第8章 第5节 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（人教版2019，全国通用）

第5节　实验：验证机械能守恒定律 (实验课—基于经典科学探究) 1．实验器材 2．实验原理 让物体自由下落，忽略阻力情况下验证物体的机械能守恒，常用以下两种方案验证物体的机械能守恒： (1)以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若mv2＝mgh成立，则可验证物体的机械能守恒。 (2)测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式mv22－mv12＝mgh成立，则物体的机械能守恒。 一、实验步骤　 1．安装置：按照装置示意图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。 2．打纸带：将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，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的位置。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。 3．选纸带：选取点迹较为清晰且开始打下的两点间的距离约为2 mm 的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm 的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1,2,3…… 4．测距离：用刻度尺测出O点到1,2,3……的距离，即为对应下落的高度h1，h2，h3…… 二、数据处理　 1．计算各点对应的瞬时速度：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点计算。 选择开始打下的两点间距接近2 mm的一条纸带，打下的第一个点为起始点，如果在实验误差允许范围内mghn＝mvn2，则机械能守恒定律得到验证。 方法二：任取两点A、B计算。 如果在实验误差允许范围内mghAB＝mvB2－mvA2，则机械能守恒定律得到验证。 方法三：利用图像计算。 如图所示，若在实验误差允许范围内-h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。 三、误差分析与注意事项　 1．误差分析 本实验的误差主要是测量纸带上打点间距时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。 2．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。 [关键点反思] 1．本实验中对重物的选择有什么要求？ 提示：应选用质量和密度较大的重物，可使空气阻力的影响相对减小。 2．在得到的实验数据中，大部分同学得到的结论是：重物动能的增加量稍小于重力势能的减少量，请问这是怎么造成的呢？ 提示：重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，所以重物动能的增加量稍小于重力势能的减少量。 3．本实验中产生误差的原因主要有哪些？怎样减小误差？ 提示：做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力，但阻力不可能完全消除。本实验中，误差的主要来源是纸带摩擦和空气阻力。由于重物及纸带在下落过程中要不断地克服阻力做功，因此重物动能的增加量必稍小于重力势能的减少量，这是系统误差。减小系统误差的方法有：选用密度大的实心重物，重物下落前纸带应保持竖直，选用电火花计时器等。由于测量长度会造成误差，属偶然误差。减小办法：一是测距离都应从O点量起，下落高度h适当大些(过小，h不易测准确；过大，阻力影响造成的误差大)，二是多测几次取平均值。 /备选案例/ 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、带有遮光条的滑块等。 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＝mv22－mv12，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，可以减小测量误差；遮光条的宽度越小，误差越小。 考法(一)　实验基本操作 [例1]　(2023·山西朔州高一检测)利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验。 (1)下列实验操作正确的是________。 A．选择大小合适的铁质重锤 B．选择体积较大的木质重锤 C．打点时，应让重锤靠近打点计时器，先释放纸带，再接通电源 D．选纸带时，应选点迹清晰且打下的第1、2两点间距离接近2 mm的纸带 (2)除打点计时器(含纸带、复写纸)、重锤、交流电源、铁架台、