机械能守恒定律与动能变化实验探究：误差分析与实验方法详解

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    知识点：

    （1）关于机械能保护定律的验证实验。

    请注意，这是一个验证实验，无法用机械能直接保存结论。实验中存在错误，主要是空气阻力与极限孔和纸带之间的摩擦。该实验不需要质量测试或平衡，因为实验证明的方程是：

    MGH = 1/2MV^2

    在双方，您都可以启动M。

    如果使用图像方法（例如HV^2图像），则还必须阐明图像斜率的重要性。

    （2）关于动能变化与做工之间关系的实验探索。

    学生必须注意该实验中的教材验证方法有很大不同。有两种主要方法：（a）比较多组橡皮筋的工作和动能（该实验的误差相对较大）；

    （b）与牛顿的第二定律类似，重量托盘拉动了购物车来研究工作和动能的变化。同样，在探索实验时要注意的是，平衡摩擦 +M比M小得多。如果您不清楚，请查看有关高中物理网络中牛顿第二定律的文章。

    学生必须了解这两种方法中的实验原理和操作步骤。另外，通过通过对接计时器测量速度来计算动能的变化。

    视频教学：

    实践：

    示例1。如图1所示，两个小块A和B具有M1和M2的质量，分别与跨固定皮带轮的软绳索的两端绑定。众所周知，M1> M2，因此我们需要使用此设备进行验证。机械能保护定律。

    （1）如果选定的块A开始从固定器开始掉落到测量过程，则需要测量的物理量为。

    ①块的质量M1和M2；

    ②距离A板A的距离和落下距离所花费的时间；

    ③距B的上升距离和在此距离上增加的时间；

    ④绳索的长度。

    （2）为了提高实验结果的准确性，一群学生对此实验提出了以下建议：

    ①绳索的质量应该很轻；

    ②在“轻质绳子”的前提下，绳索越长，越好；

    ③尝试确保块仅在垂直方向上移动并且不要摇动；

    ④两个块的质量差异应尽可能小。

    在上述建议中，提高准确性的真正作用是。

    （3）编写上面未提及的有用建议，以提高实验结果的准确性：。

    分析：（1）根据实验的目的，测量本实验所需的物理量是：两个对象的质量M1和M2，落下对象或上升对象的高度H以及运动速度在相应的时刻两个对象V；因为这两个对象都从开始到静止执行均匀加速线性运动，然后

    ·T，所以有

    。因此，直接测量的物理量为：①②或①③。

    （2）有效提高实验结果准确性的建议是：①③。

    （3）其他对实验结果准确性有益的建议是：测量多次移动相同高度以获得平均值所需的时间；在承受压力后，选择具有最小相对伸长的绳索；尽可能最小化绳索和皮带轮之间的摩擦； ;最小化皮带轮和轴之间的摩擦；选择重量轻的小皮带轮；选择在A和B块中高密度的金属等。

    示例2。学生使用了实验装置，如图2所示来验证机械能保护定律。 ARC轨道的末端是水平的，从地面的高度为H。钢球是从轨道的不同高度H静止的，钢球的着陆点是从轨道末端的水平距离释放是s。

    （1）如果轨道完全平滑，则S2和H之间的理论关系应满足S2 =（用H和H表示）。

    （2）学生通过实验测量获得了一组数据，如下表所示：

    2.00

    3.00

    4.00

    5.00

    6.00

    2.62

    3.89

    5.20

    6.53

    7.78

    请在图3中的坐标纸上做

    关系图。

    （3）比较实验结果和理论计算

    图（在图中绘制），在固定高度释放的钢球的理论值的水平投掷速率（填充“小于”或“大于”）。

    （4）

    关系图中的分析表明，钢球水平投掷的速率差异非常重要。您认为上述偏差的可能原因是什么。

    分析：（1）假设钢球离开轨道末端的速度为v。如果轨道完全平滑，则

    。钢球离开轨道后，它将被平坦。

    可以获得组织：S2 = 4HH。

    （2）制作了实验数据

    关系图如图4所示。

    （3）从图4中，我们可以看到高度h是恒定的，并且平掷的水平位移S2的实际值小于理论值，因此钢球的平掷速率较小比理论价值。

    （4）钢球速度偏差的可能原因是：首先，轨道粗糙时会出现摩擦；其次，除了翻译外，钢球还必须旋转，并且旋转具有动能。因此，答案是：摩擦，转动（请回答任何合理的答案）。

