人教版高中物理必修2第七章機械能守恒定律9.實驗：驗證機械能守恒定律教案(5)

1、*“戰(zhàn)戰(zhàn)*實驗六驗證機械能守恒定律點基礎(chǔ)點重難點基礎(chǔ)點1 .實驗裝置圖打點”時器一紙帶2 .實驗?zāi)康尿炞C機械能守恒定律。3 .實驗原理通過實驗，求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應(yīng)過程動能的增加量，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。4 .實驗器材打點計時器、電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(帶鐵夾)、導(dǎo)線兩根。5 .實驗步驟(1)安裝器材：將打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線將打點計時器與低壓電源相連。(2)打紙帶用手豎直提起紙帶， 使重物?？吭诖螯c計時器下方附近， 先接通電源，再松開紙帶，讓 重物自由下落，打點計時器就在紙帶上打出一系列的點， 取下紙帶，換上

2、新的紙帶重打幾條 (35條)紙帶。(3)選紙帶：分兩種情況說明若選第1點O到下落到某一點的過程，即用mgl ；mV來驗證，應(yīng)選點跡清晰，且1、2兩點間距離小于或接近 2 mm的紙帶。_101用2mv! 2mM= mgA h驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙巾時選擇適當?shù)狞c為基準點，這樣紙帶上打出的第1、2兩點間的距離是否小于或接近2 mm就無關(guān)緊要了。6 .實驗結(jié)論在誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體運動過程機械能守恒。10重難點一、數(shù)據(jù)處理1.求瞬時速度在第一個打點上標出 Q并從稍靠后的某一點開始，依次標出1、2、3、4、并量出各 hn+1 hn 1 一.、 點到位置O的距離hl、hl2、hl3、

3、hl4、。用公式Vn= 2T計算出各點對應(yīng)的瞬時速度 V1、V2、V3、 V4、。2.驗證守恒法一：利用起始點和第n點計算。代入 ghn和2v2,如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，ghn1c = 2v2,則說明機械能守恒定律是正確的。法二：任取兩點計算（1）任取兩點A、B測出hAB,算出ghABo（2）算出2vB 2vA的值。 1.1.（3）如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，ghAB= 2vB-vA,則說明機械能守恒定律是正確的。法三：圖象法。從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h,并計算c1c 1c各點速度的平方V2,然后以理2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出 5v2-h圖線。若在誤

4、差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律。二、誤差分析減小方法（1）測后距離時應(yīng)從計數(shù)點0量起. 且選取的計數(shù)點離0點遠些（2）多次測量取平均值（1）打點計時器安裝穩(wěn)固,并使兩限 位孔在同塔直線上,以減小摩擦 阻力（2）選用質(zhì)量大、體積小的物體作重 物，以減小空氣阻力的影響三、注意事項1 .打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上，打點計時器平面與紙帶限位孔調(diào)整在豎直方溟差偶然誤差系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因測量長度帶 來的識差重物和紙帶 下落過程中 存在阻力向，以減小摩擦阻力。2 .應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以 減小體積，可使空氣阻力減小

5、。3 .實驗中，需保持提紙帶的手不動，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點計時器工作 穩(wěn)定后，再松開紙帶。4 .測下落高度時，若采用法一、法三，要從第一個打點測起，并且挑選1、2間距離為2 mm的紙帶，并且各點對應(yīng)的下落高度要一次測量完。若采用法二則不受此限制，但無論哪種方法紙帶長度選用 60 cm左右為宜，應(yīng)選用點跡清晰的紙帶進行測量。.一 1 0, 1 01 05 .如果不測出物體質(zhì)重時，只需驗證 2Vn= ghn或VB VA= g A hAB也可以驗證機械能寸 恒定律。6 .速度不能用Vn = gtn或Vn=j2ghn計算,因為只要認為加速度為g,機械能當然守恒，即相當于用機械能守恒定律驗證

6、機械能守恒定律，況且用Vn= gtn計算出的速度比實際值大，會得出機械能增加的結(jié)論，而因為摩擦阻力的影響， 機械能應(yīng)該減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計算。同樣的道理，重物下落的高度h,也只能用刻度尺直接測量，而不能用hn1 2 , V2 一 I ,= Rtn或柞=丁計算得到。2 2g四、實驗改進1 .物體的速度可以用光電計時器測量，以減小由于測量和計算帶來的誤差。2 .整個實驗裝置可以放在真空的環(huán)境中操作，如用牛頓管和頻閃照相進行驗證，以消 除由于空氣阻力作用而帶來的誤差。3 .可以利用氣墊導(dǎo)軌來設(shè)計該實驗，以減小由于摩擦帶來的誤差。4 .為防止重物被釋放時的初速度不為零，可將裝置改成如圖所

