資源簡介

(共29張PPT)
第五節 科學驗證:機械能守恒定律
高中物理魯科版（2019）必修第二冊
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第一章 功和機械能
CONTENTS
1.能在熟悉的問題情境中運用機械能守恒定律解決問題。
2.建構物理模型，會分析機械能守恒的條件；
3.能從機械能守恒的角度分析動力學問題，通過推理，獲得結論；
4.能用與機械能守恒定律等相關的證據說明結論；
5.能從不同視角解決動力學問題。
素養目標
新課導入
過山車在最高點無動力釋放后，會沿著軌道下滑、爬升、翻轉，速度時快時慢，驚險刺激過山車在運行過程中既有重力勢能，又有動能。高度減小時，重力勢能減小，動能增大；高度增大時，重力勢能增大，動能減小。
物體沿光滑斜面下滑
v
水由高處自由落下
運動員撐桿跳
圖內運動，動能和勢能之間可以相互轉化，在此過程中，是否會有一個量保持不變？
新課講解
New lesson explanation
新課講解
1.概念：運動的物體往往既有動能又有勢能，物體的動能與重力勢能、彈性勢能之和稱為機械能。 用符號 E 表示。
機械能(E)
勢能 (EP)
動能 (Ek)
彈性勢能
重力勢能
2.表達式：
3.機械能是標量，具有相對性
①一般選地面為參考系
②確定零勢能參考平面---重力勢能通常選地面為零、彈性勢能通常選原長為零勢能
新課講解
動能和勢能之間可以互相轉化
在物體運動過程中，不同形式的能量常會相互轉化。
例如，射箭時，弓的彈性勢能減小，箭的動能增大：蹦極時，重力勢能會轉化為動能和彈性勢能等。
大量事實表明，物體的機械能可從一種形式轉化為另一種形式下面，我們先從理論上研究只有重力勢能與動能發生轉化時能量遵循的規律。
動能與勢能之間相互轉化，那總機械能有什么特點？
新課講解
大量研究結果表明，在只有重力或彈力這類力做功的情況下，物體系統的動能與勢能相互轉化，機械能的總量保持不變。這個結論稱為機械能守恒定律 。
事實上，并非只有動能和勢能可以相互轉化，任何形式的能量都可以相互轉化，但總能量保持不變這就是更普遍的能量守恒定律。
1.條件：只有重力做功或彈力做功的物體系統內：
①不受其他力的作用；
②受其他力，但其他力不做功(或者其他力做功代數和為零).則該系統的機械能守恒.
新課講解
只受重力作用
h1
h2
1
2
h
V1
V2
做自由落體運動的小球
根據動能定理可知，重力做的功等于小球下落過程中動能的增加量，即
由重力做功與重力勢能改變的關系可知，重力做的功等于小球下落過程中重力勢能的減少量，即
WG＝mgh1－mgh2
由以上兩式可得
即在小球自由下落的過程中，動能的增加量等于重力勢能的減少量，說明重力對小球做了多少功，就有多少重力勢能轉化為等量的動能。
即
Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep2
新課講解
思考：兩個式子的含義？
動能增加
△EK
重力勢能減少
△EP
初態機械能
E1
末態機械能
E2
物體只受重力作用，動能和重力勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變。
2.表達式：（1）EK2+EP2=EK1+EP1 即E2=E1
（2）ΔEk=-ΔEp 或 ΔEk增＝ΔEp減
機械能守恒觀點
能量轉化觀點
新課講解
1.實驗原理：
物體自由下落時，如果不計空氣阻力，這時物體的機械能守恒，也就是重力勢能的減少等于動能的增加。
具體地說：
方法一：若以重物下落的起始點O為基準，設重物的質量為m，測出物體自起始點O下落距離h時的速度v，則在誤差允許范圍內，由計算得出 機械能守恒定律即被驗證。
h
v
新課講解
如圖所示，若要驗證O（重物下落的起點）點到B點機械能是否守恒需要測量哪些物理量？
？
=
h
h2
h1
O
A
B
C
？
=
需要測量起點O到A、B、C三點的距離h1、h、h2
？
=
方法二：若以重物下落過程中的某一點A為基準，設重物的質量為m，測出物體對應于A點的速度vA 再測出物體由A點下落Δh后經過B點的速度vB 則在誤差允許范圍內，由計算得出 機械能守恒定律即被驗證。
新課講解
方法三：作v2/2－h圖像．
從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的v2/2，然后以v2/2為縱軸，以h為橫軸，根據實驗數據繪出v2/2－h圖線．
結論：若在誤差允許的范圍內，圖像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．
O
h
？
=
該圖像的斜率表示什么？
新課講解
2.實驗器材：
鐵架臺、打點計時器、交流電源、紙帶、重物、天平、砝碼、刻度尺。
3.實驗步驟：