    示例3。从理论分析中，弹簧弹性势能公式为

    （其中k是弹簧和X的刚度系数是弹簧的变形变量）。为了验证这一结论，学生A和B设计了以下实验：

    ①首先，他们都进行了图5a所示的实验：垂直悬挂轻巧的弹簧，在弹簧的另一端悬挂一个带有已知M的小铁球，并在稳定后测量弹簧长度。数量为d；

    ②a完成步骤①后，他进行了实验，如图5B所示：垂直固定在水平桌上，将小铁球放在弹簧上，然后垂直放在其上。带有闩锁孔的长透明塑料管，使用闩锁压缩弹簧；拔下闩锁时，弹簧确实在小铁球上起作用，使小铁球反弹。当测量弹簧的压缩量时，小铁球的最大上升是高度。

    ③完成步骤后，学生B随后进行了实验，如图8C所示。将今年春天放在光滑的水平桌子上，一端固定在垂直墙上，另一端被小球压缩以测量压缩量。当X释放后，在弹簧释放后，球从桌子上水平扔出，高度为H，水平距离为L。

    （1）学生A和B进行实验的目的是确定物理量：M，D和G表示所需的物理量：。

    （2）

    如果是正确的，则由学生A IS：x =; x =;学生B测得的物理量X和D，H和L之间的关系为：x =。

    分析：（1）目的是测量弹簧的刚度系数K。当球静止时，

    ， 可用的

    （2）学生A的实验：压缩弹簧X并将球释放到球的高度H，可以根据机械能的保护获得

    可以解决

    同学B的实验：压缩弹簧X并释放球，

    球离开桌子后，它将以速度V0进行平坦的铸造运动，

    和

    您可以获得以下三个公式

    课件：

    课程计划：

    【教学目标】

    1。知识和技能

   

    1。知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转换。

    2.了解机械能保护定律的内容；

    3。在特定问题中，我们可以确定机械能是否是保守的，我们可以列出机械能保护的方程。

    4。了解能源保护定律，并能够列出和分析生活中能量转化和保护的例子。

    2。过程和方法

    1。学会从能量转化和保护的角度来解释现象并分析问题；

    2。使用纸带和点计时器来验证机械能源的保护定律，体验物理的验证过程和研究方法。

    iii。情绪，态度和价值观

    1。通过节能的教学，学生可以建立科学观点，理解和应用自然法则，并利用它们来解决实际问题；

    2。通过实验验证，我们可以体验学习的乐趣，并激发我们对学习的兴趣；通过个人实践，我们可以建立一种科学观点，即“实践是测试真理的唯一标准”。培养学生的观察和实践能力，并培养学生从事实中寻求真理的科学态度。