7、示形式，剪斷紙帶最上 端，讓重物從靜止開始下落。夾子打點計時器一紙帶亡L夾子3-垂物二法命題法解題法總考法綜述對驗證機械能守恒定律實驗的考查，從近幾年的高考題看，更多的題目還是以機械能守恒定律的典型模型為背景進行設(shè)計創(chuàng)新來考查實驗?zāi)芰ΑＴO(shè)計雖“萬變”但“不離其宗”，實驗的原理、方法等與教材已有的實驗基本是相通的，要注意遷移應(yīng) 用。所以復(fù)習(xí)本實驗時要注意掌握：3種方法一一驗證守恒的三種方法1個速度一一物體的速度 v的求解1種遷移一一實驗原理的遷移命題法1實驗數(shù)據(jù)的處理典例1某同學(xué)利用如圖（甲）所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律?；⌒诬壍滥┒怂剑x地面的高度為 H將鋼球從軌道的不同高度 h處由靜止

8、釋放，鋼球的落點距軌道末端 的水平距離為X。（1）若軌道完全光滑，x2與h的理論關(guān)系應(yīng)滿足 x2=。（用H h表示）（2）該同學(xué)經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)如表所示，請在圖（乙）所示的坐標紙上作出 X2- h關(guān)系圖。h(10 1 m)2.003.004.005.006.00x2(10 1 m2)2.623.895.206.537.78（乙（3）對比實驗結(jié)果與理論計算得到的x2-h關(guān)系圖象（圖中已畫出）。自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率 （選填“小于”或“大于”）理論值。答案（1）4 Hh （2）見解析圖 （3）小于12、一，一一解析(1)軌道光滑時，鋼球滑動過程中機械能守恒，則 mV=mgh

9、鋼球離開軌道后做平拋運動，則 x=V0t, H= 2gt2,聯(lián)立各式解得 x2=4Hhu(2)由實驗數(shù)據(jù)作出的x2-h關(guān)系圖線如圖所示(3)由圖可以看出，同一個 h值，對應(yīng)的x2值比理論值小，說明鋼球平拋的速率小于理 論值。感 I【解題法】實驗數(shù)據(jù)處理的方法在用不同實驗裝置“驗證機械能守恒定律”的實驗中，處理實驗數(shù)據(jù)一般有以下方法：(1)利用物體運動的信息，確定某一過程中物體(或系統(tǒng))增加的動能與減少的勢能的數(shù)值關(guān)系驗證。(2)由實驗數(shù)據(jù)作出某兩物理量間的關(guān)系圖象，與假設(shè)機械能守恒時兩物理量間的關(guān)系 圖象進行對比加以驗證。命題法2 實驗原理、操作典例2用如圖甲所示的實驗裝置驗證質(zhì)量分別為m、m

10、的物體組成的系統(tǒng)機械能守恒。當物體m從高處由靜止開始下落時，m下方拖著的紙帶上打出一系列的點，對紙帶上的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律。如圖乙所示是實驗中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個點，每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點未畫出，計數(shù)點間的距離如圖中所示。已知 m=50 g , m=150 g 。 (g取10 m/s2,結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖甲) 012 3456單位：cm/ff* * ( 4* * 384)21.6()26,40圖乙(1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟A.按照圖甲所示的裝置安裝器件B.將打點計時器接到直流電源上C.先釋放m2,再接通電源打出一條紙帶D.測量紙帶上某些點間的距

11、離E.根據(jù)測量的結(jié)果，分別計算系統(tǒng)減少的重力勢能和增加的動能其中操作不當?shù)牟襟E是：(填選項對應(yīng)的字母)；(2)在紙帶上打下計數(shù)點 5時物體的速度v =m/s ;(3)在打點。5的過程中系統(tǒng)動能的增加量& =J ,系統(tǒng)重力勢能的減少量AE，= J , 由 此 得 出 的 結(jié) 論 是 ,(4)若某同學(xué)作出1v2-h的圖象如圖丙所示，則計算重力加速度 g的表達式為 當?shù)氐膶嶋H重力加速度 g =m/s2。答案(1)BC(2)2.4(3)0.580.60 在誤差允許的范圍內(nèi),mi、m2組成的系統(tǒng)機械能守恒9.7mi+ mi2(4)v2h m2- m解析(1)應(yīng)將打點計時器接到交流電源上，B錯誤；應(yīng)先接通

