[原创]2013年《随堂优化训练》物理 必修2 粤教版 第四章 第五节 验证机械能守恒定律 [配套课件]

1、第五节 验证机械能守恒定律 1实验原理：在只有重力做功的自由落体运动中，物体的 重力势能和动能可以相互转化，总的机械能守恒设某时刻物 体的瞬时速度为 v，下落高度为 h，则有：_.利用 打点计时器测出重物下落时某时刻的_及下落的高,度，就可验证机械能是否守恒,瞬时速度,2实验器材：打点计时器、_、纸带、复写纸片、 重物、_、带有夹子的铁架台、导线,刻度尺,低压交流电源,3减小实验误差：应尽量减小重物下落时纸带所受的阻力 因此重锤应选_(填“重”或“轻”)的，纸带应_放,置,重,竖直,4关于“验证机械能守恒定律”的实验中，下列叙述正确,的有(,),A用天平测出重锤的质量 B采用低压直流电源 C先接通电源，后释放纸带 D用秒表测出重锤下落的时间,的质量；同时实验中使用的是打点计时器，因此不需要用秒表 测量时间，电源采用的是低压交流电源；应用打点计时器时应 先接通电源，后释放纸带；要求选用的纸带打出的第一、二点 间距接近 2 mm，故 C 选项正确,答案：C,5在“验证机械能守恒定律”的实验中，通过计算得到的,有(,),D,A重锤的质量 B重锤的下落时间 C重锤的下落高度 D与下落高度对应的

2、重锤的瞬时速度 解析：重锤的质量不需要测量；打点计时器是计时的仪器， 故下落时间不需要计算；重锤的下落高度要测量出来；只有与 下落高度对应的重锤的瞬时速度需要用平均速度计算出来,知识点,创新实验方案设计,验证机械能守恒定律的关键是在满足只有重力(或弹力)做 功的前提条件下，重力势能(或弹性势能)的变化同动能的变化 在误差允许范围内相等自由落体运动是最简单的机械能守恒 问题物体减少的重力势能可以通过测量物体下落的高度差计 算，再利用平均速度与中间时刻瞬时速度的关系计算瞬时速度 和动能的改变量,除自由落体运动外，任何满足只有重力做功的情况，机械 能都是守恒的因“自由落体法”阻力较大，且下落时间较短， 不便观察，为提高实验精确度可以选择在气垫导轨上操作实验， 如图 451 所示，滑块与气垫导轨间的摩擦力非常小，几乎 为零，这样滑块在导轨上滑动时就等效为只有重力做功,图 451,讨论：,经过两个光电门,瞬时速度,动能,对于上面的实验，我们只需要测出气垫导轨上_ 的高度差就可测出重力势能的减少量，再利用光电门测出滑块 _的时间，利用平均速度与中间时刻瞬时速度的 关系计算_和_的改变量通过比较经过

3、两个 光电门时减少的重力势能和增加的动能即可验证机械能是否守 恒,两个光电门间,1用气垫导轨验证机械能守恒定律：,(1)在该实验中选取气垫导轨、光电门、数字计时器等器材， 如图 451 所示安装实验装置，图中 m 为滑块质量，l 为挡 光板长度，G1、G2 为光电门,(2)将滑块从轨道上端某一处滑下，测出它通过光电门 G1 和 G2 时的速度 v1 和 v2，可得到 G1 到 G2 这段位移中滑块的动,(3)算出 G1 到 G2 这段位移中滑块重力势能的减少量Ep，比 较Ek 和Ep，得到EkEp 的结论，从而证明机械能守恒,2利用平抛运动验证机械能守恒定律：,(1)运用如图 452 所示的装置，让小球从光滑斜轨道的 某一高度处由静止开始滚下小球离开轨道时做平抛运动,图 452,(2)测出图中平台高度 H、小球在光滑斜轨道上由静止开始 滚下时离平台的高度 h 以及小球做平抛运动的水平位移 s.,【例 1】为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列 器材可供选用：铁架台、电磁打点计时器，复写纸、纸带、秒 表、低压直流电源、导线、开关、天平其中不必要的器材是 _；缺少的器材是_,解析：实验

4、利用重物、纸带做自由落体运动来验证机械能 守恒，实验中通过打点计时器打出的纸带记录重物自由下落的 运动情况测量重物下落的高度 h 和与其对应的记录点的速度,机械能守恒定律是否成立，因此不需要天平、秒表因为电磁 打点计时器的工作电压是低压交流电压，必须有低压交流电源， 低压直流电源是不需要的，另外还需重物和刻度尺,低压交流电源、刻度,答案：天平、秒表和低压直流电源 尺和重锤,【触类旁通】 1如图 453 所示，光滑水平轨道与光滑圆弧轨道相切， 轻弹簧的一端固定在轨道的左端，OP 是可绕 O 点转动的轻杆， 且摆到某处就能停在该处；另有一小钢球(可看做质点)现在 利用这些器材测定弹簧被压缩时的弹性势能 (1)还需要的器材是_、_. (2)以上测量实际上是把对弹性势能的测,量转化为对_的测量，进而转化 对_和_的直接测量,图 453,解析：小球被弹簧弹开后，弹簧的弹性势能全部转化为小 球的动能，小球沿光滑曲面上滑时，小球的动能全部转化为小 球的重力势能故只需测出小球的最大重力势能即可，即转化 为测出小球的质量和高度差,答案：(1)天平,刻度尺,(2)重力势能,质量,高度,用落体法验证机械能守

