（人教版）必修第二册高中物理同步导学案8.5实验：验证机械能守恒定律 原卷版

§8.5实验：验证机械能守恒定律目标展示目标展示〖教学目标〗1．要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，深化对机械能守恒定律的理解。3．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力。〖核心素养〗【物理观念】通过同学们的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧并构建能量观念。【科学思维】通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据厦实验误差分析的能力。【科学探究】通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法。【科学态度与责任】通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲。〖教学重点与难点〗重点：1．验证机械能守恒定律的实验原理。2．实验原理及方法的选择及掌握。难点：实验误差分析的方法。预习案预习案使用说明及学法指导（正确的方法会取得事半功倍的效果！）1．首先明确“知识必备”中的两个知识点；然后再通读教材，查找资料，完成“教材助读”中的问题；2．完成时间：20分钟。知识必备（你准备好了吗？）1.机械能守恒定律2.自由落体运动3.打点计时器的使用教材助读（问题引领方向！）1．理解实验原理 2．学会误差分析和数据处理预习检测（检测有助于查找存在的问题和不足！）1.在“验证机械能守恒定律”的实验中,某同学依据纸带求得各点的瞬时速度,以及与此相对应的重物下落距离h,以v2为纵轴,以h为横轴,建立坐标系,描点后画出v2-h图线,从而验证机械能守恒定律。若所有操作均正确,则得到的v2-h图像可能是 ()2.在做“验证自由落体运动中的机械能守恒”实验中：(1)下列仪器需要用到的是________.(2)在进行实验时，下列说法正确的是________.A.应用手托住重物由静止释放B.纸带与重物相连端的点迹较密C.可以取连续的几个点为计数点(3)如图所示为实验时打出的一条纸带，则A的速度大小为________m/s(保留3位有效数字，纸带上相邻两点间的时间间隔为0.02s).我的疑问（发现问题比解决问题更重要！）请将预习中未能解决的问题和疑问写下来，待课堂上与老师和同学探究解决。探究案探究案质疑探究（质疑解疑，合作探究）探究点一：研究自由下落物体的机械能例1.某同学用如图4甲所示装置“验证机械能守恒定律”时，所用交流电源的频率为50Hz，得到如图乙所示的纸带.选取纸带上打出的连续五个cm，点C、E间的距离为s2＝9.88cm，g取9.8m/s2，测得重物的质量为m＝1kg.图4(1)除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是______A．交流电源

B．刻度尺

C．天平（含砝码）(2)下列做法正确的有________.A.重物应尽量选质量大而体积小的物体B.图中两限位孔必须在同一竖直线上C.将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器D.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源E.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置F.纸带上第1、2两点间距若不接近2mm，则无论怎样处理实验数据，实验误差都一定较大(3)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J，打下C点时重物的速度大小是________m/s.(结果均保留三位有效数字)(4)经过多次重复试验发现，在误差允许的范围内，可认为机械能守恒，但是重物减少的重力势能总是略大于重锤增加的动能，你认为主要是因为________________，这属于本实验的__________误差（选填“偶然”或“系统”）。(5)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以eq\f(v2,2)为纵坐标、s为横坐标画出的图像应是下列选项中的________.针对训练1.利用如图装置做“验证机械能守恒定律”实验。（1）为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的____________。A．动能变化量与势能变化量