    【教学重点】

    1。了解机械能保护定律的内容；

    2。在特定的问题中，可以确定机械能是否是保守的，并列出了机械能保护的方程。

    【教学困难】

    在特定问题中，有可能确定机械能是否是保守的，并列出机械能保护的方程。

    【教学过程】

    1。机械能保护定律

    教师活动：演示实验1：在下图中，使用细线，小球，带尺子的铁架表等进行实验。

    悬挂一个小球，用细线，拉小球将A指向一定高度，然后释放。在球的挥杆过程中，重力势能和动能彼此转化。我们看到，可以将球放在与点A相同的高度上的点C上，如图A所示。

    如果您使用尺子在特定点阻断细线，尽管小球不能摇摆到点，但是当它转到另一侧时，它也可以达到与点A相同的高度，如图B所示。

    问题：在这个小实验中，球的力量如何？每部力量如何完成工作？这个小实验显示什么？

    学生活动：观察并演示实验，思考问题并选择代表以表达他们的意见。

    在挥杆过程中，球受到重力和绳索的重力。张力和速度方向总是垂直的，并且没有在球上完成工作。只有重力才能在球上起作用。

    实验表明，在球的挥杆过程中，引力势能和动能在不断变化。在挥杆过程中，球总是可以返回其原始高度。可以看出，重力势能和动能的总和，即机械能，应保持不变。

    教师活动：演示实验2：如图所示，水平弹簧振动器。

    使用弹簧振动器来证明动能和弹性势能的相互转换。

    问题：这个实验中球的力量如何？每部力量如何完成工作？这个实验显示什么？

    学生活动：观察并演示实验，思考问题并选择代表以表达他们的意见。

    在往复过程中，球受到重力和杆沿垂直方向的支撑力，并在水平方向上受到弹性力。重力，支撑力和速度方向总是垂直的，并且没有在球上完成工作。只有弹簧力确实在球上起作用。

    实验表明，球的弹性势能和动能在往复运动过程中不断变化。在往复运动期间，球总是可以返回其原始位置。可以看出，弹性势能和动能的总和，即机械能，应保持不变。

    教师活动：摘要，过渡：

    通过上述分析，我们可以获得可以将动能和势能相互转化。因此，在动能和势能转化的过程中，动能和势能的总和是否真的保持不变？让我们使用实验探索这个问题。

    2。验证机械能保护定律

    在学生开始实验之前，老师应强调以下问题：

    1。在此实验中，选择要放入零件的纸带时，应注意两个点：首先，第一点O是定时的起点，而点O的速度应为零。怎么说？

    2。是否有必要测量重物的质量？

    3。设置给药计时器时应该注意什么？为什么？

    4。在实验期间，打开电源和释放纸带的顺序是多少？为什么？

    5。测量下落时，学生认为他们必须从起点开始，并且不能误解。他的意见正确吗？为了减少测量H值的相对误差，是否应该适当地远离起点，还是应该更近？

    学生活动：考虑老师的问题，讨论，交流并选择代表以表达他们的意见。

    1。由于对接计时器每0.02座停靠一次，因此在初始0.02s内的对象下降距离应为0.002m，因此，在第一点和第二点之间的纸胶带应从几个纸胶带中选择接近2mm测量;纸带上选择的点是连续的相邻点，每个相邻两个点之间的时间间隔为t = 0.02s。

    2。由于不需要在某个点上了解物体的动能和势能的特定值，因此无需测量对象的质量m，但只能验证

    去做就对了。

    3。剂量计时器必须垂直和稳定地安装，以使两个极限孔位于相同的垂直平面中，以最大程度地减少重物用纸带掉落的电阻。

    4。必须先打开电源，以便可以在释放纸带并且重物下降之前正常操作计时器。

    5。这个同学的意见是正确的。为了减少测量h值的相对误差，最好选择远离起点的每个计数点。

    教师活动：聆听学生的报告和评论，并帮助学生解决自己的困难。

    学生活动：学生进行小组实验。

    数据处理：

    阐明该实验要解决的问题，即研究动能和重力势能的转化和保护。

    在右侧的图片中，一个具有M质量的物体从点O自由落下，地面用作零势能表面。在下降过程中，任意两个点A和B的机械能是：

    ，，，，，

    如果忽略了空气电阻，则在下降过程中动能的变化等于势能的变化，则

    ea = eb，即

    以上公式也可以写为

    该公式的左侧表示物体的动能从A到B的增加，右侧表示物体从A到B的重力势能下降。

    如果实验证明方程是正确的，则意味着对象的重力势能的还原等于动能的增加。为了方便起见，您可以直接进行从O点到任何点的研究（上图中的A点）。目前，应该有：

    。其中H是从点O到点的对象的高度，而Va是点A处对象的瞬时速度。

    1。如何找到A点A的瞬时速度VA？

    根据在一定时间t中均匀加速对象的平均速度，可以计算A点A的瞬时速度VA。

    上图显示了垂直纸带实际上从下到顶部放置后的实际补丁。从点O开始，以1、2、3，S1，S2，S3，…的点为0〜2点，1〜3点，分别为2〜4点...。根据公式

    ，t = 2×0.02s（纸带上任何两个相邻点之间表示的时间为0.02s），并且可以计算每个段的平均速度。这些平均速度等于与每个点相对应的瞬时速度V1，V2，V3。

