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 【学习目标】 1.理解验证机械能守恒定律的原理。会设计实验方案，确定需要测量的物理量，采用正确的方法测量相关的物理量。 2.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，会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因，并采取相应措施，以减少实验误差。 3.树立实事求是的科学态度，培养认真严谨的科学精神。 【导】复习提问： 1.机械能守恒的条件及表达式： 。 2.满足机械能守恒条件的过程有哪些？ 【思】 一、实验目的 通过实验验证机械能守恒定律 二、实验思路 1.自由下落的物体只受到 作用，满足机械能守恒的条件。 2.物体沿光滑斜面下滑时，受到几个力的作用，满足机械能守恒条件吗？ 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，这个过程只有 做功，也满足机械能守恒条件。 思考1：重物下落或小球摆动时不可能不受空气阻力的作用，斜面也会有阻力，有哪些方法可以减小阻力的影响？ 三、物理量的测量 思考2：为了验证物体机械能守恒，需要测量的物理量有哪些？ 4、 实验原理 让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有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。 五、实验方案 （1） 研究自由下落物体的机械能 1.实验器材 铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器（电磁打点计时器、导线、低压交流电源）、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、刻度尺。 2.实验步骤 （1）安装置：按如图所示将检查、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 ，后 ，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3次～5次实验。 3.数据处理 计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…再根据公式vn＝ ，计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4、…vn。 方法一：利用起始点和第n点计算 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mvn2，计算ghn和vn2，如果在实验误差允许的范围内满足 ，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，动能增加量为mvB2－mvA2，如果在实验误差允许的范围内满足 ，则机械能守恒定律得到验证。 方法三：图像法 计算各计数点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图线，如图所示。若在误差许可的范围内图像是 的直线，则验证了机械能守恒定律。 思考3： （1）重物下落过程中，除了重力外会受到哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？ （2）重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置？ （3） 计算某时刻速度时能不能用v＝gt或v＝去求解？ （4）实验时，物体的质量一定需要测量吗？ 例1.利用右侧的装置做“验证机械能守恒定律”实验。 （1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是______________ 。 A.交流电源 B.刻度尺 C.天平（含砝码） （2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到下图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。 已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m，从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化了多少？动能变化了多少？ （3）很多实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，你认为原因是什么？ （2） 研究沿斜面下滑物体的机械能 1.实验器材 气垫导轨、光电门、滑块、游标卡尺、气泵、垫块、刻度尺 2.实验步骤 （1）安装:将气垫导轨放在水平桌面上并调成倾斜状态后通电，气泵给导轨送气 （2）测量:用游标卡尺测量滑块上遮光条的宽度d和用刻度尺测量两光电门间的竖直高度。 （3）释放:将滑块移至靠近导轨顶端某处并由静止释放。 （4）记录:记录滑块通过两光电门的时间、 3.数据处理 （1）由遮光条的宽度d及由光电门记录的遮光条通过两光电门的时间、 求得滑块通过两光电门的速度 、 。 （2）由此可得，动能的增加量 （3）重力势能的减少量 （4）若在误差允许的范围内，满足 （写表达式），则滑块和遮光条的机械能守恒。 例2.图8.5-6为一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。主要实验步骤如下： A. 将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平。 B. 测出遮光条的宽度d。 C. 将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离l。 D. 释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间t。 E. 用天平称出托盘和砝码的总质量m。 F. …… 回答下列问题： （1）在滑块从静止释放到运动到光电门的过程中，系统的重力势能减少了多少？ （2）为验证机械能守恒定律，还需要测量哪个物理量？ （3）若要符合机械能守恒定律的结论，以上测得的物理量应该满足怎样的关系？ 【议】小组讨论实验步骤和思考题、例题的答案 【展】展示实验步骤和思考题、例题的答案 【评】 1.实验器材 2.实验步骤及注意事项 3.数据处理方法 【检】 某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6 V、50 Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，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9.8 m/s2，若重锤质量为1 kg。 (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，结论是__________________________________________________________。 ( 第 1 页 共 3 页 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$