第四章 6.实验：验证机械能守恒定律-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

6．实验：验证机械能守恒定律 【核心素养目标】 科学探究 能制订验证机械能守恒定律的实验方案，确定需要测量的物理量，学会正确使用实验器材获取数据，对数据进行分析后得出结论，与同学讨论并分析误差及产生的原因，并能用物理语言准确描述实验结论。 科学态度与责任 通过实验验证，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。 一、实验目的 1．研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，验证机械能守恒定律。 2．练习使用打点计时器和气垫导轨等器材。 二、实验思路与方案设计 1．实验思路 机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此设计实验时要考虑满足这一条件的情形。 2．方案设计 方案1：利用自由下落的物体：物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件，可验证其机械能是否守恒。 方案2：利用沿光滑斜面下滑的物体：物体受到重力和斜面的支持力作用，但支持力与物体位移方向垂直(如图所示)，支持力对物体不做功，满足机械能守恒的条件，可验证物体的机械能是否守恒。 方案3：利用细线悬挂的摆动的小球：细线的拉力与小球的运动方向垂直，对小球不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，满足机械能守恒的条件，可验证小球的机械能是否守恒。 三、实验操作(以自由下落的物体为例) 1．安装置：实验装置示意图如图所示。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地方。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有两点间的距离约为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… 学生用书第107页 四、数据处理 1．计算各点对应的瞬时速度：根据公式vn＝，计算出1，2，3，4…n点的瞬时速度v1，v2，v3，v4…vn。 2．验证机械能守恒 方法一：利用起始点和第n点。 从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn， 动能增加量为mv，计算ghn和v，如果在实验误差允许的范围内ghn＝v，则机械能守恒定律得到验证。 方法二：任取两点A、B。 从A点到B点，重力势能减少量为mghA－mghB＝mghAB，动能增加量为mv－mv，计算ghAB和v－v，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝v－v，则机械能守恒定律得到验证。 方法三：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v2­h图像，如图所示。若在误差允许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。 五、注意事项 1．安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中心连线严格竖直，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。 3．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。 4．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。 类型一　教材原型实验 一、实验原理与操作 如图甲为验证“机械能守恒定律”的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带夹子的重锤、天平。回答下列问题： (1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要的器材有________。(填入正确选项前的字母) A．刻度尺 B．秒表 C．0～6 V的直流电源 D．0～6 V的交流电源 学生用书第108页 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤： A．按照图示的装置安装器材 B．将打点计时器接到电源的“直流输出”上 C．用天平测出重锤的质量 D．先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带 E.测量纸带上某些点间的距离 F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能 其中操作错误的步骤是____________。 (3)实验中误差产生的原因有_________________________(写出两个原因)。 (4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图乙所示。使用交流电源的频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式为a＝________________。(用x1、x2、x3、x4及f表示) 解析：　(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要刻度尺、0～6 V的交流电源。 (2)其中操作错误