5、恒定律,【实验原理】,在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动,能互相转化，但总的机械能守恒若物体某时刻速度为 v，下 落的高度为 h，恒有：,故只需借助打点计时器，通过纸带测出重物某时刻的下落 高度 h 和该时刻的瞬时速度，即可验证机械能是否守恒,图 454,【实验器材】,铁架台(带铁夹)、打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带几,条、复写纸片、导线、直尺、学生电源,图 455,【实验步骤】,(1)按图 455 把打点计时器安装在铁架台上，用导线把,打点计时器与学生电源连接好,(2)把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过计时器 限位孔，用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近,(3)先接通电源，后松手让重锤带着纸带自由下落 (4)重复几次，得到 35 条打好点的纸带,(5)在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起点标 上 O，以后各点依次标上 1、2、3、4用刻度尺测出对应下 落的高度 h1、h2、h3、h4,【实验结论】,在自由落体运动中物体的机械能守恒或仅在重力的作用下,物体的机械能守恒,【注意事项】,(1)安装打点计时器时，两纸带限位孔必须在同一竖直线,上，以

6、减小摩擦阻力,(2)实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才,松开纸带，让重锤下落,(3)打点计时器必须接交流电源,(4)重锤应选择质量较大的，从而使重力远大于下落过程中,所受的阻力，实现减小实验误差的目的,(5)选用纸带时应尽量挑第一、二点间距离接近 2 mm 的纸,带,(6)计算下落高度时，都必须从起始点算起为了减小测量 h 的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，但纸带 也不宜过长，有效长度可在 6080 cm 内,(7)因为实验要求第一个点对应重锤开始下落的时刻，这就 要尽量使每点是清晰的小点，为此提起纸带的手要保持不动， 待接通电源，打点计时器正常工作后再松开纸带,(8)测量长度时，都必须从起始点开始，只进行一次刻度对 齐，读出各点高度，实现减小因测量次数多而带来的误差,质量,【例 2】在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点 计时器所用电源的频率为 50 Hz，查得当地的重力加速度 g 9.8 m/s2，测得所用重物的质量为 1.00 kg.实验中得到的一条点 迹清晰的纸带如图 456 所示,把第一个点记为 O,另选连续的 4 个点 A、B、C、D 作为测量

7、点,待测量后得到 A、B、C、D 各 点到 O 点的距离分别为 62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm. 根据以上数据，可知重物由 O 点运动到 C 点，重力势能的减少 量等于_J，动能的增加量等于_J.(取三位有效数字),图 456,T ,思路点拨：重力势能的减少量等于 mgh，O 为第一个点， 动能为零，动能的增加量等于 C 点的动能，所以从纸带数据求 出 C 点的速度后可得到动能的增加量,1 f,1 50,s0.02 s,由 O 点到 C 点，重力势能的减少量为 EpmghC1.009.877.76102 J7.62 J 打下 C 点时纸带的瞬时速度(等于物体的瞬时速度)为,解析：交流电源频率 f50 Hz，则,答案：7.62,7.57,【例 3】在用落体法验证机械能守恒定律的实验中，某同 学列举了该实验的几个步骤，其中不正确或没有必要的是 _(填序号即可),A正确安装好实验仪器,B将打点计时器接到学生电源直流输出端上,C用天平测出下落重物的质量，且精确到 0.01 kg,D为了使打出来的第一个点清晰，应该先释放纸带再接,通打点计时器电源开关,E为了防止重物掉到地上，需要在其落地以前用手接住 F在纸带上离起始点较远的地方选择几个连续的点，测出,它们距起始点的距离,解析：打点计时器应接在低压交流电源上，B 错；实验中 不用测重物的质量，C 错；应先通电打点，再释放纸带，D 错； 为减小误差，应在纸带上打出较多的点，并保证物体做自由落 体运动，且选用离起始点较远的几个连续点开始测量，E 错、 F 对,答案：BCDE,【触类旁通】,2在“用落体法验证机械能守恒定律”的实验中：,(1)所用重锤的质量 m1.0 kg，打点计时器所用电源频率为 50 Hz，打下的纸带如图 457 所示(图中的数据为从起始点 O 到该点的距离)，则在打 B 点时，重锤的速度 vB_m/s， 重锤的动能 EkB_J，从开始下落到打 B 点时，重锤的 重力势能减少量是_J(取两位有效数字),图 457,(2)根据纸带算出各点的速度 v，量出下落距离 h，则以 v2,为纵轴，以 h 为横轴，画出的图线应是下图所示中的(,),答案：(1)0.79 0.31,0.32,(2)C,

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