【中学教材全解】高中物理 7.9 实验 验证机械能守恒定律课时学案 新人教版必修2(1).doc

第9节 实验：验证机械能守恒定律学习目标1.理解实验的思路，明确测量的物理量。2.能正确地进行实验操作。3.会根据纸带测定下落的距离，掌握瞬时速度测量的方法。4.能根据实验数据得出实验结论。自主学习1.实验目的与实验器材（1)实验的目的是：研究物体自由下落过程中 的变化，从而验证 定律。（2)实验所需要的器材有：铁架台、铁夹、打点计时器、夹子、复写纸、刻度尺、 、 、 、 等。2.实验原理在只有 做功的自由落体运动中，物体的 和 互相转化，但总的机械能守恒。即动能的 等于重力势能的 。（1)若以重物下落时的起点为基准，物体下落高度h时的速度为v，在误差允许的范围内，如计算出12mv2=mgh，机械能守恒定律即被验证。（2)若以重物下落过程中的某一点a为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于a点的速度va，再测出物体由a点下落h后经过b点的速度vb，则在误差允许范围内，由计算得出12mvb2-12mva2=mgh，机械能守恒定律即被验证。（3)测定第n点的瞬时速度的方法是：测出第n点前后两段相邻相等时间间隔t内下落的距离xn、xn1，由公式vn=xn+xn12t求出。3.数据处理（1)利用公式vn=xn+xn12t，计算出点1、点2、点3、的瞬时速度v1、v2、v3、。（2)要验证的是12mv2= 或12mv22-12mv12= ，只需验证12v2=gh或12v22-12v12=gh，因此 测量重物的质量m。验证：通过计算，看在误差允许的范围之内12vn2与ghn是否相等或12vm2-12vn2与ghmn是否相等。自我检测1.在“验证机械能守恒定律”的实验中，对于自由下落的重物，下列选择条件中可取的是（ ）a.选用重物时，重的比轻的好b.选用重物时，体积小的比大的好c.重物所受重力应与它所受的空气阻力和纸带所受打点计时器的阻力平衡d.重物所受重力应远大于它所受的空气阻力和纸带所受打点计时器的阻力2.在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列叙述正确的是（ ）a.安装打点计时器时，两纸带限位孔应在同一竖直线上b.实验时，在松开纸带让重物下落的同时，应立即接通电源c.若纸带上开头打出的几点模糊不清，也可设法用后面清晰的点进行验证d.测量重物下落高度必须从起始点算起3.在“验证机械能守恒定律”的实验中：（1）现有器材是：打点计时器、低压电源、纸带、带夹子的重物、停表、刻度尺、天平、导线、铁架台。其中该实验不需要的器材是 。（2）实验时，松开纸带与闭合电源开关的合理顺序是 。 图7-9-144.在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，质量m=1.00 kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列点。如图7-9-14所示为选取的一条符合实验要求的纸带，o为第一个点，a、b、c为从合适位置开始选取的三个连续点（其他点未画出)。已知打点计时器每隔0.02 s打一次点，当地的重力加速度g取9.80 ms2。那么：（1)纸带的 端（选填“左”或“右”)与重物相连；（2)根据图上所得的数据，应取图中o点和 点来验证机械能守恒定律；（3)从o点到所取点，重力势能减少量ep= j，动能增加量ek= j；（结果取3位有效数字)（4)实验的结论是 。课内探究一、实验方案的确立通过上一节课的学习，我们知道机械能守恒定律及其表达式，知道机械能守恒定律在物理学中的重要地位。一个规律的提出，不但要有理论的支持，还要由实验的验证，今天我们就设计实验，来验证机械能守恒定律。实验前请同学们思考讨论以下问题：1.机械能守恒定律的条件是什么？2.回顾以前学过的运动，哪种运动形式符合验证机械能守恒定律的条件？图7-9-15二、实验要验证的关系1.实验要验证的关系如图7-9-15所示，是一小球自由落下时的闪光照片，o为初始位置，ob=h，ac=h，a、b、c各点的速度为va、vb、vc，我们要验证小球从o到b机械能守恒，则要验证表达式为： ，我们要验证小球从a到c机械能守恒，则要验证表达式为： 。2.根据要验证的关系，是否需要测量重物的质量？如何测出h、h、va、vb和vc？根据要验证的关系，不需要测量重物的 ，而只需验证gh=12vb2或gh=12vc2-12va2就行了。在需要计算具体的能量数值时，需要天平。h、h、va、vb和vc的测量利用大家熟悉的方法通过纸带测出，即利用 进行测量和计算。三、实验装置图7-9-16利用自由落体运动和打点计时器验证机械能守恒定律，可用如图7-9-16所示的装置。四、要注意的问题为了提高实验的精确度，减少实验误差，在实验操作过程中应注意以下几点：1.重物下落过程中，除了重力外还会受到哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？2.重物下落过程中，选择两个位置作为过程的开始和终结，这两个位置的选择对我们选择纸带时有什么要求？3.实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？4.为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好，还是近些好？