实验：验证机械能守恒定律 学案-高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

实验：验证机械能守恒定律【学习目标】1.理解实验的设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量2.知道实验中选取测量点的有关要求，会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离，掌握测量物体运动的瞬时速度的方法【学习重难点】1．验证机械能守恒定律的实验原理。2．验证机械能守恒定律的误差分析及如何减小实验误差的方法。【预习案】单个物体机械能守恒的条件：单个物体机械能守恒的表达式：【探究案】1．实验目的：验证机械能守恒定律。2．实验器材：铁架台（带铁夹），打点计时器，重锤（带纸带夹子），纸带数条，复写纸片，导线，毫米刻度尺，低压交流电源。3．实验原理：物体只在重力作用下做自由落体运动时，物体机械能守恒，即减少的重力势能等于增加的动能。若知道自由落体物体的初位置恰好是纸带上的第一个点，物体下落高度h时速度为v,则要验证的机械能守恒的方程为：。在下落过程中，由点A到点B，则要验证的机械能守恒的方程为：或。借助于打了点的纸带测出物体下降的高度h和对应的速度，即可验证物体自由下落时机械能是否守恒。其中，测定第n点的瞬时速度的方法是：测出第n点前、后两段相等时间T内下落的距离sn、sn＋1，由公式vn＝求出，如图。4．实验步骤（1）在铁架台上安装好打点计时器，用导线接好打点计时器与低压交流电源。（2）将纸带的一端固定在重锤的夹子上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用竖直提起的纸带使重锤靠在打点计时器附近。（3）先接通电源，再放开纸带，让重锤自由下落。（4）换上新纸带，重复实验几次，得到几条打好的纸带。（5）选择点迹清晰，且第一、二两点间距离接近2mm的纸带，起始点标O，依次确定几个计数点1．2．3．…（6）用刻度尺测量下落高度h1．h2．h3．…，计算各计数点对应的重锤的瞬时速度。（7）计算各计数点对应的势能减少量和动能增加量，进行比较。从要验证的表达式看，本实验是否必须测出物体的质量？【重点难点突破】一、注意事项：1．实验中打点计时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。2．实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才松开纸带让重锤下落。3．打点计时器必须接50Hz的低压交流电源。4．手提纸带上端时，注意不要晃动，可使手臂靠在某处，保证重物下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。5．为减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远些。纸带也不宜过长，约40cm即可。6．本实验也可研究纸带上的第4点和后面的某点n之间机械能是否守恒。这时需验证mghn4＝eq\f(1,2)mv－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,4)。这样做，可以避开第一点，至于第一点的点迹是否清晰，第1．2两点间的距离是否接近2mm便无关紧要了。实验中的任何清晰的纸带都可以用来验证机械能是否守恒。二、误差分析：1．本实验的误差主要来源于纸带数据的处理，及点与点测量的读数上的误差和各种阻力产生的误差。还有必须先接通电源后放开纸带。2．实验上重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，所以动能的增加量要小于势能的减少量。3．在验证机械能守恒定律时，如果第一个点是自由落体的初位置，也可以eq\f(1,2)v2为纵轴，h为横轴，根据实验数据绘出的eq\f(1,2)v2-h图线应是过原点的直线，才能验证机械能守恒定律。eq\f(1,2)v2-h图线的斜率等于g的数值。这样处理会减小误差。【训练案】知识训练：1．（实验方法）下面列出一些实验步骤：A．用天平测出重物和夹子的质量；B．将重物系在夹子上；C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子。再把纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器；D．打点计时器接在学生电源交流输出端，把输出电压调至6V（电源不接通、交流）；E．打点计时器固定放在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上；F．在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据；G．用秒表测出重物下落的时间；H．接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带；I．切断电源；J．更换纸带，重新进行两次；K．在三条纸带中选出较好的一条；L．进行计算，得出结论，完成实验报告；M．拆下导线，整理器材。以上步骤，不必要的有，正确步骤的合理顺序是。2.关于“验证机械能守恒定律”实验的下列说法中，正确的是（）A．选用重物时，重的比轻的好B．选用重物时，体积大的比小的好C．选定重物后，要称出它的质量D．重物所受的重力，应远远大于它受的空气阻力和纸带受到打点计时器的阻力3．（实验原理的理解）在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点。该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，并记录在图中（单位：cm）。（1）这三个数据中不符合有效数字读数要求的是，应记作cm。（2）该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g＝9．80m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势能的减少量为，而动能的增加量为（均保留三位有效数字，重锤质量用m表示）。这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量动能的增加量，原因是。（3）另一位同学根据同一条纸带，同一组数据，也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，不过他数了一下，从打点计时器打下的第一个点O数起，图中的B是打点计时器打下的第9个点。因此他用vB＝gt计算跟B点对应的物体的瞬时速度，得到动能的增加量为，这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量动能的增加量，原因是。4.做“验证机械能守恒定律”的实验中，纸带上打出的点如图所示，若重物的质量为1kg，图中点O为打点计时器打出的第一个点，则从起点O到打下点B的过程中，重物的重力势能的减小量ΔEp＝J，重物的动能的增加量ΔEk＝J。（打点计时器的打点周期为0.02s，g＝9．8m/s2，小数点后面保留两位）5.阅读课本97页“参考案例二”，研究沿光滑斜面下滑物体的机械能守恒是否守恒：了解滑块在气垫导轨上滑动时，为什么可以看作沿光滑接触面运动？了解光电门的测速原理：若固定在滑块上的遮光条宽度为d，遮光时间为t，则滑块通过光电门时的速度为v=。当滑块下降高度为Δh时，写出满足的机械能守