B．速度变化量与势能变化量

C．速度变化量与高度变化量（2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点、、，测得它们到起始点的距离分别为、、。已知当地重力加速度为，打点计时器打点的周期为。设重物的质量为。从打点到打点的过程中，重物的重力势能变化量_________，动能变化量_________。（3）某同学用重锤在OC段的运动来验证机械能守恒，OC距离用h来表示，他用vC=2ghc来计算与C点对应的重锤的瞬时速度，得到动能的增加量，这种做法______（填“正确”或“（4）某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点的距离，计算对应计数点的重物速度，描绘图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确_____。（5）某同学想利用该实验装置测定当地的重力加速度。他打出了一条纸带后，利用纸带测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离，算出了各计数点对应的速度，以为横轴，以为纵轴画出了如图所示的图象。由于图象没有过原点，他又检查了几遍，发现测量和计算都没问题，原因是先释放了重物，后接通打点计时器的电源。乙同学测出该图线的斜率为，如果不计一切阻力，则当地的重力加速度__________（选填“”、“”或“”）。规律总结（知识提炼，浓缩精华）数据处理方法一：利用起始点和第n点.选择开始的两点间距接近2mm的一条纸带，打的第一个点为起始点，如果在实验误差允许范围内mghn＝eq\f(1,2)mvn2，则机械能守恒定律得到验证.方法二：任取两点A、B.如果在实验误差允许范围内mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，则机械守恒定律得到验证.方法三：图像法(如图所示).若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律.（2）误差分析：无论做多少次舒颜，重物减少的重力势能总是略大于重锤增加的动能，这主要是由重物和纸带运动中的空气阻力及纸带与限位孔之间的摩擦力引起的系统误差.（3）注意事项：①打点计时器安装时，要使两限位孔的中线在同一竖直线上②应选用质量大而体积小的重物，可使空气阻力的影响相对减小.③实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落.④本实验中的几种验证方法均不需要测重物的质量m.⑤速度不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)计算瞬时速度.⑥纸带上第1、2两点间距应接近2mm探究点二：研究沿斜面下滑物体的机械能例2.某实验小组在实验室中利用倾角为的气垫导轨和两光电门计时器和验证滑块在气垫导轨上自由下滑过程中机械能守恒。已知遮光条的宽度为，先后通过、光电门的时间分别为、。（已知当地重力加速度为）（1）本实验中还需要测量的物理量有___________（填字母序号）。A．滑块质量B．光电门和的距离C．滑块释放点的高度D．遮光条的高度（2）验证本过程机械能守恒的原理表达式___________（用已知量和需要测量的量表示）。（3）将滑块从不同位置释放，再次测出滑块通过光电门1和光电门2的速度和。以L为横坐标，以为纵坐标，把所得的实验数据描点，得到一条斜率为__________，截距为________的图线，说明机械能守恒。（4）下列操作中可以减小实验误差的是___________（填字母序号）。A．增加遮光条的宽度B．把金属滑块换成木质滑块C．减小遮光条的宽度D．增加两光电门之间距离针对训练2.现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”.图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出.让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00×10－2s、2.00×10－2s.已知滑块质量为2.00kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00cm，光电门1和2之间的距离为0.54m，g取9.80m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度.(结果均保留三位有效数字)(1)滑块通过光电门1时的速度v1＝________m/s，通过光电门2时的速度v2＝________m/s.(2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为______J，重力势能的减少量为________J.(3)实验可以得出的结论：____________________________.例3.某同学用图甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”。在气垫导轨某刻度处安装了一个光电门，滑块上固定一宽度为d的遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与钩码连接。用天平分别称出滑块及遮光条的总质量为M，钩码的质量为m。（1）关于该实验的条件及操作，不必要的一项是______（请填写选项前对应的字母序号）。A．实验前，应将气垫导轨调至水平状态B．滑块释放的位置与光电门间的距离适当大些C．实验中选用轻质不易拉长的细线连接滑块和钩码。D．应使滑块及遮光条的总质量M远大于钩码的质量m（2）在某次实验操作中，滑块在气垫导轨某位置由静止释放时，测得遮光条中心与光电门中心之间的距离为L，遮光条通过光电门的时间为t，此过程中滑块和钩码组成的系统重力势能的减少量为______，动能的增加量为______，若两者近似相等，则说明___________。（3）实验时保持滑块及遮光条的总质量M、钩码质量m均不变，改变滑块在气垫导轨上由静止释放的位置，测出对应的遮光条与光电门中心之间的距离L和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出图像如图乙所示，已知图乙中直线的斜率为k，则当地的重力加速度可以表示为______（用题目中给定的字母表示）。针对训练3.用如图1所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。如图2给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，所用电源的频率为50Hz，计数点间的距离如图2所示。已知m1＝50g、m2＝150g，则：（结果均保留两位有效数字）(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝______m/s；(2)在打下第0点到打下第5点的过程中系统动能的增量ΔEk＝____J，系统重力势能的减少量ΔEp＝______J；（取当地的重力加速度g＝10m/s2）(3)若某同学作出v2－h图象如图3所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2。探究点三：创新实验设计例4.为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图（a）装置，不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h，实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图（b），其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量△Ep=___________，动能的增加量△Ek=___________。（均用题中所给字母表示）(2)观察图（b）中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：___________。(3)为减小实验误差，实验时应选用密度___________（选填“较大”或“较小”）的小球。例5.某同学利用频闪照片验证小铁球竖直上抛过程中机械能守恒．已知频闪仪每隔0.05s闪光一次，通过对频闪照片的测量与分析已得到照片中小铁球各位置间实际距离并已标出．已知小铁球质量为0.1kg，当地重力加速度为9.8m/s2。（计算结果均保留三位有效数字）（1）由频闪照片上的数据，可计算出t2时刻小球的速度v2=______m/s；t6时刻小球的速度v6=______m/s。（2）从t2到t6时间内，小铁球重力势能的增加量△Ep=_______J,动能的减少量△Ek=_____J。（3）在误差允许的范围内，若△Ep与△Ek近似相等，则可验证机械能守恒定律．由上述数据可得△Ep______（填“＞”：＜或“=”）△Ek，造成这种结果的主要原因是________。例6.某同学利用图所示装置“验证小球摆动过程中机械能守恒”，实验中小球摆到最低点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处(箭头所指处)放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时能被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺.该同学方案的优点是只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平抛运动的水平位移x即可.(1)测量A位置到桌面的高度H应从________(填“球的上边沿”“球心”或“球的下边沿”)开始测.(2)实验中多次改变H值并测量与之对应的x值，利用作图像的方法去验证.为了直观地表述H和x的关系(图线为直线)，若用横轴表示H，则纵轴应表示________.(填“x”“x2”或“eq\r(x)”)(3)若小球下摆过程中机械能守恒，则h、H和x的关系为H＝________.例7.为了验证机械能守恒定律，某研究性学习小组的同学利用透明直尺和光电计时器设计了一套实验装置，如图所示.当有不透光物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体