第8章 第5节 实验：验证机械能守恒定律（教师用书Word）-【状元桥·优质课堂】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（人教版2019）

第5节　实验：验证机械能守恒定律 [学习目标]　1.明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量(科学探究).2.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性分析产生误差的原因(科学探究)． 知识点一　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．本节实验我们以只有重力做功的过程进行研究． 知识点二　物理量的测量及数据分析 只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化． (1)要验证的表达式：mv＋mgh2＝mv＋mgh1或mv－mv＝mgh1－mgh2. (2)所需测量的物理量：物体所处两位置之间的高度差、物体的运动速度. 知识点三　参考案例 案例1　研究自由下落物体的机械能 1．实验器材 铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸(或墨粉纸盘)、导线、刻度尺、交流电源. 2．实验步骤 (1)安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好． 甲　　 乙 (2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，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．先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落．重复几次，得到3～5条打好点的纸带． (3)选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及在两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证． 3．数据处理 (1)计算各点对应的瞬时速度：如图乙所示，根据公式vn＝，计算出某一点的瞬时速度vn. (2)验证方法 方法一：利用起始点和第n点． 选择开始的两点间距接近2 mm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＝mv，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＝mv－mv，则机械能守恒定律得到验证． 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，则机械能守恒定律得到验证． 4．误差分析 本实验的误差主要是测量纸带产生的偶然误差以及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． 5．注意事项 (1)安装打点计时器时，要使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力． (2)应选用质量和密度较大的重物． (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＝计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn＝计算瞬时速度． 案例2　研究沿斜面下滑物体的机械能 1．实验器材 如图所示，气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块． 2．实验步骤 把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大． 测量两光电门之间高度差Δh和滑块通过两个光电门时的速度v1、v2，代入表达式验证． 3．物理量的测量及数据处理 (1)测量两光电门之间的高度差Δh； (2)根据滑块经过两光电门时遮光条的遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度．若遮光条的宽度为ΔL，则滑块经过两光电门时的速度分别为v1＝，v2＝； (3)若在实验误差允许范围内满足mgΔh＝mv－mv，则验证了机械能守恒定律． 4．误差分析 两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小． 考点一　实验原理与操作 【例题1】 “验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用图示的甲或乙方案来进行． (1)比较这两种方案，________(选填“甲”或“乙”)方案好些． (2)在“验证机械能守恒定律”的实验中，直接测量的物理量是________. A．重力加速度 B．重物下落的高度 C．重物下落的瞬时速度 D．重物下落的平均速度 (3)在进行“验证机械能守恒定律”的实验时，应________. A．先释放纸带，再接通电源 B．用手托住重物由静止释放 C．根据v＝gt计算重物在t时刻的速度 D．使重物下落的起始位置靠近打点计时器 解析 (1)甲方案摩擦阻力小，误差小，而且方便操作，所用实验器材少，所以甲方案好些． (2)验证机械能守恒定律的实验，重力势能减少量等于动能的增加量，所以重力加速度是已知的，无须测量，选项A错误；实验要计算重力势能的减少量，所以需要测量物体下落的高度，选项B正确；本实验下落的瞬时速度是根据纸带处理得到，无法直接测量，而平均速度本实验用不到，选项C、D错误． (3)根据实验操作，接通电源打点稳定后，再释放纸带，选项A错误；释放时，纸带应竖直，减少与限位孔的摩擦，所以释放时，应按题图中所示，选项B错误；因为要验证机械能守恒，所以速度需根据实