第1章 第5节 第2课时 实验：验证机械能守恒定律（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（鲁科版2019）

第2课时实验：验证机械能守恒定律 (实验课—基于经典科学探究) 一、实验装置 二、实验原理 实验装置如图所示。让带有纸带的重物自由下落，利用打点计时器记录重物下落过程中的运动情况。选取纸带上的某点作为高度的起点，量出纸带上其他点相对该点的距离作为高度。用天平称出重物的质量，算出重物经过这些点的重力势能。再计算重物经过这些点的瞬时速度，算出动能。最后，通过比较重物经过这些点的机械能，得出实验结论。 一、实验步骤　 1．使用天平称出重物质量。 2．纸带一端吊重物，另一端穿过打点计时器。手提纸带，使重物靠近打点计时器并静止。接通电源，松开纸带，让重物自由落下。 3．取下纸带并选其中一个点作为参考点，设打该点时重物的重力势能为0，计算打该点时重物的动能，它就是重物下落过程中动能与重力势能的总和。 4．分别计算纸带上其他各点对应的重物的动能和重力势能之和。 二、数据处理　 1．瞬时速度的测量 用打点计时器打下的纸带测量： 测出打n点前、后相邻两段相等时间T内重物运动的距离sn和sn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝即可得到打n点时重物的瞬时速度，如图所示。 2．机械能守恒验证 方法一：利用起始点和第n点计算。 代入mghn和mvn2，如果在实验误差允许的范围内mghn和mvn2相等，即可验证机械能守恒定律。 方法二：任取两点计算。 (1)任取两点A、B，测出hAB，计算出mghAB。 (2)计算出mvB2－mvA2的值。 (3)在实验误差允许的范围内，若mghAB＝mvB2－mvA2成立，即可验证机械能守恒定律。 方法三：图像法。 从纸带上选取多个点，测量从第一个点到选取各点的下落高度h，并计算出各点速度的二次方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2－h图线。若在误差允许的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。 三、注意事项　 1．应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有： (1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，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，使空气阻力减小。 2．实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。接通电源后，等打点计时器工作稳定再松开纸带。 3．纸带的选取 (1)以第一个点为起点时，要验证的是mvn2＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝2 mm。 (2)以下落中某点为起点时，要验证的是mvm2－mvn2＝mghmn，这时选择纸带不需要满足前两点间距为2 mm。 4．计算速度时不能用v＝gt或v＝，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。 5．测量下落高度时，为减小实验误差，后边的点应距起点O较远，在测量各点到O点的距离时，应当用刻度尺从O点量起，一次性读出各点到O点的距离。 [关键点反思] 如图所示为小明同学做“验证机械能守恒定律”实验得到的纸带。他测出了起始点O到各个点的高度h，计算出打各点的速度v。 1．如何验证机械能守恒定律？ 提示：比较任意两点的机械能是否相等。 2．图像法是验证物理规律的重要方法之一。实验中各点的速度与其到起始点的高度相关，能否通过速度与高度的关系图像来验证？若能，则图像的横、纵坐标应表示什么物理量？ 提示：v－h图像为曲线，不便于分析，实验中应画－h图像。 3．验证机械能守恒定律时，要选择点迹清晰的纸带，是否必须选择第1、2两点间的距离应接近2 mm的纸带？ 提示：若取不包括起始点的任意两点，根据减少的重力势能与增加的动能是否相等，也可验证机械能守恒定律，此时纸带第1、2两点间距不一定接近2 mm。 考法(一)　实验基本操作 [例1]　如图所示为用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置。 (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)有同学按以下步骤进行实验操作： A．用天平称出重锤和夹子的质量； B．固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器； C．松开纸带，接通电源，开始打点。并如此重复多次，以得到几条打点纸带； D．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较近处选择连续几个计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值； E．测出各点到O点的距离，即得到重锤下落的高度； F．计算出mghn和mvn2，看两者是否相等。 在以上步骤中，不必要的步骤是________；有错误或不妥的步骤是________(填写代表字母)；