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

人教版（2019）物理（必修第二册） 第8章 机械能守恒定理 5 实验：验证机械能守恒定律 【学习目标】 1．通过验证机械能守恒定律实验进一步深化守恒思想。 2．知道实验中瞬时速度的计算方法。 【学习重难点】 重点：验证机械能守恒定律实验方案的设计、论证和完善。 难点：验证机械能守恒定律实验方案的设计与论证;进行实验误差分析。 课本导练 1．小华利用如图所示装置做“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）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是______； 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，重物的质量为m，从打Ｏ点打B点的过程中，重物的重力势能减少量 =______，动能增加量 =______； （3）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，可能的原因是________________。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示 1．图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．测出挡光条的宽度d； C．将滑块移至图示位置，测出挡光条到光电门的距离l； D．释放滑块，读出挡光条通过光电门的挡光时间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？ 一、实验思路 机械能守恒的前提是“只有______做功”，因此研究过程一定要满足这一条件．本节实验我们以只有重力做功的过程进行研究． 二、物理量的测量及数据分析 只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化． （1）要验证的表达式： ________或 _______． （2）所需测量的物理量：物体所处两位置之间的_______、物体的_______． 三、进行实验 案例1 研究自由下落物体的机械能 1．实验器材 铁架台（带铁夹）、______________、重物（带夹子）、纸带、复写纸（或墨粉纸盘）、导线、_______、_______． 2．实验步骤 （1）安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好． （2）打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落．重复几次，得到3～5条打好点的纸带． （3）选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及在两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证． 3．数据处理 （1）计算各点对应的瞬时速度：如图乙所示，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． 选择开始的两点间距接近_______的一条纸带，打的第一个点为起始点，如果在实验误差允许范围内，只要满足关系式__________，则机械能守恒定律得到验证． 方法二：任取两点A、B． 如果在实验误差允许范围内，只要满足关系式___________，则机械能守恒定律得到验证． 方法三：图像法（如图所示）． 若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为______的直线，则机械能守恒定律得到验证． 4．误差分析 本实验的误差主要是测量纸带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． 5．注意事项 （1）安装打点计时器时，要使两限位孔在_______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_______，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 计算，应根据纸带上测得的数据，利用 计算． 案例2 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． 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分别为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关系式________，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，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小． 例1． 用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带通过打点计时器，打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。已知当地重力加速度为g。 (1)下面列举了该实验的几个操作步骤： A．按照图示安装好实验器材并连接好电源 B．先打开夹子释放纸带，再接通电源开关打出一条纸带 C．测量纸带上点迹间的距离 D．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 其中操作不当的步骤是_______(选填步骤前的字母)。 (2)如图乙所示，选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E，测量出点B距起点O的距离s0，点B、C间的距离为s1，点C、D间的距离为s2，若相邻两点的打点时间间隔为T，重锤质量为m，根据这些条件计算重锤从O下落到C时的重力势能减少量ΔEp＝_______，动能增加量ΔEk＝_______；在实际计算中发现，重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是__________________________。 (3)某同学利用图中纸带，先分别测量出从A点到B、C、D、E、F、G点的距离h(其中F、G点为E点后连续打出的点，图中未画出)，再计算打出B、C、D、E、F各点时重锤下落的速度v和v2，绘制v2－h图像，并求得图线的斜率为k，如图丙所示。请说明如何根据图像验证重锤下落过程机械能是否守恒：______________________。 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 实验题． 某物理实验小组用如图甲所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验，在气垫导轨上安装了一个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，用天平测出滑块和槽码的质量，分别为M和m，滑块用细线绕过定滑轮与槽码相连，调整气垫导轨水平，并使细线与导轨平行。将滑块从A点由静止释放，滑块经过光电门时槽码未着地，光电计时器记录下遮光条通过光电门的时间为t，测得滑块在释放点A时遮光条与光电门间的距离为L。已知当地的重力加速度为g。 （1）用游标卡尺测量遮光条的宽度，若测量结果如图乙所示，则遮光条的宽度d＝__mm。 （2）多次改变光电门的位置，重复上述实验，作出L随 的变化图像如图丙所示，图线为过坐标原点的倾斜直线，如果在误差允许的范围内当地的重力加速度大小g＝__（用题中已知量和测得的物理量符号表示）时，可以判断槽码带动滑块运动过程中槽码和滑块组成的系统机械能守恒。 （3）如果实验前没有调整到气垫导轨水平，而是带滑轮的一端较低，其他实验操作和实验数据读数均正确，这样根据图像计算出的重力加速度大小应__（填“大于”“小于”或“等于”）当地的重力加速度大小。 【参考答案】 课本导练 1．【答案】 AB； ； ；空气阻力或纸带与限位孔间的摩擦等 展示讨论 1．【答案】(1) ；(2)滑块和挡光条的总质量M；(3) 一、实验思路 【答案】 重力或弹力 二、物理量的测量及数据分析 【答案】 （1） ；mgh1－mgh2 （2）高度差；运动速度 三、进行实验 【答案】 案例1 1．打点计时器；刻度尺；交流电源 3．（1） （2）2 mm； ； 　 ；g 5．（1）同一竖直线；（3）接通电源 【答案】 案例2 3． ； （3） 例1．【答案】 (1)B；(2)mg(s0＋s1)； ；由于空气阻力和摩擦阻力的存在，使得一部分重力势能转化为内能；(3)v2－h图像应为一条不过原点且斜率接近2g的直线 小结小测 二、课堂小测 实验题．【答案】（1）3.55（2分）　（2） （3分）　（3） 大于 （2分） 学科网（北京）股份有限公司 $