《8.5实验：验证机械能守恒定律》教学设计、导学案同步练习

12/12《8.5实验：验证机械能守恒定律》教学设计【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．实验的误差来源及注意事项。希望同学们课后将整个流程温习一遍后再认真回忆一下实验注意事项，毕竟，细节决定成败。五、作业布置1．完成实验报告；2．教材“练习与应用”第1、2题。《8.5实验：验证机械能守恒定律》导学案【学习目标】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。【学习重点】验证机械能守恒定律的实验原理。【学习难点】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。【新知探究】一、自主学习1．必须选择一个符合机械能守恒的运动模型来验证机械能守恒定律，本实验选择自由落体运动模型来验证机械能守恒定律，是因为物体在自由落体运动过程中只____做功，满足____________。2．按照书本要求，本实验是验证自由落体轨迹上开始点和其后任意点的机械能守恒，为此必须选择物体初速度为_______，判断开始点是否满足要求的依据是_____________，为了计算物体减少的重力势能，必须测量出物体__________________，对应的测量器材是___________。为了计算出某点时刻物体的动能，必须测量出物体在该时刻的瞬时速度，其计算公式为__________________，这是利用了什么原理？_________________。为了计算物体的动能和重力势能，按理还需要知道物体的质量，但本实验中可以不测物体的质量，其原因是_______。3．实验操作过程中，是先接通电源开始打点还是先放开纸带？为什么？_______。4．为了减小实验误差，应尽量减小重物下落时纸带所受的阻力。因此物体应选______（填重、轻），纸带应_______放置。尽管采取了上述措施，但由于阻力还是存在的，所以实验中重力势能的减小量应______动能的增加量，这样才是符合实际的。二、合作学习例题：在《验证机械能守恒定律》的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，测得当地的重力加速度g=9.8m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg，实验中得到一点迹清晰的纸带（如图），把第一点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D到0点的距离分别为62.99cm，70.18cm，77.76cm，85.73cm，根据以上的数据，可知重物由0运动到C点，重力势能的减小量等于_______J，动能的增加量等于_______J。（取三位有效数字）解析重物从O点到C点下落高度h=0.7776m，△WP=mgh=1.00×9.8×0.7776J=7.62J计算相应过程的动能增加量应先计算出C点的瞬时速度vc，由图可知：vc=xBD/2t=（0.8537-0.7018）/（2×0.02）=3.898（m/s）故ΔEk=mvc2/2=1.00×3.8982/2J=7.56J拓展有些认为动能增加量可以根据机械能守恒得到△Ek=0.762J，这样做犯了逻辑错误，因为实验目的就是要验证机械能是否守恒，验证过程中当然不能利用机械能守恒的结论。且实验中不可避免存在阻力，动能增加量不等于重力势能的减小量。【学习小结】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．实验的误差来源及注意事项。【精练反馈】1．在本实验中，对自由下落的重物，下述选择的条件哪种更为有利？（D）A．只要有足够重就可以B．只要体积足够小就可以C．既要足够重，又要体积非常小D．应该密度大些，还应便于夹紧纸带，使纸带随同运动时不致扭曲2．在本实验中，有如下器材：A．打点计时器；B．低压交流电源（附导线）；C．天平（附砝码）；D．铁架台（附夹子）；E．重锤（附夹子）；F．纸带；G．秒表；H．复写纸。其中不必要的有________________；还缺少的是________________。C，G；刻度尺，电键3．下列列出一些实验步骤：A．用天平称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，让夹子静止在靠近打点计时器处。D．把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6V（电源不接通）。E．把打点计时器用铁夹子固定到放在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一直线上。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实验。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。对于本实验以上步骤中，不必要的有_________；正确步骤的合理顺序是：________（填写代表字母）A，G；EDBCHIJMKFL4．本实验中，设在选定的纸带上依次把点子记为1，2，3，……等计数点，如图，纸带上所打点，记录了物体在不同时刻的_________，当打点计时器打点“4”时，物体动能的表达式应该是__________；若以计数点1为参考点，当打第4点时物体的机械能的表达式为______________（打点计时器的打点周期为T）。《8.5实验：验证机械能守恒定律》分层作业【基础巩固】1.(多选)某同学利用自由落体运动做验证机械能守恒定律的实验,下列操作步骤正确的是 ()A.把电磁打点计时器固定在铁架台上,并用导线连接到低压交变电源上B.将连有重物的纸带穿过限位孔,将纸带和重物提升到一定高度C.先释放纸带,再接通电源D.