五、速度的测量根据图7-9-17，由匀变速直线运动的规律推导：匀变速直线运动中，某点的瞬时速度等于以该点为时间中点的两点间的平均速度。利用v-t图象（如图7-9-18所示）可进一步了解瞬时速度和时间中点的平均速度相等的物理意义。 图7-9-17 图7-9-18六、实验步骤本实验的注意事项及实验步骤1.如图7-9-16所示，先将打点计时器竖直的固定在铁架台上，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器。2.用手握着纸带，让重物静止地靠近打点计时器，然后接通电源，松开纸带，让重物自由下落，纸带上打下一系列点。换上新纸带，重复实验几次。3.从几条纸带中挑选点迹清晰的纸带。4.在选出的纸带上，记下第一个点的位置o，并在纸带上从任意点开始依次选取几个点1、2、3、4，并量出各点到o点的距离h1、h2、h3，计算相应的重力势能减少量mghn。5.测出一系列计数点到第一个点的距离d1、d2，根据公式vn=dn+1-dn-12t，计算物体在打下点1、2、时的瞬时速度v1、v2、。计算相应的动能12mvn2。图7-9-196.若挑选第一、二点间距离接近2 mm的纸带，则比较12mvn2与mghn是否相等。若不加挑选，则比较12mvn+12-12mvn-12与mg（hn+1 -hn-1 ）是否相等。例1（1)用如图7-9-19所示的实验装置验证机械能守恒定律，在下面所列举的该实验的几个操作步骤中，你认为没有必要进行的或者错误的步骤是 （填字母代号)a.按照图示的装置安装器件b.将打点计时器接到学生电源的直流输出端上c.用天平测量出重物的质量d.先放手让纸带和重物下落，再接通电源开关e.在打出的纸带上，依据打点的先后顺序选取a、b、c、d四个合适的相邻点，通过测量计算得出b、c两点的速度为vb、vc，并测出b、c两点间的距离为hf.在误差允许范围内，看减少的重力势能mgh是否等于增加的动能12mvc2-12mvb2，从而验证机械能守恒定律图7-9-20（2)在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点周期为0.02 s，自由下落的重物质量为1 kg，打出一条理想的纸带，数据如图7-9-20所示，单位是cm，g取9.8 m/s2，o、a之间有多个点没画出，打点计时器打下点b时，物体的速度vb= m/s，从起点o到打下b点的过程中，重力势能的减少量ep= j，此过程中物体动能的增加量ek= j。（结果保留两位有效数字)图7-9-21例2某同学在做“验证机械能守恒定律”的实验时，不慎将一条选择好的纸带的前面部分损坏了，剩下的一段纸带上各点间的距离他测出并标在纸带上，如图7-9-21所示。已知打点计时器打点的周期t=0.02 s，重力加速度g取9.8 m/s2。（1)利用纸带说明重物通过第2、5两点时机械能守恒。（2)试说明为什么得到的结果是重力势能的减少量略大于动能的增加量？巩固练习1.某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：a.用天平称出重锤的质量；b.把纸带固定到重锤上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；c.拆掉导线，整理仪器；d.断开电源，调整纸带，重做两次；e.用停表测出重物下落的时间；f.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论；g.把打点计时器接到交流电源上；h.接通电源，释放纸带；i.把打点计时器接到低压直流电源上；j.把打点计时器固定到桌边的铁架台上。上述实验步骤中错误的是 ，可有可无的是 ，其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是 。（均只需填步骤的代号)图7-9-222.在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出的纸带如图7-9-22所示，其中a点为打下的第一个点，0、1、2为连续的计数点。现测得两相邻计数点之间的距离分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为t。根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加速度大小表达式为 。在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为 。要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第 号和第 号计数点之间的过程为研究对象。3.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50 hz，查得当地的重力加速度g=9.80 m/s2，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图7-9-23所示，图中o点是打点计时器打出的第一个点，a、b、c、d分别是每两个点取出的计数点。根据以上数据，可知重物由o点运动到b点时。图7-9-23 （1)重力势能的减少量为多少？（2)动能的增加量是多少？（3)根据计算的数据可得出什么结论？产生误差的主要原因是什么？交流讨论1.在验证机械能守恒定律的实验中处理纸带的时候速度能不能用v= 2gh或v=gt计算