1.把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導線將學生電源和打點計時器接好。
2.把紙帶的一端用夾子固定在重錘上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶，使重錘停靠在打點計時器附近。
3.接通電源，待計時器打點穩定后再松開紙帶，讓重錘自由下落，打點計時器應該在紙帶上打出一系列的點。
4.重復上一步的過程，打三到五條紙帶。
新課講解
5.選擇一條點跡清晰且第l、2點間距離接近2mm的紙帶，在起始點標上0，以后各點依次為1、2、3……用刻度尺測量對應下落的高h1、h2、h3、……記入表格中。
各計數點 l 2 3 4 5 6
下落高度
速度
勢能
動能
結論
6.用公式vn=hn+1+hn-1/2t，計算出各點的瞬時速度v1、v2、v3……并記錄在表格中。
7.計算各點的重力勢能的減少量mgh和動能的增加量1/2mvn2，并進行比較．看是否相等，將數值填入表格內。
新課講解
4.注意事項
（1）實驗中打點記時器的安裝，兩紙帶限位孔必須在同一豎直線上，以減少摩擦力。
（2）實驗時，必須先接通電源，讓打點記時器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落。
（3）打點記時器必須接50Hz交流低壓電源。
（4）為了減小重物在下降過程中空氣阻力的影響，應選擇質量大、體積小的重物。
5.實驗結論：誤差允許的范圍內，自由下落的物體機械能守恒。
新課講解
用機械能守恒定律解決問題的基本思路
1．選取研究對象——物體系統．
2．根據研究對象所經歷的物理過程．進行受力、做功分析，判斷機械能是否守恒．
3．恰當地選取參考平面，確定研究對象在過程的初、末狀態時的機械能．
4．根據機械能守恒定律列方程，進行求解并討論解的準確性．
經典例題
Classic Example
經典例題
例1 下列實例中哪些情況機械能是守恒的
跳傘員利用降落傘在空中勻速下落
光滑水平面上運動的小球，把彈簧壓縮后又被彈回來。
v
拋出的籃球在空中運動（不計阻力）
不守恒
守恒
守恒
經典例題
例2 下列實例中哪些情況機械能是守恒的
不守恒
守恒
用繩拉著一個物體沿著光滑的斜面勻速上升
輕彈簧拴一小球在豎直方向做往復運動
經典例題
例3 把一個小球用細線懸掛起來，就成為一個擺，設實驗中的小球的擺長為l，最大偏角為θ．忽略一切阻力，小球運動到最低位置時的速度是多大
解：小球在擺動過程中，只有重力做功，機械能守恒.
選擇小球在最低位置時所在的水平面為參考平面.
小球在最高點A時為初狀態的機械能：Ek1+Ep1=mg(l-lcosθ)
小球在最低點O時為末狀態的機械能為： Ek2+Ep2=1/2mv2
根據機械能守恒定律有 ： Ek2+Ep2=Ek1+Ep1
討論：結果與生活經驗是否一致？
課堂練習
Classroom Practice
課堂練習
1. 請撰寫“驗證機械能守恒定律”的實驗報告，注意在報告中呈現設計的表格及數據分析過程。
2. （多選）下列說法正確的是 ( )
A. 物體的機械能守恒時，一定只受重力作用
B. 物體處于平衡狀態時，機械能一定守恒
C. 物體除受重力外，還受其他力時，機械能也可能守恒
D. 物體的重力勢能和動能之和增大時，必有重力以外的力對其做功
C、D
課堂練習
3．某位同學做“驗證機械能守恒定律”的實驗，下列操作步驟中錯誤的是（ ）
A.把打點計時器固定在鐵架臺上，用導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，重復實驗，根據記錄處理數據
C
課堂練習
4. 在水平地面以 20 /s 的速度將一物體堅直上拋。若以水平地面為零勢能參考平面，忽略空氣阻力，取重力加速度 g＝10 m/s2，求：
(1) 物體上升的最大高度；
(2) 物體在上升過程中其重力勢能和動能相等的位置距地面的高度。
課堂練習
課堂練習
5．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，質量m＝1 kg的重物自由下落，在紙帶上打出一系列的點，如圖所示(相鄰兩計數點時間間隔為0.02 s)，單位cm，那么
(1)紙帶的________端與重物相連；
(2)打點計時器打下計數點B時，重物的速度vB＝________；
(3)從起點O到打下計數點B的過程中重物重力勢能減少量是ΔEp＝____ J，此過程中重物動能的增加量ΔEk＝______ J(g取9.8 m/s2)；
(4)通過計算，數值上ΔEp ________ΔEk(選填“>”“＝”或“<”)，這是因為__________________________________________。
課堂練習
感謝觀看
THANK YOU

展開更多......

收起↑