第八章 第5节 实验：验证机械能守恒定律（Word教参）-【优化指导】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 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 1．理解验证机械能守恒定律实验的原理。 2．会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因。 　　会设计实验方案，确定需要测量的物理量，能采用正确的方法测量相关的物理量。 　　能够控制实验条件，正确进行实验操作，获取物体下落的高度和速度大小等数据，通过分析数据，并采取相应措施，以减小实验误差。 　　树立实事求是的科学态度，培养认真严谨的科学精神。 [对应学生用书P130] 一、实验思路 1．实验思路：机械能守恒定律告诉我们，在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。满足机械能守恒条件的过程如下(常见)： ↓ (1)自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。 (2)物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力对物体不做功，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时，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。 2．实验目的：研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律。 二、物理量的测量 根据重力势能和动能的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。 1．方案一：研究自由下落物体的机械能 (1)实验原理：利用打点计时器记录重物自由下落的运动过程。 物体的质量可以用天平测出。纸带上某两点的距离等于物体下落的高度差Δh，这样就能得到物体下落过程中重力势能的变化。物体的瞬时速度可以用大家熟悉的方法从纸带测出，从而得到它在各点的动能。比较重物在某两点间动能的变化与重力势能的变化，就能验证机械能是否守恒。 (2)实验步骤 ①把打点计时器安装在铁架台上，并接好学生电源。 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。 ③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重复上一步的过程，打三到五条纸带。 ⑤选择一条点迹清晰且第1、2点间距离接近2 mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3、…用刻度尺测量对应下落的高h1、h2、h3、…记入表格中。 ⑥用公式vn＝，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3、…并记录在表中。 ⑦计算各点的重力势能的减少量mgh和动能的增加量mvn2，并进行比较，看是否相等，将数值填入表格内。 2．方案二：研究沿斜面下滑物体的机械能 (1)实验原理：我们利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。测量滑块下降的高度Δh和初、末速度v1、v2，就可以验证机械能是否守恒。 (2)实验步骤 ①按如图所示安装实验装置。把气垫导轨调成倾斜状态，将滑块从导轨较高一端由静止释放。 ②测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。 ③测量滑块下降的高度Δh和初、末速度v1、v2。 ④计算并对比滑块重力势能的减少量和动能的增加量，验证机械能是否守恒。 三、数据分析 1．公式法：根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足；也可以计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足。 2．图像法：计算各计数点对应的“v2”，以“v2”为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2-h图线。若在误差许可的范围内图像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。 1．(物理与实验)常用以下装置进行验证机械能守恒定律实验，判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)应选用质量和密度较大的重物，使空气阻力减小。(　　√　　) (2)纸带上端要用手提着静止，让重物靠近打点计时器。(　　√　　) (3)本实验中的几种验证方法均需要测重物的质量m。(　　×　　) (4)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。(　　√　　) (5)必须利用起始点和第n点，验证机械能守恒定律。(　　×　　) 2．(教材拓展P96) 实验时，其实可以不测量物体的质量。想一想，这是为什么？ 提示：等式两端都有质量可以约去。 [对应学生用书P132] 探究点一 实验思路 【例1】 (2022·广东深圳高一期末)某实验小组用图甲所示的装置验证机械能守恒定律，实验操作如下： ①将表面平整的圆柱形重锤上表面吸在电磁铁上，把光电门安装在重锤正下方； ②调整并测量重锤上表面到光电门之间的竖直高度h，使h远大于重锤的长度； ③断开电源，重锤自由下落，读出重锤的遮光时间Δt。 (1)重力加速度g已知，为了验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量有