8.5.实验：验证机械能守恒定律 导学案 -2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

8.5实验：验证机械能守恒定律 班级 姓名 小组 【学习目标】 1.通过打点计时器测量物体速度相关实验，能由实验原理设计验证机械能守恒定律实验； 2.通过数据的测量及处理，能验证机械能守恒定律； 3.通过阅读材料，能理解掌握实验目的、原理及步骤； 4.通过阅读材料，能说出实验注意事项及误差分析； 【重点难点】 重点：实验目的、原理及步骤、注意事项及误差分析。 难点：注意事项及误差分析。 【实验原理】 通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。 【实验器材】 电磁打点计时器、低压交流电源、纸带、复写纸片、重物、毫米刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线 【实验步骤】 (1)安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压电源相连。 (2)打纸带：如图1-8-9所示，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3～5条)纸带。 (3)选纸带：分两种情况说明 ①若选第1点O到下落到某一点的过程，即用mgh＝mv2来验证，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带。 ②用 mv2－ mv02＝mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否小于或接近2 mm就无关紧要了。 【实验结论】 在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒。 【误差分析】 (1)测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值。 (2)系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝mv2必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力。 【注意事项】 (1)打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减少摩擦阻力．复写纸应放在纸带的上面使振针间接接触纸带,以减小振针对纸带的阻力，有条件的最好选用电火花计时器.另外g要取当地的重力加速度，若未指明,则g取9.8 m/s2 (2)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 (3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。 (4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来计算。 【典例分析】 例1 利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图所示: (1)实验步骤: ①将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,将导轨调至水平; ②用游标卡尺（未学，题干已知）测量挡光条的宽度L; ③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s= cm ; ④将滑块移至光电门1左侧,待砝码静止时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2; ⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2; ⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和砝码的总质量m. (2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式: ①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1 和 v2 ； ②通过光电门1和2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)总动能为Ek1＝ 和Ek＝ ； ③在滑块从光电门1到2的过程中,系统重力势能的减少Ep＝ (重力加速度为g). （3）如果△Ep约等于 ，则可认为验证了机械能守恒定律。 例2 1、利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验，按正确的实验操作得到几条纸带.一位同学选取了一条头两点间的距离明显大于2 mm的纸带进行标点（标出0、1、2、3……各实际点迹），测出各点与0点的高度差h1、h2、h3……那么能否用它正确计算比较点n位置处的动能与重力势能的对应关系（n＝2,3，4……），即能否验证 mvn2=mghn？为什么？ 2、（1）为进行“验证机械能守恒定律”的实验器材：电磁打点计时器、低压交流电源、纸带、复写纸片、重物、毫米刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线。 （2）在验证机械能守恒定律时，如果以v2／2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线应是 ，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于 的数值。 （3）在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出纸带如图3所示，其中A点为打下的第一个点，0、1、2……为连续的计数点。现测得两相邻计数点之间的距离分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为T。根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加速度大小表达式为____ _____。在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为___ _____。要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第_________号和第__________号计数点之间的过程为研究对象。 （4）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用8V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图4所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。 ①打点计时器打出B点时，重锤下落的速度vB= m/s，重锤的动能EkB= J。 ②从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为 J。 ③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B点的过程中，得到的结论是 。 完成完全解读190页例三 弘济高中 高一物理 第 3 页（共 4 页） 高一物理 第 4 页（共 4 页）2 高一物理 第 1 页（共 4 页） 高一物理 第 2 页（共 4 页） 学科网（北京）股份有限公司 高一物理 第 3 页（共 6 页） 高一物理 第 4 页（共 6 页）4 高一物理 第 1 页（共 6 页） 高一物理 第 2 页（共 6 页） 学科网（北京）股份有限公司 $$