高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律教学设计

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知识回顾：机械能守恒定律的内容是什么？

只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。

上节课我们从理论上学习了机械能守恒定律，我们从定律内容及守恒条件上初步理解了机械能守恒定律，今天我们通过自己亲身实验从感性上对定律再做进一步的理解。

学生回忆机械能守恒定律的内容

温故而知新为本节实验的顺利完成作铺垫

讲授新课

一、实验思路

机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。想一想，满足这一条件的过程有哪些？

1.自由落体运动中动能与势能变化

自由落体运动中只有重力做功，满足机械能守恒的条件。

自由落体

2.物体沿光滑斜面下滑中动能与势能变化

沿光滑斜面下滑的物体受重力和支持力，但支持力与物体位移方向垂直对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。

3.用细线悬挂的小球摆动中动能与势能变化

细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。

以上几种情况都可以用来验证机械能守恒定律。

二、物理量的测量

验证机械能守恒定律，涉及的物理量有动能和势能，所以需要测量物体的————、———————————————以及物体的————————这三个物理量。

答案:质量;物体所处位置的高度;运动速度

注意：如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量；如果只是验证机械能守恒定律可以不测物体的质量。

三、数据分析

根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。实验中可采用两种验证方案来验证机械能守恒定律。

1.计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足

2.计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足

本实验我们提供物体做自由落体运动及沿光滑斜面下滑这两种方案来验证机械能守恒定律。

实验一：研究自由下落物体的机械能

（一）实验原理

在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能减少，动能增加，如果重力势能的减少量——————动能的增加量，就验证了机械能守恒定律.

答案:等于

（二）实验器材

铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6 V).

（三）实验步骤

1.安装置：将打点计时器固定在铁架台上，把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔。

2.打纸带：用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近。然后先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。

3.更换纸带，重复几次。

3.纸带的处理

方法1：利用起点和距起点较远的点从打好点的纸带中挑选点迹清晰纸带上的第一个点为计时起点0，且开始的两点间距接近2mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3…….用刻度尺测出0到1、2、3……的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3…….

m=0.2992kg   g=9.8m/s2

结论：在实验误差允许范围内重力势能减少量为mghn动能增加量相等即机械能守恒。

出示验证机械能守恒定律视频。

思考：纸带上的头两个点间的距离为什么应接近2mm？

因为起始点的速度应该为零，t=0.02s，g=10m/s2

方法2：任取两点A、B

方法2：任取两点A、B

任取两点A、B，计算重力势能的减少量mghA-mghA动能增加量                       如果在实验误差允许范围内则机械能守恒定律得到验证。

4.整理器材，使器材复位

思考讨论1：实验时，其实可以不测量物体的质量。想一想，这是为什么？

验证机械能守恒定律实验，需要验证：

或只需验证 或 即可因此可以不测量物体的质量。

思考讨论2：速度能不能用v = gt计算？

参考答案：这种方法认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。

思考讨论3：如何测量物体的瞬时速度?

参考答案：自由落体运动是匀变速直线运动，所以可以根据学过的匀变速直线运动的规律来物体的瞬时速度。

做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。

vB ＝ vAC平 均=

B 点的瞬时速度等于 A、C 点之间的平均速度

（四）实验中需要注意的问题：

1. 重物下落过程中，除了重力外会受到哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？

阻力主要有空气阻力、纸带与计时器间的摩擦阻力等。

选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小空气阻力；

安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。

2. 重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置？

开始点选择纸带上的起点，且第1、2两点间的距离应接近2mm。终结点应选择距起点较远的点，这样测是的相对误差较小。

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.实验中要克服阻力做功，所以动能增加量必定稍小于重力势能减少量。

5.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。

（五）误差分析

本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差，测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差。

重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差.实验中注意安装打点计时器使两限位孔中线竖直，并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。

实验注意事项

1.打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.

2.应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力相对减小.

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.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。

例题“验证机械能守恒定律”的实验采用重物自由下落的方法。

(1)本实验中，除铁架台、夹子、交流电源、纸带和重物外，还需选用的仪器是 ______。

A.秒表   B.刻度尺   C.天平  

D.打点计时器

(2)在验证机械能守恒定律的实验中，得到一条纸带如图2所示，图中O点为打点计时器打下的第一点，可以看做重物运动的起点，若重物的质量为1 kg，已知相邻两点时间间隔为0.02 s，图中长度单位是cm，g取9.8 m/s2，则打点计时器打下B点时，重物的速度VB= ______ m/s。从起点O到打下B点的过程中，重物动能的增加量△Ek=______ J，重力势能的减小量△EP= ______ J，经过计算发现动能的增加量略小于重力势能的减少量，为什么___________________ 。(以上计算结果均保留两位有效数字)

(1)【答案】BD

【解析】根据实验原理可知，需要计算重物重力势能的减少量，所以需要刻度尺测量高度，动能的表达式中需要有重物的速度，所以需要使用打点计时器打点来计算瞬时速度的大小，方程两边都有质量，所以不需要天平，综上本题选BD。

(2)【答案】0.97，0.47J ，0.48J，重物克服阻力做功

【解析】根据平均速度等于该段时间内中间时刻的瞬时速度可得，

vB=xAC/2T=((0.0702-0.0313)/0.04 m)/s=0.97 m/s，重物动能的增加量△Ek=1/2 mv2≈0.47J；重力势能的减小量△EP=mgh≈0.48J，实验过程中，由于有阻力，所以重物减少的重力势能会有一部分转变成热量，所以导致动能的增加量略小于重力势能的减少量。