12、電源，待打點計時器穩(wěn)定工作后再釋放 m2, C錯誤。(2)在紙帶上打下計數(shù)點 5時物體的速度為21.60 +26.402X0.1, . . 2 一 ，X 10 m/s =2.4 m/s(3)系統(tǒng)動能的增加量A E = g( m+mi) v2= 0.58 J ,系統(tǒng)重力勢能的減少量A&=(m m)gh= 0.60 J ,因此可得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，m、mi組成的系統(tǒng)機械能守恒。(4)因為1(mi+mi)v2= (m2mn)gh,整理得 g = 7 警 ？ v2,整理也可得到 v2 = 22h m2 11112mi ,m-gh,所以1v2- h 圖象的斜率表示 一m mg= g，即弓=58

13、2 m/s 2,解得 g = 9.7 m/s2。m+rm2m+m 2 2 1.20IA I【解題法】驗證“機械能守恒定律”實驗中瞬時速度的處理思想與方法(1)瞬時速度的求解方法做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于該點前后相鄰兩點間的平均速度。(2)深刻理解速度計算方法的選取要確定物體的動能，需要測出物體下落一定高度時的速度。根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的知識，有三種方法：v=Mh； v=gt；用某段時間內(nèi)的平均速度表示其中間時刻的瞬時速度。其中第種方法，實際上已經(jīng)默許了運動是自由落體運動。既然已經(jīng)默許只有重力了， 就承認了機械能守恒，那還驗證什么，顯然不是本實驗的目的。該方法不能用在該實驗中， 這一點也是

14、一個易錯點。第種方法也是首先承認這是一個自由落體運動。由于各種摩擦阻力不可避免，所以實際下落加速度必將小于 g,而下落高度是直接測量的，這樣得到動能的變化量大于重力勢能 的變化量的錯誤結(jié)論。 有阻力作用的情況下， 動能的變化量應(yīng)小于重力勢能的變化量，這也是學(xué)生實驗中的易錯點，因此這種方法處理實驗也是錯誤的。第種方法中速度的求解， 不涉及重力加速度的問題，是就一般的勻變速運動速度的求解。高度是實驗直接測出的數(shù)據(jù)，因此代入；mV與mgh或彳t入JmVgmV與mghmgh驗證，這種做法是正確的。命題法3實驗的拓展、遷移與創(chuàng)新典例3現(xiàn)要通過實驗驗證機械能守恒定律。實驗裝置如圖所示：水平桌面上固定一傾斜

15、的氣墊導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上 A點處有一帶長方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為 M左端由跨過輕 質(zhì)光滑定滑輪的細繩與一質(zhì)量為m的祛碼相連；遮光片兩條長邊與導(dǎo)軌垂直；導(dǎo)軌上B點有一光電門，可以測量遮光片經(jīng)過光電門時的擋光時間t,用d表示A點到導(dǎo)軌底端 C點的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A、B兩點的距離，將遮光片通過 光電門的平均速度看作滑塊通過B點時的瞬時速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作圖。(1)若將滑塊自A點由靜止釋放，則在滑塊從 A運動至B的過程中，滑塊、遮光片與祛碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減小量可表示為 。動能的增加量可表示為 。若在 1 , ，一 1運動過程中機械能守恒，

16、與s的關(guān)系式為 (2)多次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點(A點)下滑，測量相應(yīng)的s與t值,結(jié)果如表所示：112345s/m0.6000.8001.0001.2001.400t /ms8.227.176.445.855.43J x104 s 21.481.952.412.923.39，1以s為橫坐標，了為縱坐標，在坐標紙中描出第 1和第5個數(shù)據(jù)點；根據(jù)5個數(shù)據(jù)點作直線，求得該直線的斜率 k =X 104m 1 s-2(保留3位有效數(shù)字)。由測得的h、d、 一.1b、M和m數(shù)值可以計算出 y-s直線的斜率將k和L進行比較，若其差值在實驗允許的 范圍內(nèi)，則可認為此實驗驗證了機械能守恒定律。y

17、y ( X It)LH4 K l M ! NrHNBH IR1111J H”4H42.6工皿 niniEHE麗麗加打】。麗1口】囂If聞 -! ilitiitiiicininm nm i itmiitiii turn, 1 二”罪 曲同圖;31日當川川世用;小明照圖.0.6 0W1.2 L4 Mmj2.40(2.202.60均正確)h1b2 2Mgh- 2mgd答案Mgpmgs 2(京m d法(2)描點連線如圖所示解析(1)滑塊從A運動至B的過程中，滑塊、遮光片與祛碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減少量可表示為 M#s mgs滑塊經(jīng)過B點時的速度為v =：,故系統(tǒng)動能的增加量為 、(M+b2 ，八， h1b2 - 1 2Mgh-2mgd