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 實(shí)驗(yàn)中 下面給出的一些實(shí)驗(yàn)步驟 a 天平稱出重錘及夾子的質(zhì)量b 將紙帶固定在重錘的夾子上c 將紙帶穿過計(jì)時器的限位孔 上端用手提著 再把紙帶向上拉 讓重錘靜止靠近打點(diǎn)計(jì)時器處 d 把打點(diǎn)計(jì)時器接在220V交流電源上 但暫不接通e 把打點(diǎn)計(jì)時器固定在放在桌邊的鐵架臺上 使兩個限位孔在同一豎直線上 f 在紙帶上選取幾個點(diǎn) 進(jìn)行測量和記錄數(shù)據(jù)g 用秒表測出重物下落的時間h 接通電源 待計(jì)時器穩(wěn)定后再松開紙帶i 更換紙帶 重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)兩次j 在三條紙帶中選取較好的一條k 進(jìn)行計(jì)算 得出結(jié)論 1 以上步驟中 不必要的步驟是 A adB ghC agD ij 2 正確的步驟順序應(yīng)是 A edbchijfkB hkebcjfdC jdfcehkbD fbedcjhk C A 感謝您的使用 退出請按ESC鍵 本小節(jié)結(jié)束 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全