人教課標實驗版-必修二-機械能及其守恒定律-9.實驗：驗證機械能守恒定律“黃岡賽”一等獎

《實驗:驗證機械能守恒定律》導(dǎo)學案一、學習目標1.理解實驗的思路,明確測量的物理量。2.能正確地進行實驗操作。3.會根據(jù)紙帶測定下落的距離,掌握瞬時速度測量的方法。4.能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論。二、自主探究1.本實驗的實驗?zāi)康氖峭ㄟ^研究物體下落過程中,能和能的變化來驗證。2.實驗原理:做自由落體運動的物體,設(shè)質(zhì)量為m,下落高度為h時的速度為v,則減少的重力勢能為,增加的動能為.若兩個量在誤差允許的范圍內(nèi)相等,就驗證了機械能守恒定律。3.速度的測量:做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度等于。4.本實驗中,用到的實驗器材主要有打點計時器及學生電源、、、重物、、帶鐵夾的鐵架臺、導(dǎo)線。三、合作探究（一）實驗介紹1.實驗?zāi)康?驗證機械能守恒定律。2.實驗原理:本實驗驗證自由落體運動情形下的機械能守恒。思考1:選擇重物時,選輕一點的好還是重一點的好?為什么?思考2:本實驗要不要測量垂物的質(zhì)量?3.實驗器材:鐵架臺、打點計時器、學生電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物(帶鐵夾)、毫米刻度尺等。（二）實驗步驟1.按圖安裝實驗器材,電源接4~6V學生電源.接通電源前,用手提升紙帶至重物靠近打點計時器處。2.先接通電源,再松開紙帶,讓重物自由下落.關(guān)閉電源,取下紙帶備用。3.重復(fù)步驟2兩次,打出3條紙帶。4.取點跡清晰,且第一、二點間距離接近2mm的紙帶進行測量.先將第一點記為0點,然后在紙帶上任取5個連續(xù)的點(或間隔點數(shù)相同的點),如下圖所示。5.驗證0點到2點過程機械能守恒的方程為mgh2=m()2,其中t為1點到2點(或2點到3點)之間的時間間隔,如果在誤差允許的范圍內(nèi)等式成立,實驗就是成功的.同理,可以驗證0點到3點過程、0點到4點過程的機械能是否守恒。6.拆下器材,放回原處。思考3:對于實際獲得的紙帶,如何判定紙帶上的第一個點就是紙帶剛開始下落時打下的呢?（三）數(shù)據(jù)處理與分析依據(jù)實驗,采集整理以下信息:數(shù)據(jù)序號下落高度hn/m瞬時速度vn/(m·s-1)減少的重力勢能mghn/J增加的動能/J234思考4:驗證機械能守恒時可以回避起始點嗎(即處理紙帶時可以不用到起始點嗎)?我們可以選取A、B兩點,比較它們的機械能EA和EB.若以點B為0勢能點,則有:.

數(shù)據(jù)處理:Δh/mvA/(m·s-1)vB/(m·s-1)勢能減少量Ep/J動能增加量ΔEk/J1234通過本實驗,我們可以得到的結(jié)論:.

思考5:如何測量物體的瞬時速度?探究討論:速度能不能用v=或v=gt計算?圖象法處理數(shù)據(jù):誤差分析1.偶然誤差:測量長度時會帶來誤差.2.系統(tǒng)誤差:實驗中重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點計時器的阻力)做功,故動能的增加量ΔEk必定稍小于勢能的減少量ΔEp.（四）例題分析[例1]在“驗證機械能守恒定律”的一次實驗中,質(zhì)量m=1kg的重物自由下落,在紙帶上打出一系列的點,如圖所示(相鄰計數(shù)點時間間隔為,那么:(1)紙帶的(用字母表示)端與重物相連;

(2)打點計時器打下計數(shù)點B時,物體的速度vB=;(3)從起點P到打下計數(shù)點B的過程中物體的重力勢能減少量ΔEp=,此過程中物體動能的增加量ΔEk=;(g取9.8m/s2)(4)通過計算,數(shù)值上ΔEpΔEk(選填“<”“>”或“=”),這是因為;

