高中物理 第七章 機(jī)械能守恒定律 第九節(jié) 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課堂探究學(xué)案(新人教版)必修2

1、第九節(jié) 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課堂探究探究一 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1先接通電源打點(diǎn)，后釋放紙帶。2選取紙帶：(1)選擇開始的一段時(shí)，要驗(yàn)證的是mvmghn，必須保證紙帶上的第一點(diǎn)為重物靜止釋放時(shí)打的點(diǎn)，所以前兩個(gè)點(diǎn)的間距為hgt210(0.02)2 m2 mm。(2)選擇運(yùn)動(dòng)中的一段時(shí)，要驗(yàn)證的是mvmvmghmn，這時(shí)選擇紙帶不需要滿足前兩點(diǎn)間距為2 mm。3計(jì)算速度時(shí)不能用vgt或v，否則就犯了用機(jī)械能守恒定律去驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤。4測量下落高度時(shí)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，后邊的點(diǎn)應(yīng)距起點(diǎn)O較遠(yuǎn)，在測量各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離時(shí)，應(yīng)當(dāng)用刻度尺從O點(diǎn)量起，一次性讀出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離。探究二 數(shù)據(jù)處理1求瞬時(shí)速度

2、由公式vn可以計(jì)算出重物下落h1、h2、h3的高度時(shí)對應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v32守恒驗(yàn)證方法一：利用起始點(diǎn)。利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算。代入ghn和v，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，ghnv，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。方法二：任取兩點(diǎn)。(1)任取兩點(diǎn)A、B，測出hAB，求出ghAB。(2)求出A、B兩點(diǎn)的瞬時(shí)速度，求出vv的值。(3)如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，ghABvv，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。方法三：圖象法。從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測量從第一個(gè)點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h，并計(jì)算各點(diǎn)速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2-h圖線。若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點(diǎn)且

3、斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。探究三 誤差分析1測量長度會(huì)帶來偶然誤差。減小偶然誤差的辦法：(1)測距離都應(yīng)從O點(diǎn)測起；(2)多次測量取平均值；(3)選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)應(yīng)盡可能離O點(diǎn)遠(yuǎn)些，以減小相對誤差。2重物在拖著紙帶下落的過程中必然受到阻力作用，主要是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶間的摩擦力以及空氣的阻力。克服這些阻力做功要消耗能量，所以重物動(dòng)能的增加量Ek必定小于重力勢能的減少量Ep。這是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上帶來的系統(tǒng)誤差。3打點(diǎn)計(jì)時(shí)器周期變化帶來誤差?！纠?】 (實(shí)驗(yàn)原理及過程的理解)在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，有同學(xué)按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作：A用天平稱出重物和夾子的質(zhì)量。B固定好打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，將連著重物的

4、紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。C松開紙帶，接通電源，開始打點(diǎn)。并如此重復(fù)多次，以得到幾條打點(diǎn)紙帶。D取下紙帶，挑選點(diǎn)跡清晰的紙帶，記下起始點(diǎn)O，在距離O點(diǎn)較近處選擇連續(xù)幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)(或計(jì)時(shí)點(diǎn))，并計(jì)算出各點(diǎn)的速度值。E測出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，即得到重物下落的高度。F計(jì)算出mghn和mv，看兩者是否相等。在以上步驟中，不必要的步驟是_；有錯(cuò)誤或不妥的步驟是_(填寫代表字母)；更正情況是_，_，_，_。點(diǎn)撥：對于物理實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了實(shí)驗(yàn)原理，才能判斷出實(shí)驗(yàn)步驟中哪些是錯(cuò)誤的，哪些是必要的；只有親自動(dòng)手進(jìn)行認(rèn)真的操作，才能正確地對實(shí)驗(yàn)步驟按序排

5、列。解析：本實(shí)驗(yàn)的目的是要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，即比較重物在下落過程中重力勢能的減少量Ep與動(dòng)能的增加量Ek是否相等，如果操作不當(dāng)或錯(cuò)誤，就會(huì)增大重物和紙帶所受阻力，導(dǎo)致機(jī)械能損耗過大，無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹榱吮ＷC實(shí)驗(yàn)成功和減少機(jī)械能損耗，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)遵照注意事項(xiàng)，因此本題可對照實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和圍繞減小誤差方面進(jìn)行考慮。因本實(shí)驗(yàn)是通過比較重力勢能的減少量Ep是否等于動(dòng)能的增加量Ek來驗(yàn)證機(jī)械能守恒的，不需要知道動(dòng)能的具體數(shù)值，因而不需要測出重物和夾子的質(zhì)量，故步驟A是多余的。有錯(cuò)誤或不妥的步驟是B、C、D、F。原因和更正辦法分別是：B中“讓手盡量靠近”應(yīng)改為“讓重物盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”，因打點(diǎn)計(jì)時(shí)

