物理必修29.实验：验证机械能守恒定律学案设计

7.9《实验：验证机械能守恒定律》导学案

【学习目标】

1．培养学生的观察和实践能力，培养学生实事求是的科学态度。

2．通过验证机械能守恒定律进一步加深对机械能守恒条件的理解

【重点难点】

验证机械能守恒定律

【学法指导】

认真阅读教材，体会验证机械能守恒定律的物理思想和方法。

【知识链接】

1．什么是机械能？

2．机械能守恒的条件是什么？

利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h及计算出的瞬时速度v，若物体在自由下落过程中机械能守恒，则应满足的关系式是：_____________

【学习过程】[来源:学科网]

一、实验原理

只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总的机械能守恒，利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h及计算出的瞬时速度v，从而验证物体在自由下落过程中，重力势能的减少量△Ep= mgh与物体动能的增加量△Ek=mv2/2相等。

思考1：实验中为什么不必用天平测量重锤的质量？

思考2：实验时不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了，能否用来验证机械能守恒定律？

二、实验步骤

1．把打点计时器按图安装在铁架台上，用导线将打点计时器与学生电源连接好．

2．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，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器附近．[来源:Zxxk.Com]

3．先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点．

4．取下纸带，换上新的纸带重打几条（3-5条）．

5．从打出的各纸带中挑出一条点迹清晰且第1，2两打点间距离接近2 mm的纸带，在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出1,2,3,……并量出各点到位置O的距离h1 ,h2 ,h3 ,……并记人表格中，

6．用公式vn=v中计算出各点对应的瞬时速度v1, v2 , v3 , v4……，并记录在表格中．

7．计算打各点时重力势能的减少量mgh和动能的增加量mv2/2并进行比较，看是否相等，将计算数值代人表格中．

三、验证机械能守恒定律注意事项

1．实验中打点计时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。

2．实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落．

3．打点计时器必须接50 Hz交流低压电源．

4．手提纸带上端时，释放纸带时，保证重锤下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点．

5．为减小测量h值的相对误差，选取的各个记数点要离起始点远些．纸带也不宜过长，约40 cm即可．

6.选取的纸带最好使第1,2两点间的距离接近2mm并且点迹清晰．因为打点计时器每隔0.02 s打一次点，自由落体运动在最初0.02s内下落的距离2 mm。所以，纸带第1,2两点间的距离接近2 mm,意味着纸带是在打第1个点的瞬间开始下落．

四、数据处理及误差分析

1.由于测量长度带来的误差属于偶然误差，减小办法：一是测距离时都应从刻度清晰的某点量起；二是多测几次取平均值；三是用图象法处理数据。

2.本实验实验关于速度的求解，只能从纸带上直接求出物体实际下落的速度，而不能用理论值计算；高度h只能用刻度尺直接测量。

3.实际上重锤和纸带在下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量△Ek必定稍小于势能的减少量△EP，这是属于系统误差。

【训练测试】

1．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列物理量中要用工具测量和通过计算得到的有(　　)

A．重锤的质量

B．重力加速度

C．重锤下落的高度

D．与重锤下落高度对应的重锤瞬时速度

2．在“验证机械能守恒定律”的实验中

(1)实验的研究对象是________．

(2)供选择的重物有以下四个应选择(　　)

A．质量为100g的钩码

B．质量为10g的砝码

C．质量为200g的木球

D．质量为10g的塑料球

(3)给打点计时器提供的电源如下，应选择(　　)

A．4节干电池

B．3节蓄电池

C．学生电源4V～6V，交流输出

D．学生电源4V～6V，直流输出

3．在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：

(1)打点计时器所接交流电的频率为50Hz，甲、乙两条实验纸带如图所示，应选________纸带好．

(2)若通过测量纸带上某两点间距离来计算某时刻的瞬时速度，进而验证机械能守恒定律．现已测得2、4两点间距离为s1,0、3两点间距离为s2，打点周期为T，为了验证0、3两点间机械能守恒，则s1、s2和T应满足的关系为________．[来源:学#科#网Z#X#X#K]

4． 在当地重力加速度为9.8m/s2的实验室内进行验证机械能守恒定律的实验中，所用电源的频率为50Hz.一同学选择了一条理想纸带，用刻度尺测量时各计时点位置对应刻度尺上的读数如图所示．图中O是自由落体的初始第一点，A、B、C、D是纸带上连续的几个点，图中数值的单位为厘米．根据实验并结合纸带回答下列问题：

实验时要从几条纸带中挑选第一、二两点间的距离接近________并且点迹清晰的纸带进行测量；[来源:学&科&网Z&X&X&K]

若重锤质量为mkg，则重锤从开始下落到B点时，减少的重力势能为________J；(数字部分保留三位有效数字)

若重锤质量为mkg，则重锤到B点时，重锤的动能为________J．(数字部分保留三位有效数字)

5． 在“验证机械能守恒定律”的实验中：所用电源的频率为50Hz.某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测得各计数点到O的距离(单位：mm)如图所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点．

(1)从下列器材中选出实验所必须的，其编号为________．

A．打点计时器(包括纸带)　B．重锤　C．天平

D．毫米刻度尺　E．秒表(或停表)　F．运动小车

(2)若重锤的质量为mkg，则重锤从开始下落到打B点时，减少的重力势能是________J，从重锤下落到打B点时增加的动能是________J，得到的结论是____________________________．(取g＝9.8m/s2，结果保留三位有效数字)

【参考答案】

1．答案：CD

解析：通过实验原理可知，重锤下落高度要用毫米刻度尺直接量出，下落这一高度时对应的速度用平均速度求出，故需用工具测量的是C，通过计算得到的是D.

2．答案：(1)带纸带夹的重锤　(2)A　(3)C

3．答案：(1)甲　(2)T2＝

解析：(1)由于甲图中1、2两点间的距离(1.9mm)接近于2mm，故选甲图．[来源:学§科§网Z§X§X§K]

4．答案：2mm　6.88m　6.82m

5．答案：(1)ABD　(2)1.91m　1.88m　在实验误差允许的范围内，重锤的机械能守恒

【学习反思】

验证机械能守恒定律的思想方法是怎样的？