高中物理 第七章 机械能守恒定律 第九节 实验：验证机械能守恒定律课堂探究学案 新人教版必修2.doc

第九节 实验：验证机械能守恒定律课堂探究探究一 实验注意事项1先接通电源打点，后释放纸带。2选取纸带：(1)选择开始的一段时，要验证的是mvmghn，必须保证纸带上的第一点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为hgt210(0.02)2 m2 mm。(2)选择运动中的一段时，要验证的是mvmvmghmn，这时选择纸带不需要满足前两点间距为2 mm。3计算速度时不能用vgt或v，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。4测量下落高度时，为减小实验误差，后边的点应距起点o较远，在测量各点到o点的距离时，应当用刻度尺从o点量起，一次性读出各点到o点的距离。探究二 数据处理1求瞬时速度由公式vn可以计算出重物下落h1、h2、h3的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v32守恒验证方法一：利用起始点。利用起始点和第n点计算。代入ghn和v，如果在实验误差允许的范围内，ghnv，则机械能守恒定律得到验证。方法二：任取两点。(1)任取两点a、b，测出hab，求出ghab。(2)求出a、b两点的瞬时速度，求出vv的值。(3)如果在实验误差允许的范围内，ghabvv，则机械能守恒定律得到验证。方法三：图象法。从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2-h图线。若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。探究三 误差分析1测量长度会带来偶然误差。减小偶然误差的办法：(1)测距离都应从o点测起；(2)多次测量取平均值；(3)选取的计数点应尽可能离o点远些，以减小相对误差。2重物在拖着纸带下落的过程中必然受到阻力作用，主要是打点计时器与纸带间的摩擦力以及空气的阻力。克服这些阻力做功要消耗能量，所以重物动能的增加量ek必定小于重力势能的减少量ep。这是实验设计上带来的系统误差。3打点计时器周期变化带来误差。【例1】 (实验原理及过程的理解)在验证机械能守恒定律的实验中，有同学按以下步骤进行实验操作：a用天平称出重物和夹子的质量。b固定好打点计时器，将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器。c松开纸带，接通电源，开始打点。并如此重复多次，以得到几条打点纸带。d取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点o，在距离o点较近处选择连续几个计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值。e测出各点到o点的距离，即得到重物下落的高度。f计算出mghn和mv，看两者是否相等。在以上步骤中，不必要的步骤是_；有错误或不妥的步骤是_(填写代表字母)；更正情况是_，_，_，_。点拨：对于物理实验，掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理，才能判断出实验步骤中哪些是错误的，哪些是必要的；只有亲自动手进行认真的操作，才能正确地对实验步骤按序排列。解析：本实验的目的是要验证机械能守恒定律，即比较重物在下落过程中重力势能的减少量ep与动能的增加量ek是否相等，如果操作不当或错误，就会增大重物和纸带所受阻力，导致机械能损耗过大，无法达到实验目的。为了保证实验成功和减少机械能损耗，在实验操作时应遵照注意事项，因此本题可对照实验注意事项和围绕减小误差方面进行考虑。因本实验是通过比较重力势能的减少量ep是否等于动能的增加量ek来验证机械能守恒的，不需要知道动能的具体数值，因而不需要测出重物和夹子的质量，故步骤a是多余的。有错误或不妥的步骤是b、c、d、f。原因和更正办法分别是：b中“让手尽量靠近”应改为“让重物尽量靠近打点计时器”，因打点计时器开始工作应从与重物靠近的纸带开始打点，不致留下过长的空白纸带，纸带也不宜过长，约40 cm即可。c中应先接通电源，后松开纸带。因为只有当打点计时器工作正常后再让重物下落，才可保证打第一个点时重物的初速度为零，并且使纸带上的第一个点是清晰的小点。d中应将“距离o点较近处”改为“距离o点较远处”，因为所取的各计时点应尽量是重物自由下落运动的真实记录，而打点计时器接通电源开始工作后不一定很快就能达到稳定状态，同时开始的几个点比较密集，会增加长度测量的误差。f中应改为“ghn和v”，因本实验中是通过比较重物的重力势能减少量mghn和动能增加量mv的大小来达到验证的目的，对于同一个研究对象(重物)来说，质量是一定的，故只需比较ghn和v就能达到目的。答案：见解析题后反思 做实验，要了解其目的、原理、器材及其思路，才能很好地把握过程(步骤)。无须死记硬背。【例2】 (实验数据的处理)在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50 hz，当地重力加速度的值为9.80 m/s2，测得所用重物的质量为1.0 kg。甲、乙、丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一个学生在操作上出现了问题，出现的问题是_。若按实验要求正确地选出纸带如图所示(相邻计数点的时间间隔为0.02 s)，那么：(1)纸带的_端与重物相连(填“左”或“右”)；(2)打点计时器打下计数点b时，重物的速度vb_；(3)从起点o到打下计数点b的过程中重物重力势能的减少量ep_，此过程中重物动能的增加量ek_；(4)通过计算，数值上ep_ek(填“”“”或“”)，这是因为_。(5)实验的结论是_。解析：如果重物做自由落体运动，第1、2两点间的距离应接近于0.2 cm，而丙同学的纸带上第1、2两点间的距离远大于这个值，说明重物在打第1点时已有速度，故丙同学在操作时出现的问题是先释放纸带后接通电源。(1)纸带左端相邻两点之间的距离小，故纸带左端与重物相连。(2)b点对应的速度vb0.98 m/s(3)epmghob0.49 j，ekmv0.48 j(4)epek，在实验中存在阻力，重物的重力势能不能完全转化为动能。(5)在实验误差允许的范围内，重物的机械能守恒。答案：先释放纸带后接通电源(1)左(2)0.98 m/s(3)0.49 j0.48 j(4)实验中存在阻力，重物的重力势能不能完全转化为动能(5)在误差允许的范围内，重物的机械能守恒题后反思 解答该题时千万不可认为既然机械能是守恒的，就直接将动能的增加量等于重力势能的减少量。因为该题是要求通过实验验证机械能守恒定律的，是否守恒要通过实验数据的计算来说明。【例3】 (创新实验设计)某实验小组利用如图所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，用游标卡尺测得遮光条的宽度为d，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间t。(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，利用现有器材如何判断导轨是否水平？(2)在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、_和_(用文字说明并用相应的字母表示)。(3)本实验通过比较_和_在实验误差允许的范围内相等(用测量的物理量符号表示)，从而验证了系统的机械能守恒。(4)你估计减少的重力势能和增加的动能哪个可能偏小？_。你认为造成这种偏差的原因可能是_。解析：(1)接通气源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的(或轻推滑块，滑块能做匀速直线运动)。(2)本实验中钩码减少的机械能转化为钩码和滑块的动能，所以需要测出滑块的质量m以及钩码下降的高度即滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离x。(3)此过程中钩码减少的重力势能为mgx，滑块运动到光电门时的速度v，钩码和滑块增加的动能为(mm)2，在实验误差允许的范围内，只要计算出mgx与(mm)2相等，就