实验二：研究沿斜面下滑物体的机械能

（一）实验器材

气垫导轨、数字计时器、滑块

研究沿斜面下滑物体的机械能的实验装置

思考讨论1：为什么利用气垫导轨可以提高实验的精确度？

参考答案：因为气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。

思考讨论2：你知道数字计时器是如何计时的吗？

参考答案：计时系统的工作要借助于光源和光敏管（统称光电门）。光源与光敏管相对，它射出的光使光敏管感光。

当滑块经过时，其上的遮光条把光遮住，与光敏管相连的电子电路自动记录遮光时间，通过数码屏显示出来。根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度。因为这样的计时系统可以测出 0.001 s 的时间，并且能直接以数字显示，所以又叫数字毫秒计。

（二）实验步骤：

1.把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。

2. 用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1 、v2

3.如果在实验误差允许范围内则机械能守恒定律得到验证。

课堂练习

1. 在做验证机械能守恒定律实验时，发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能,造成这种现象的主要原因是(　　)

 A. 选用的重物质量过大            

 B. 空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力         

 C.选用的重物质量过小

 D. 实验时操作不太仔细,实验数据测量不准确            

答案:B

2. 某位同学做“验证机械能守恒定律”实验，下列操作步骤中错误的是(　　)

 A. 把电磁打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源上            

 B. 将连有重物的纸带穿过限位孔，将纸带和重物提升到一定高度            

 C. 更换纸带,重复实验,根据记录处理数据           

 D.先释放纸带，再接通电源

答案:D

3. 验证动量守恒定律的实验中，关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响，下列说法正确的是 (　　)

 A. 释放点越低,小球受阻力越小，入射小球速度越小，误差越小            

 B. 释放点越低,两球碰后水平位移越小，水平位移测量的相对误差越小，两球速度的测量越准确            

 C. 释放点越高，两球相碰时，相互作用的内力越大，碰撞前后动量之差越小,误差越小            

 D. 释放点越高，入射小球对被碰小球的作用力越大，轨道对小球的阻力越小 。           

答案: C

4.在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列说法正确的是(　　)

A.重锤的质量相等时,密度大的好

B.必须用天平称出重锤的质量，以便计算重锤的重力势能和动能

C.为了减小实验误差,重锤的质量要适当大一些

D.重锤下落的瞬时速度可用v=gt求出

答案: AC

拓展提高

1. 验证机械能守恒定律可以采用研究自由落体运动的方法，也可以采用研究物体从斜面上自由下滑运动的方法，但后者误差较大，其原因是_________________。为了减小误差，提出如下措施：

A.减小物体的质量  B.增大物体的质量 

C.减小斜面的倾角  D.增大斜面的倾角 

E.用小车代替滑块  F.给物体一定的初速度合理的措施是：——————。

【答案】摩擦阻力的影响; DE

2. 如图是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带，有关尺寸在图中已注明，我们选中n点来验证机械能守恒定律，下面举一些计n点速度的方法,其中正确的是 (　　)

A.n点是第n个点,则vn=gnT

B.n点是第n个点,则vn=g(n-1)T

C.vn=(xn+xn+1）/2T

D.vn=(hn+1- hn- 1)/2T

【答案】C

3.. 用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中,根据纸带算出相关的速度v,量出下落距离h,则以为纵轴,以h为横轴,画出的图像应是下图中的(　　)

A.              B.              

C.              D.              

【答案】C

阅读课文总结实验思路

阅读课文掌握验证机械能守恒定律

需要测量的物理量

阅读课文知道验证机械能守恒定律的方案。

学生掌握实验原理实验器材组装实验仪器

学生阅读实验步骤掌握操作过程并动手进行实验操作

在教师的引导下学生学习怎样处理数据验证机械能守恒

学生思考讨论并回答

学生动手测量数据并计算

学生思考讨论并回答

学生思考讨论并回答

学生思考讨论并回答

掌握实验中需要注意的问题

学生在老师的引导下进行误差分析

在老师的引导下学生完成例题

学生阅读实验研究沿斜面下滑物体的机械能

学生练习

能列举满足“只有重力或弹力做功”的一些实例

锻炼学生的自主学习能力

理解两种方案的本质都是重物动能的增加量等于其重力势能的减少量

锻炼学生的动手能力

锻炼学生的动手能力

锻炼学生逻辑思维能力和计算能力

重温自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动

验证机械能是否守恒

知道验证机械能守恒定律可以不测量物体的质量

知道速度不能用v = gt

重温做匀变速运动的物体某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度

帮助学生进一步了理解实验中的问题

让学生认识到减小误差的方法

掌握用重物自由下落“验证机械能守恒定律”的方法

学生动手操作实验并记录数据

锻炼学生的自主学习能力

巩固所学知识

课堂小结

1.的实验方法

(1)利用第一个点为计时起点

在实验误差允许范围内验证 

 (2)任取两点A、B

在实验误差允许范围内验证

2.速度测量：中间时刻的瞬时速度与这一段的平均速度大小相等。

3.注意事项

（1）实验结果受阻力的影响；（2）重物的质量不必测量

（3）多做几次实验  ，反复验证

梳理自己本节所学知识进行交流

根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。

板书

一、实验思路

二、物理量的测量

三、数据分析

实验一：研究自由下落物体的机械能

在实验误差允许范围内验证

或

实验二：研究沿斜面下滑物体的机械能

在实验误差允许范围内验证