更换纸带,重复实验,根据记录处理数据答案:ABD2.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,下列说法或做法正确的是 ()A.必须用停表测重物下落的时间B.选用质量小的重物可减小实验误差C.实验时必须先用天平测出重物的质量D.实验中不能用公式v=2gh求下落高度答案:D3.(多选)在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,较为理想的纸带具备的特点是 ()A.点迹小而清晰B.点迹粗长C.第一、二点间的距离接近2mmD.纸带长度较长(80~100cm)答案:AC4.现有4条用打点计时器(电源频率为50Hz)打出的纸带,其中一条是做验证机械能守恒定律实验时打出的.为找出该纸带,某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点,用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为x1、x2、x3.已知当地的重力加速度为9.791m/s2.请你根据下列x1、x2、x3的测量结果确定该纸带为 ()A.61.0mm、65.8mm、70.7mmB.41.2mm、45.1mm、53.0mmC.49.6mm、53.5mm、57.3mmD.60.5mm、61.0mm、60.6mm答案:C5.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中:(1)从下列器材中选出实验所必需的,其编号为.A.打点计时器(含纸带)B.重物C.天平 D.毫米刻度尺E.停表 F.运动小车(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为0,应.A.先接通电源,再释放纸带B.先释放纸带,再接通电源(3)下列说法正确的是.A.实验中用打点计时器时,一定用到低压直流电源B.选用重物时,同样大小、形状的重物选重一点的比较好C.要选用第1、2两点间的距离接近2mm的纸带D.实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量解析:(1)打点计时器(含纸带)、重物是必需的,为了测量计数点间的距离,需要刻度尺;实验通过比较mgh、12mv2的大小关系得出结论,而m可约去,所以不需要测出重物的质量,不需要用天平;打点计时器本身可以计算时间,所以不需要停表;实验用的是重物,不需要运动小车(2)开始实验时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放纸带,以保证重物下落的初速度为0.(3)电火花计时器不用低压电源,电磁打点计时器用低压交变电源,选项A错误;为了减小空气阻力的影响,在选择重物时,要选择密度大的,即选择质量大体积小的重物,选项B正确;由公式h=12gt2可知,若开始第1、2两点间的距离约为2mm,则打第1个点时的速度约为0,这样只需比较gh、12v2答案:(1)ABD(2)A(3)BCD【拓展提高】6.某同学利用竖直上抛的小球的频闪照片验证机械能守恒定律.频闪仪每隔0.05s闪光一次,图中所标数据为实际距离,该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表.当地重力加速度g取9.8m/s2,小球质量m=0.2kg,结果保留三位有效数字.时刻t2t3t4t5速度/(m·s-1)5.595.084.58(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5=m/s.(2)从t2到t5时间内,重力势能增加量ΔEp=J,动能减少量ΔEk=J.(3)在误差允许的范围内,若ΔEp与ΔEk近似相等,从而验证了机械能守恒定律.由上述计算得ΔEp(选填“>”“<”或“=”)ΔEk,造成这种结果的主要原因是.解析:(1)v5=19.14+21.660.(2)由题给条件知,h25=(26.68+24.16+21.66)cm=0.725m.ΔEp=mgh25=1.42J,ΔEk=12mv22-12mv(3)由(2)中知ΔEp<ΔEk,因为存在空气阻力,所以重力势能的增加量小于动能的减少量.答案:(1)4.08(2)1.421.46(3)<存在空气阻力7.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.用刻度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Δt.(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平,接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块能保持状态,则说明导轨是水平的;轻推滑块,若滑块能做运动,也说明导轨是水平的.(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)本实验要比较和的大小,若在实验误差允许的范围内二者近似相等,则系统的机械能守恒.(用测量的物理量符号表示)(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,若滑块能保持静止状态,则说明导轨是水平的;轻推滑块,若滑块能做匀速直线运动,也说明导轨是水平的.(2)本实验中钩码减少的重力势能转化为钩码和滑块的动能,所以还需要测出滑块的质量m0以及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=dΔt,钩码和滑块增加的动能为12(m+m0)dΔt2.若在实验误差允许的范围内,mgx与12(m(4)运动过程中存在摩擦力,定滑轮也有质量,所以钩码减少的重力势能一方面转化为系统(包括定滑轮)的动能,另一方面要克服摩擦力做功