    测量0到2分之间的距离S1和此期间的平均速度

    ，这是点1处的瞬时速度v1，依此类推，我们可以找到瞬时速度v2，v3 ...在第2、3 ...处

    2。如何确定重物下落的高度？

    在上图中，H1，H2，H3 ...是纸带的高度，从点O。

    基于上述值，可以计算任何点的重力势能和动能，从而验证动能和重力势能的转化和保存。

    3。机械能保护定律的推导：

    教师活动：[多媒体显示以下物理场景]

    自由秋季运动中的机械能源

    具有质量M的对象自由落下，当通过高度H1的A点A（第一个位置）时，速度为V1，当落到B点（最新位置）高度H2时，速度为V2。

    学生活动：思考和证明

    如下图所示，让一个具有质量m的物体自由下降，当经过高度H1的点A（第一个位置）时，速度为V1，速度为V2，当跌落到B点B（最新位置）时H2。

    在自由秋季运动中，该物体仅受重力G = mg的影响，重力进行积极的工作。假设重力完成的工作是WG，则可以从动能定理中获得

    ①

   

    上面的公式表明，重力完成的工作等于动能的增加。

    另一方面，我们知道重力的工作与重力势能之间的关系。

    ②

    上面的公式表明，重力完成的工作等于重力势能的还原。

    它可以从公式①和公式②获得

    ③

    摘要：在自由秋季运动中，重力的工作量已完成，重力势能的量被转化为相等的动能。移动术语后，您可以得到它。

    或EK1+EP1 = EK2+EP2④

    上面的公式表明，在自由下落运动中，动能和重力势能的总和，即总机械能保持不变。

    老师的演讲：

    上述结论不仅是自由秋季运动的正确性，而且可以证明，在重力只能起作用的情况下，无论对象是线性运动还是弯曲运动，上述结论是正确的。

    所谓的重力仅能工作意味着一个物体仅受重力的约束，而不是其他力量，例如自由秋天运动和其他方向；或其他力量受其他力量的约束，但其他力量不执行工作，例如沿光滑的斜坡运动的物体。

    当仅重力确实起作用时，物体的动能和重力势能会相互转化，但是机械能的总量保持不变。

    该结论称为机械能保护定律。这是机械师的重要法律，也是能源保护更一般的特殊情况。

    重力势能和动能不仅可以相互转化，而且还可以弹性势能和动能相互转化。释放压缩的弹簧，然后将球与它接触。此时，弹簧的弹性力确实起作用，弹簧的弹性势能转化为球的动能。在弹性势能和动能的相互转化中，如果仅弹性力确实起作用，动能和弹性势能的总和保持不变，即保守机械能。

    【合并练习】

    1。多项选择问题

    1。在验证机械能保护定律的实验中，需要测量的是（）

    A.质量B.高度下降

    C.下落D.即时速度

    2。在下图中，物体M的机械能是保守的（不包括空气电阻）（）（）

    3。如果仅重力确实在对象上起作用，则以下正确的说明是（）

    A.重力对物体进行积极的工作，并且物体的机械能增加

    B.重力对物体确实负面工作，并且物体的机械能保持不变

    C.重力对物体进行积极的工作，并且物体的动能增加

    D.重力对物体对物体进行负面工作，并且物体的重力势能减少

    4。如图所示，球的质量为m，它从光滑的斜槽的顶部向下滑动而没有初始速度。无论空气阻力如何，它都沿着虚线轨迹降落。当球击中地面时，动能和重力势能分别为（选择斜槽）。末端切线所在的平面是参考平面）（）