6、器開始工作應(yīng)從與重物靠近的紙帶開始打點(diǎn)，不致留下過長的空白紙帶，紙帶也不宜過長，約40 cm即可。C中應(yīng)先接通電源，后松開紙帶。因?yàn)橹挥挟?dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作正常后再讓重物下落，才可保證打第一個(gè)點(diǎn)時(shí)重物的初速度為零，并且使紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)是清晰的小點(diǎn)。D中應(yīng)將“距離O點(diǎn)較近處”改為“距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處”，因?yàn)樗〉母饔?jì)時(shí)點(diǎn)應(yīng)盡量是重物自由下落運(yùn)動(dòng)的真實(shí)記錄，而打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接通電源開始工作后不一定很快就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)開始的幾個(gè)點(diǎn)比較密集，會(huì)增加長度測量的誤差。F中應(yīng)改為“ghn和v”，因本實(shí)驗(yàn)中是通過比較重物的重力勢能減少量mghn和動(dòng)能增加量mv的大小來達(dá)到驗(yàn)證的目的，對于同一個(gè)研究對象(重物)來說

7、，質(zhì)量是一定的，故只需比較ghn和v就能達(dá)到目的。答案：見解析題后反思 做實(shí)驗(yàn)，要了解其目的、原理、器材及其思路，才能很好地把握過程(步驟)。無須死記硬背?！纠?】 (實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹禐?.80 m/s2，測得所用重物的質(zhì)量為1.0 kg。甲、乙、丙三個(gè)學(xué)生分別用同一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第1、2兩點(diǎn)間的距離分別為0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一個(gè)學(xué)生在操作上出現(xiàn)了問題，出現(xiàn)的問題是_。若按實(shí)驗(yàn)要求正確地選出紙帶如圖所示(相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02 s)，那么：

8、(1)紙帶的_端與重物相連(填“左”或“右”)；(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時(shí)，重物的速度vB_；(3)從起點(diǎn)O到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的過程中重物重力勢能的減少量Ep_，此過程中重物動(dòng)能的增加量Ek_；(4)通過計(jì)算，數(shù)值上Ep_Ek(填“”“”或“”)，這是因?yàn)開。(5)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是_。解析：如果重物做自由落體運(yùn)動(dòng)，第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近于0.2 cm，而丙同學(xué)的紙帶上第1、2兩點(diǎn)間的距離遠(yuǎn)大于這個(gè)值，說明重物在打第1點(diǎn)時(shí)已有速度，故丙同學(xué)在操作時(shí)出現(xiàn)的問題是先釋放紙帶后接通電源。(1)紙帶左端相鄰兩點(diǎn)之間的距離小，故紙帶左端與重物相連。(2)B點(diǎn)對應(yīng)的速度vB0.98 m/s(3)EpmghO

9、B0.49 J，Ekmv0.48 J(4)EpEk，在實(shí)驗(yàn)中存在阻力，重物的重力勢能不能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。(5)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，重物的機(jī)械能守恒。答案：先釋放紙帶后接通電源(1)左(2)0.98 m/s(3)0.49 J0.48 J(4)實(shí)驗(yàn)中存在阻力，重物的重力勢能不能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能(5)在誤差允許的范圍內(nèi)，重物的機(jī)械能守恒題后反思 解答該題時(shí)千萬不可認(rèn)為既然機(jī)械能是守恒的，就直接將動(dòng)能的增加量等于重力勢能的減少量。因?yàn)樵擃}是要求通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的，是否守恒要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算來說明?！纠?】 (創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證鉤碼和滑塊所組成的系統(tǒng)機(jī)械能

10、守恒。實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌底座使之水平，用游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度為d，實(shí)驗(yàn)時(shí)將滑塊從圖示位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過光電門的時(shí)間t。(1)實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌底座使之水平，利用現(xiàn)有器材如何判斷導(dǎo)軌是否水平？(2)在本次實(shí)驗(yàn)中還需要測量的物理量有：鉤碼的質(zhì)量m、_和_(用文字說明并用相應(yīng)的字母表示)。(3)本實(shí)驗(yàn)通過比較_和_在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)相等(用測量的物理量符號表示)，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。(4)你估計(jì)減少的重力勢能和增加的動(dòng)能哪個(gè)可能偏??？_。你認(rèn)為造成這種偏差的原因可能是_。解析：(1)接通氣源，將滑塊靜置于氣墊導(dǎo)軌上，若滑塊基本保持靜止，則說明導(dǎo)軌是水平的(或輕推滑塊，滑塊能做勻速直線運(yùn)動(dòng))。(2)本實(shí)驗(yàn)中鉤碼減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為鉤碼和滑塊的動(dòng)能，所以需要測出滑塊的質(zhì)量M以及鉤碼下降的高度即滑塊上的遮光條初始位置到光電門的距離x。(3)此過程中鉤碼減少的重力勢能為mgx，滑塊運(yùn)動(dòng)到光電門時(shí)的速度v，鉤碼和滑塊增加的動(dòng)能為(mM)2，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，只要計(jì)算出mgx與(mM)2相等，