4.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

4.5學(xué)生實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律新知導(dǎo)入新知講解課堂練習(xí)新知導(dǎo)入知識(shí)回顧：機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容是什么？只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化時(shí)總的機(jī)械能保持不變。上節(jié)課我們從理論上學(xué)習(xí)了機(jī)械能守恒定律，我們從定律內(nèi)容及守恒條件上初步理解了機(jī)械能守恒定律，今天我們通過(guò)自己親身實(shí)驗(yàn)從感性上對(duì)定律再做進(jìn)一步的理解。新知講解一、實(shí)驗(yàn)思路機(jī)械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過(guò)程一定要滿足這一條件。想一想，滿足這一條件的過(guò)程有哪些？1.自由落體運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能與勢(shì)能變化自由落體自由落體運(yùn)動(dòng)中只有重力做功，滿足機(jī)械能守恒的條件。新知講解2.物體沿光滑斜面下滑中動(dòng)能與勢(shì)能變化沿光滑斜面下滑的物體受重力和支持力，但支持力與物體位移方向垂直對(duì)物體不做功，這種情況也滿足機(jī)械能守恒的條件。vmgN新知講解3.用細(xì)線懸掛的小球擺動(dòng)中動(dòng)能與勢(shì)能變化細(xì)線的拉力與小球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個(gè)過(guò)程中只有重力做功，也滿足機(jī)械能守恒的條件。ACBv以上幾種情況都可以用來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。新知講解二、物理量的測(cè)量驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，涉及的物理量有動(dòng)能和勢(shì)能，所以需要測(cè)量物體的————、———————————————以及物體的————————這三個(gè)物理量。注意：如果實(shí)驗(yàn)要求計(jì)算勢(shì)能和動(dòng)能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量；如果只是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律可以不測(cè)物體的質(zhì)量。三、數(shù)據(jù)分析質(zhì)量物體所處位置的高度運(yùn)動(dòng)速度新知講解1.計(jì)算物體在選定位置上動(dòng)能與勢(shì)能的和是否滿足2.計(jì)算重物在某兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化和勢(shì)能變化是否滿足本實(shí)驗(yàn)我們提供物體做自由落體運(yùn)動(dòng)及沿光滑斜面下滑這兩種方案來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中可采用兩種驗(yàn)證方案來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。新知講解實(shí)驗(yàn)：研究自由下落物體的機(jī)械能（二）實(shí)驗(yàn)器材（一）實(shí)驗(yàn)原理在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢(shì)能減少，動(dòng)能增加，如果重力勢(shì)能的減少量——————?jiǎng)幽艿脑黾恿浚万?yàn)證了機(jī)械能守恒定律.等于鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(4～6V).新知講解（三）實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝置：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔。2.打紙帶：用手提著紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器附近。然后先接通電源，再松開(kāi)紙帶，讓重物自由下落。3.更換紙帶，重復(fù)幾次。新知講解3.紙帶的處理方法1：利用起點(diǎn)和距起點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)從打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)0，且開(kāi)始的兩點(diǎn)間距接近2mm的一條紙帶，在起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時(shí)間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3…….用刻度尺測(cè)出0到1、2、3……的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3…….12345670新知講解計(jì)數(shù)點(diǎn)nhn/mVn/ms-1mghn10.144020.17901.860.52480.517630.21842.0650.64040.637940.26162.2580.76710.762750.30872.4350.90520.888760.35902.6351.05261.038770.4141m=0.2992kgg=9.8m/s2重力勢(shì)能減少量為mghn動(dòng)能增加量結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)即機(jī)械能守恒。相等新知講解新知講解思考：紙帶上的頭兩個(gè)點(diǎn)間的距離為什么應(yīng)接近2mm？因?yàn)槠鹗键c(diǎn)的速度應(yīng)該為零，t=0.02s，g=10m/s2起始點(diǎn)2mm方法2：任取兩點(diǎn)A、B新知講解ABΔh4.整理器材，使器材復(fù)位任取兩點(diǎn)A、B，計(jì)算重力勢(shì)能的減少量mghA-mghA動(dòng)能增加量則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)新知講解思考討論1：實(shí)驗(yàn)時(shí)，其實(shí)可以不測(cè)量物體的質(zhì)量。想一想，這是為什么？或驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)需要驗(yàn)證：或只需驗(yàn)證因此可以不測(cè)量物體的質(zhì)量。即可新知講解思考討論2：速度能不能用v=gt計(jì)算？參考答案：這種方法認(rèn)為加速度為g，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實(shí)際加速度必將小于g，這樣將得到機(jī)械能增加的結(jié)論，有阻力作用機(jī)械能應(yīng)該是減少的，故這種方法也不能用。思考討論3：如何測(cè)量物體的瞬時(shí)速度?參考答案：自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，所以可以根據(jù)學(xué)過(guò)的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來(lái)物體的瞬時(shí)速度。新知講解B點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于A、C點(diǎn)之間的平均速度vB