(5)實驗的結(jié)論是。[例2]在用打點計時器驗證物體自由下落過程中機械能守恒的實驗里,以下哪些步驟是必要的?請把它們選出,并將它們的字母代號按操作順序填在后面橫線上:。A.斷開電源,取下紙帶進行測量、記錄B.將紙帶固定在重物上,并把它穿過打點計時器,提升到一定高度C.接通電源,釋放紙帶D.用天平測出重物的質(zhì)量E.把打點計時器固定在支架上,并接在交流低壓電源兩端F.用停表測出重物下落的時間[例3]在用自由落體運動做“驗證機械能守恒定律”實驗中,用天平稱得重物的質(zhì)量為0.5kg,所用電源的頻率為50Hz,某同學通過正確的實驗操作得到了一條理想的紙帶.紙帶上打出的點如圖所示(紙帶上的O點是第一個打印點,A、B、C、D、E分別是每打兩個點的時間作為計時單位取的計數(shù)點,圖中數(shù)據(jù)單位為毫米),已知當?shù)氐闹亓铀俣葹?.8m/s2.選擇B點為初始點,D點為終點,則從打下B點到打下D點的過程中,重物的重力勢能的減少量為J,重物動能的增加量為J。四、課堂檢測1.本實驗中,除鐵架臺、夾子、低壓交流電源、紙帶和重物外,還需選用的儀器是()A.停表 B.刻度尺 C.天平 D.打點計時器2.在驗證機械能守恒定律的實驗中,由于打點計時器兩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()>mv2 <mv2=mv2 D.以上都有可能3.在驗證機械能守恒定律的實驗中,下列物理量中需要直接測量的有()A.重物的質(zhì)量 B.重力加速度C.重物下落的高度 D.與重物下落高度對應(yīng)的重物的瞬時速度4.“驗證機械能守恒定律”的實驗采用重物自由下落的方法.(1)若實驗中所用的重物質(zhì)量m=1kg,打點紙帶如圖所示,打點時間間隔為,則記錄B點時,重物的速度vB=,重物動能EkB=.從開始下落起至B點,重物的重力勢能減少量是,因此可得出的結(jié)論是.(g取9.8m/s2)

(2)根據(jù)紙帶算出相關(guān)各點速度v,量出下落距離h,則以為縱軸,以h為橫軸畫出的圖線應(yīng)是下圖中的()5.某同學做“驗證機械能守恒定律”實驗,不慎將一條選擇好的紙帶的前面一部分損壞了,剩下的一段紙帶上的各個點間的距離如圖所示(單位:cm),已知打點計時器工作頻率為50Hz,重力加速度g取9.8m/s2.(1)利用這段紙帶說明重物機械能守恒;(2)試說明重力勢能的減少量ΔEp稍大于動能的增加量ΔEk的原因,并提出改進意見。參考答案自主探究1.自由重力勢動機械能守恒定律mv23.這個點前后相鄰兩點間的平均速度4.紙帶復(fù)寫紙刻度尺合作探究一、實驗介紹思考1:我們要求重物做自由落體運動,而阻力是不可避免地存在的,為了減少阻力對實驗的影響,應(yīng)采用密度較大的重物.思考2:由mgh=mv2可得出gh=v2,所以無須測量重物的質(zhì)量.如果實驗要求計算勢能和動能的具體數(shù)據(jù),那就必須要知道重物的質(zhì)量.二、實驗步驟思考3:若第一個點為紙帶剛開始下落時打下的,則該點與相鄰點間距離滿足h=gt2=××0.022m≈2×10-3m=2mm三、數(shù)據(jù)處理與分析思考4:EkA+mgΔh=EkB通過本實驗,我們可以得到的結(jié)論:EA和EB近似相等,從而驗證機械能守恒.思考5:vB=做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度等于相鄰兩點間的平均速度.探究討論:(1)用v=這種方法是根據(jù)機械能守恒定律得到的,而我們的目的就是驗證機械能守恒定律,所以不能用.(2)v=gt這種方法認為加速度為g,由于各種摩擦阻力不可避免,所以實際加速度必將小于g,這樣將得到機械能增加的結(jié)論,有阻力作用機械能應(yīng)該是減少的,故這種方法也不能用.四、例題分析[例1](1)P解析:與重物相連的紙帶一端應(yīng)該先打出點,先打出點的速度較小,從紙帶圖上可以看出是P點.(2)0.98m/s(3)J(4)>有機械能損失(5)在誤差允許范圍內(nèi),重物下落時機械能守恒[例2]EBCA[例3]課堂檢測4.解析:(1)由vB=,ΔEkB=,ΔEpB=mghOB得:vB=0.59m/s,ΔEkB≈,ΔEpB≈.在實驗誤差允許的范圍內(nèi),重物動能的增加等于重物重力勢能的減少.(2)由mv2=mgh,得v2=gh,所以h的圖象應(yīng)是一條過原點的傾斜的直線,直線斜率等于g,故C圖正確.答案:(1)0.59m/s在實驗誤差允許的范圍內(nèi),重物動能的增加等于重物重力勢能的減少(2)C5.解析:(1)利用平均速度等于這段時間中點時刻的瞬時速度的公式,可求出v