    A. mg（H+H），-MGH

    B. mg（H+H），MGH

    C. MGH，0

    D. MGH，-MGH

    5。当学生进行“验证机械能保护定律”的实验时，他使用了图中所示的设备并进行了以下操作。学生的正确方法是（）

    答：平衡的重物质量

    B.使用计时器执行点时，首先释放纸带，然后打开电源

    C.用纸带清晰的纸带挑选出纸胶带，以盖章以进行测量

    D.当使用选定的纸带查找与某个点相对应的重对物的降速V时，请使用v = gt计算，其中t是从达到第一个点到达到点的时间间隔，而G是局部重力加速

    6。一个物体从高H自由掉落，而无需考虑空气阻力。当它落到一定位置时，其动能和重力势能是完全相等的（将地面作为参考平面），然后（）

    答：此时，物体的高度为H2

    B.此时，对象的速度是GH

    C.物体跌落的时间为HG

    D.目前，机械能可能小于MGH

    7。蹦极跳线的弹性蹦极绳从水面上方的高平台掉落，当它到达最低点时，它距离水面几米。假设空气阻力可以忽略不计，则可以将运动员视为颗粒。以下语句不正确（）

    答：在运动员达到最低点之前，重力势能总是会减少

    B.在蹦极绳之后的下降过程中，弹性力进行负功能，弹性势能增加。

    C.在蹦极跳过程中，系统的机械能由运动员组成，地球和蹦极绳是保守的。

    D.在蹦极跳跃过程中，重力势能的变化与重力势能零点的选择有关。

    8。如操场上所示，从高a到水面的相同长度有两个平滑的轨道。孩子A和B沿着不同的轨道自由滑动从A到B。以下语句正确（）

    答：A的切向加速度总是大于B

    B.相同高度的A和B的速度相等

    C. A和B始终可以同时达到相同的高度

    D. A到达B之前到达B

    2。非多数选择问题

    9。在“验证机械能保护定律”的实验中，一个研究小组知道，用于钻孔计时器的电源频率为50Hz，并且发现了局部重力加速度G = 98m/s2并测量了所使用的重量的质量。 1.00公斤。

    （1）以下语句是正确的。

    答：应使用平衡来称量体重

    B.您可以选择使用带有清晰痕迹的纸张，第一点和第二点之间的距离接近2mm。

    C.在操作过程中，您应该首先松开纸带，然后打开电源。

    D.剂量计时器应连接到AC电源，电压为4至6V。

    （2）在实验中，学生A，B和C使用相同的设备获得三个带有清晰点的纸带，并测量每个纸带上的第一点和第二点之间的距离为0.18厘米，0.19厘米和0.25厘米分别。 ，可以肯定的是，学生有错误的错误，并且错误是。

    （3）如果根据实验要求正确选择了纸带进行测量，则连续三个点A，B和C到第一个点O之间的距离分别为15.55厘米，19.20厘米和23.23厘米。然后，当计时器用于对接B时，重对象V =/s的瞬时速度；在从O到B的重物过程中，重力势能降低，动能增加（保留3个重要数量）。根据测量的数据，可以计算出重物掉落的实际加速度为 /s2，并且在下降过程中重物遭受的电阻为。

    10。如图所示，固定的楔形木制块的倾斜角为θ= 30°，另一侧垂直于地面。顶部有一定的皮带轮。软细线横穿固定的皮带轮，两端分别连接到块A。当连接到B时，A的质量为4M，B的质量为m。 At the , press B on the   , then let go of your hand, let A slide down along the slope and B rises. There is no   the block A and the  .  that when A  down the s  along the  , the thin line  , and find the   H of the  block B.

    回答：

    1. BD

    2. CD

    3. BC

    4. A

    5。c

    6. ABC

    7. D

    8. BD

    9. (1) BD

    (2) C first  the paper tape and then turns on the power

    (3) 1.921.881.849.50.3

    10.1.2s

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