＝vAC平均=做勻變速運(yùn)動(dòng)的紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于相鄰兩點(diǎn)間的平均速度。新知講解（四）實(shí)驗(yàn)中需要注意的問(wèn)題：1.重物下落過(guò)程中，除了重力外會(huì)受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？阻力主要有空氣阻力、紙帶與計(jì)時(shí)器間的摩擦阻力等。選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來(lái)減小空氣阻力；安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩紙帶限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。新知講解2.重物下落時(shí)，最好選擇哪兩個(gè)位置作為過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束的位置？開(kāi)始點(diǎn)選擇紙帶上的起點(diǎn)，且第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近2mm。終結(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇距起點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，這樣測(cè)是的相對(duì)誤差較小。3.實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開(kāi)紙帶讓重物下落。4.實(shí)驗(yàn)中要克服阻力做功，所以動(dòng)能增加量必定稍小于重力勢(shì)能減少量。5.本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m。（五）誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差，測(cè)量時(shí)采取多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)減小偶然誤差。重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.實(shí)驗(yàn)中注意安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來(lái)減小系統(tǒng)誤差。新知講解新知講解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，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(duì)減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力相對(duì)減小。3.實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開(kāi)紙帶讓重物下落。4.本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m。新知講解例題“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)采用重物自由下落的方法。圖1圖2(1)本實(shí)驗(yàn)中，除鐵架臺(tái)、夾子、交流電源、紙帶和重物外，還需選用的儀器是______。

A.秒表B.刻度尺C.天平D.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器新知講解(2)在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，得到一條紙帶如圖2所示，圖中O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一點(diǎn)，可以看做重物運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，若重物的質(zhì)量為1kg，已知相鄰兩點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02s，圖中長(zhǎng)度單位是cm，g取9.8m/s2，則打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下B點(diǎn)時(shí)，重物的速度VB=______m/s。從起點(diǎn)O到打下B點(diǎn)的過(guò)程中，重物動(dòng)能的增加量△Ek=______J，重力勢(shì)能的減小量△EP=______J，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)動(dòng)能的增加量略小于重力勢(shì)能的減少量，為什么___________________。(以上計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)新知講解(1)【答案】BD【解析】根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，需要計(jì)算重物重力勢(shì)能的減少量，所以需要刻度尺測(cè)量高度，動(dòng)能的表達(dá)式中需要有重物的速度，所以需要使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)來(lái)計(jì)算瞬時(shí)速度的大小，方程兩邊都有質(zhì)量，所以不需要天平，綜上本題選BD。(2)【答案】0.97，0.47J，0.48J，重物克服阻力做功?！窘馕觥扛鶕?jù)平均速度等于該段時(shí)間內(nèi)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度可得，vB=xAC/2T=((0.0702-0.0313)/0.04m)/s=0.97m/s，重物動(dòng)能的增加量△Ek=1/2mv2≈0.47J；重力勢(shì)能的減小量△EP=mgh≈0.48J，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于有阻力，所以重物減少的重力勢(shì)能會(huì)有一部分轉(zhuǎn)變成熱量，所以導(dǎo)致動(dòng)能的增加量略小于重力勢(shì)能的減少量。新知講解課堂練習(xí)1.在做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)重物減少的勢(shì)能總是大于重物增加的動(dòng)能，造成這種現(xiàn)象的主要原因是(

)A.選用的重物質(zhì)量過(guò)大

B.空氣對(duì)重物的阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的阻力

C.選用的重物質(zhì)量過(guò)小

D.實(shí)驗(yàn)時(shí)操作不太仔細(xì),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確B課堂練習(xí)2.某位同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，下列操作步驟中錯(cuò)誤的是(

)A.把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線連接到低壓交流電源上

B.將連有重物的紙帶穿過(guò)限位孔，將紙帶和重物提升到一定高度

C.更換紙帶,重復(fù)實(shí)驗(yàn),根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)

D.先釋放紙帶，再接通電源D課堂練習(xí)3.驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于入射小球在斜槽上釋放點(diǎn)的高低對(duì)實(shí)驗(yàn)影響，下列說(shuō)法正確的是(

)A.釋放點(diǎn)越低,小球受阻力越小，入射小球速度越小，誤差越小

B.釋放點(diǎn)越低,兩球碰后水平位移越小，水平位移測(cè)量的相對(duì)誤差越小，兩球速度的測(cè)量越準(zhǔn)確

C.釋放點(diǎn)越高，兩球相碰時(shí)，相互作用的內(nèi)力越大，碰撞前后動(dòng)量之差越小,誤差越小

D.釋放點(diǎn)越高，入射小球?qū)Ρ慌鲂∏虻淖饔昧υ酱螅壍缹?duì)小球的阻力越小。C課堂練習(xí)

4.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,下列說(shuō)法正確的是(

)A.重錘的質(zhì)量相等時(shí),密度小的好B.必須用天平