驗證機械能守恒實驗教學(xué)設(shè)計

1、驗證機械能守恒實驗教學(xué)設(shè)計實驗?zāi)康暮驮?（開門見山教師直接引出）該實驗的目的是驗證物體只有重力做功時，機械能守恒.當(dāng)物體做自由落體運動時,只有重力做功,增加的動能應(yīng)等于減少的重力勢能,即驗證|Ek|=|Ep|.mv2=mgh.實驗裝置及要求實驗裝置，因?qū)嶒炛幸獪y重錘下落的高度h和下落過程中的速度v,故采用“留跡法”記錄下重錘下落過程中的各個位置，打點計時器、紙帶等裝置作用即在此,因該實驗中比較的是重錘自由落下一定高度時的Ek和Ep的大小關(guān)系,因而需要記下重錘下落的初始位置.實驗時先用手提著紙帶,使重物靜止在靠近打點計時器的地方,然后給打點計時器接通電源,待振動穩(wěn)定時再為使實驗原理更簡單,讓振

2、針打第一個計數(shù)點的初速度為零，須挑選紙帶上第一、二兩點間的距離接近2 mm,使Ek= mv2-0,在紙帶上記下該點的位置O，并在紙帶上從離位置O較遠處開始依次選取幾個連續(xù)的點1、2、3并用刻度尺依次測出各點到位置O的距離.如圖6-5-2所示，這些距離就是重錘從靜止開始運動到點1、2、3時下落的高度h1、h2、h3利用勻變速直線運動的物體中間時刻的瞬時速度等于該段時間內(nèi)的平均速度求出各點對應(yīng)的重錘速度vn= ，比較重錘下落各不同高度時增加的動能 mvn2和減少的重力勢能mghn是否相等，從而驗證機械能是否守恒.  誤差分析：因重錘自由下落時忽略阻力作用，所以在實驗中應(yīng)盡量減小由于紙帶的

3、阻力產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差.實驗中，應(yīng)選用密度較大些的重錘以減小空氣對紙帶的阻力，打點計時器應(yīng)豎直架穩(wěn)固定,紙帶豎直拿高以減小限位孔對紙帶的阻力，復(fù)寫紙應(yīng)放在紙帶的上面使振針間接接觸紙帶,以減小振針對紙帶的阻力，有條件的最好選用電火花計時器.另外g要取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，若未指?則g取9.8 m/s2.由于測量長度帶來的是偶然誤差，減小該誤差的辦法是在測量下落高度時，一是選取的各計數(shù)點要離起始點O遠些，可減小由于測物體下落高度h帶來的相對誤差；二是多測幾次取平均值.注意事項1.由于 mvn2=mghn式中都含有m，因此本實驗中不需要測重錘的質(zhì)量m. （學(xué)生討論得出）2.實驗時，需保持提紙帶的手不動，待

4、接通電源，讓打點計時器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個點是一個清晰的小點.（實驗過程中始終堅持新課程標(biāo)準(zhǔn)要求,注重過程,培養(yǎng)學(xué)生思考能力）3.因重物自由下落時的加速度較大，每兩個計數(shù)點間的時間間隔不一定取連打5個點的時間間隔為計時單位. （可以設(shè)問是否一定要取連打5個點的時間間隔為計時單位呢）重點、難點、疑點剖析【例1】 在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，所用電源的頻率為50 Hz，某同學(xué)選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測量各計數(shù)點對應(yīng)刻度尺上的讀數(shù)如課本圖6-5-3所示.(圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D、E分別是每打兩個點取出的計數(shù)根據(jù)紙帶要求計算：（教師演算,

5、解答.）(1)若重錘的質(zhì)量為m，則重錘從開始下落到打B點時，減少的重力勢能是多少?(2)重錘下落到打B點時增加的動能為多大?(3)從上述數(shù)據(jù)可得出什么結(jié)論?解析:(1)重錘從開始下落到打B點時減少的重力勢能為：Ep減=mgh=mg =9.8×0.195 0m J=1.911m J.(2)重錘下落到打B點時的速度為vB=(sAB+sBC)/2T=(0.280 5-0.125 0)/(2×0.04) m/s=1.943 8 m/s則物體從開始下落到打B點增加的動能為Ek增=mvB2/2=(1.943 8)2m/2 J=  1.889m J.(3)在實驗誤差允許的范圍內(nèi)

6、重錘重力勢能的減少量等于其動能的增加量，故重錘機械能守恒. （這一步可以在學(xué)生討論后給出.）歸納: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(打點計時器對紙帶的摩擦阻力,空氣阻力等),重錘克服阻力做功要損失一部分機械能. （此過程可以叫學(xué)生們自己討論）變式實驗（啟發(fā)學(xué)生自行設(shè)計另外一種方案驗證機械能守恒定律.）【例2】 利用課本圖6-5-4所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗，按正確的實驗操作得到幾條紙帶.一位同學(xué)選取了一條頭兩點間的距離明顯小于2 mm的紙帶進行標(biāo)點（標(biāo)出0、1、2、3各實際點跡），測出各點與0點的高度差h1、h2、h3那么能否用它正確計算

7、比較點n位置處的動能與重力勢能的對應(yīng)關(guān)系（n2,3，4），即能否驗證 mvn2=mghn？為什么？若不能驗證，則應(yīng)如何解析:實驗時先接通電源,在紙帶上記下初始位置，然后放開紙帶.最理想的情況是在振針剛好打在紙帶上的一瞬間釋放紙帶，紙帶上的頭兩點的間隔就是自由落體在第一個0.02 s內(nèi)下落的位移，即h1= gt2= ×9.8×(0.02)2 m=1.96 mm2 mm.但這種情況很少，通常是在振針兩次敲擊紙帶之間的某個時刻松手，雖重錘做自由落體，但頭兩點間的距離h1所經(jīng)歷的時間小于0.02 s，所以h12 mm，即等效為振針打首點的速度不為零，不能驗證 mvn2=mghn.故首點不能從第0點開始，如從第3點開始到n點之間的紙帶也能驗證機械能是否守恒，即只要驗證 mvn2- mv32=mg(hn-h3)  即可.歸納:（1）實驗時，需保持提紙帶的手不動，待接通電源，讓打點計時器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個點是一個清晰的小點.挑選第一、二兩點間的距離接近2 mm的紙帶，這樣一條紙帶記錄的運動才接近自由落體運動.（2）本實驗中還可以用圖線的方法驗證，