2020版高中物理（新教材）人教必修第2册：(教案)实验：验证机械能守恒定律

实验：验证机械能守恒定律【教学目标】1．理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量。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。3．能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析中得出实验结论。4．能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差。【教学重点】验证机械能守恒定律的实验原理。【教学难点】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。【教学方法】探究、讲授、讨论、学生分组实验、练习。【教学过程】上节课我们学习了机械能守恒定律，掌握了机械能守恒定律的条件和公式。这节课我们通过实验来验证一下机械能守恒定律。一、实验介绍1．实验目的：验证机械能守恒定律。2．实验原理：本实验验证极其简单情形下的机械能守恒──自由落体运动（参考案例1和参考案例2同属于验证机械能守恒，本实验选取其中之一——参考案例1作分析，参考案例2依此类推）。而且，针对的是及其特殊的过程──从释放点到某位置。计量重力势能的改变时，只要测量出过程越过的高度，结合当地的重力加速度即可。计量动能改变时，启用了打点计时器──根据打出的纸带求末状态的瞬时速度（依据“匀变速运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”）。二、实验步骤1．按图安装实验器材，电源接学生电源，并将输出电压调至4~6V交流。接通电源前，用手提升纸带至重物靠近打点计时器处。图12．先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。关闭电源，取下纸带备用。3．重复步骤2次，打出3条纸带。4．取点迹清晰，且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量。在纸带上任取几个连续的点（或间隔点数相同的点）A、B、C……，如下图所示。图25．验证A点到C点过程机械能守恒的方程：根据做匀加速直线运动的物体在某一段时间t内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度可求出B点的瞬时速度。根据公式，可求出B点的瞬时速度。依此类推可求出点A、C……处的瞬时速度vA、vC……。计算物体在选定位置上动能与势能是否满足机械能守恒定律（为第一点到验证点的距离）。6．拆下器材，放回原处。三、数据处理&分析依据刚才的实验，我们采集整理以下信息：各计数点ABCDEF下落高度速度势能动能结论实验结论：在实验误差允许的范围内，重物减少的重力势能增加的动能，所以，总的机械能是。过渡：另外，我们还有一些细节问题需要特别注意，下面一起来汇总。注意事项：1．本实验中的阻力（空气阻力、纸带阻力）是客观存在的，只有当重物的重量足够大，才能确保阻力远小于重力，近似满足机械能守恒的条件。2．如果我们得到的式子是，是正常的，因为有介质阻力作负功；反之，如果得到，则说明实验有问题。3．取第一、二点间距为2mm进行数据处理的道理是：只有当振针抬起的一刻释放纸带，才会有第一、二点之间的距离为2mm，反之，如果振针运动到空中时释放纸带，则第一、二点之间的距离必然会小于2mm（因为运动时间不足0.02s）。对于第二种情形，则相当于初速度打第一点时初速度不为零（事实上是“小于”零），所以不是本实验所规定的考查过程。很显然，如果我们考查的是中途的任意两点之间的过程，则2mm的这个要求是不必要的。4．本实验不需要测量重物的质量。5．重力加速度不能取10m/s2，因为这是一个考查实际重力势能变化的问题。加速度也不能通过纸带求出，如果是这样，我们所验证的守恒关系将是一个恒等关系──从理论的角度看，本实验可以这样看：重锤的加速度从多大的程度接近重力加速度，就是过程从多大程度上满足机械能守恒定律。四、课堂小结本节课主要学习了：1．实验目的：用自由落体运动验证机械能守恒。2．纸带的选取及重物速度的测量方法。3．实验的