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广东省江门市第一中学高中物理 导学案 新人教版必修2 7.9实验:验证机械能守恒定律

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                           7.9 实验:验证机械能守恒定律
   学习目标    
   知识与技能
   1、要弄清实验目的,本实验为验证性实验,目的是利用理物的自由下落验证机械能守恒定律
   2、要明确实验原理,掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理,能够进行实验误差
的分析,从而使我们对机械能守恒定律的认识,不止停留在理论的推导上,而且还能够通过亲自操作和实
际观测,从感性上增加认识,深化对机械能守恒定律的理解
   3、通过学生自主学习,培养学生设计实验、采集数据,处理数据及实验误差分析的能力
   过程与方法
   1、要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法
   2、通过同学位的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧
   3、通过对纸带的处理过程,体会处理问题的方法,领悟如何可间接测一些不能直接测量的物理量的
方法
   4、通过实验过程使学生体验实验中理性思维的重要,既要动手,更要动脑
   情感态与价值观
   1、通过实验及误差分析,培养学生实事求是的科学态度,激发学生对物规律的探知欲
   2、培养学生的团结合作精神和协作意识,敢于提出与别人不同的见解
   学习重点   1、验证机械能守恒定律的实验原理
              2、实验原理及方法的选择及掌握
   学习难点   实验误差分析的方法
   预习案
   ●知识回顾
   (1)物体自由下落或沿光滑斜面下落时,重力对物体做正功,物体的重力势能减少,动能增加,物
体原来具有的重力势能转化成了动能。
   (2)重力势能、弹性势能和动能统称为机械能.通过重力或弹力做功,不同形式的机械能可以发生相
互转化。
   (3)机械能守恒定律内容:在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总
的机械能保持不变,这叫做机械能守恒定律。
   ●新课预习
   1.本实验的实验目的是通过研究物体自由下落过程中,重力势能能和动能能的变化来验证机械能守恒
定律.
   2.实验原理:做自由落体运动的物体,设质量为                    m,下落高度为      h 时的速度为     v,则减少的重力势能
                   1
为 mgh,增加的动能为         mv2.若两个量在误差允许的范围内相等,就验证了机械能守恒定律.
                   2
   3.速度的测量:做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于该点前后一段时间内的平均速度.
   4.本实验中,用到的实验器材主要有打点计时器及电源、刻度尺、纸带、重物、带铁夹的铁架台、导
线.
   5.实验步骤:
   (1)如图所示,将纸带固定在重物上,让纸带穿过打点计时器.
   (2)用手握着纸带,让重物静止地靠近打点计时器,然后接通电源,松开纸带,
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   让重物自由落下,纸带上打下一系列点.换上新纸带,重复实验几次.
   (3)从几条纸带中挑选点迹清晰的纸带.
   (4)在选出的纸带上,记下第一个点的位置                   O,并在纸带上从任意点开始依次

   选取几个点      1、2、3、4…,并量出各点到          O 点的距离    h1、h2、h3…,
   计算相应的重力势能减少量            mgh。

                                                            dn1  dn1
   (5)测出一系列计数点到第一个点的距离                  d1、d2…,根据公式      vn=          ,计算物体在打下点
                                                               2T

                                            1  2
1、2、…时的瞬时速度        v1、v2、….计算相应的动能           mv .
                                            2
                  1
   (6)比较     mgh 与  mv2 是否相等.
                  2

            (注意:vn    为某点的瞬时速度;h n        为到第一个点的距离)
   探究案
   探究一.注意事项
   (1)选用质量和密度较大的重物,减小空气对它的阻力.
   (2)竖直安装铁架台,特别是打点计时器上的限位孔更应该竖直,从而减小纸带下
落时受到的阻力.
   (3)测量下落高度时,必须从打出的第                 1 个点计算.
   (4)实验时,应先接通电源使打点计时器开始工作,然后再放开纸带使重物下落.
   探究案二:在空中静止下落的物体,除受重力外还受什么力?我们怎样去减弱它们
对实验的影响?

   探究案三:实验时要计算减少的重力势能和增加的动能,我们是否还需要用天平测
重物的质量?

   探究案四:在实验过程中,我们是先打开电源还是先释放重物,为什么?

   实验数据记录:
         实验      计时点到          速度        动能变化         重力势能的变           动能变化量与
         数据  起始点的距离            (m/s  量            化量               势能变化量的差值
             h(m)          )             (J)          (J)          (J)
         1                                             

         2                                             

         3                                             

         4                                             

         5                                             

   通过实验数据中动能变化量与势能变化量的差值大小与动能变化量(重力势能的变化量)比较可以得
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到结论在误差范围内机械能守恒
   能力训练案
   1. 在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列叙述正确的是(AD   )
   A. 安装打点计时器时,两纸带限位孔应在同一竖直线上
   B. 实验时,在松开纸带让重物下落的同时,应立即接通电源
   C. 若纸带上开头打出的几点模糊不清,也可设法用后面清晰的点进行验证
   D. 测量重物下落高度必须从起始点算起
   2.在做验证“机械能守恒定律” 的实验中,发现重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能,造
成这种现象的原因是                             ( C   )
   A.选用的重锤质量过大                         B.选用的重锤质量过小
   C.空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力   D.实验室操作不细,试验数据测量不准
   3.某同学在应用打点计时器做验证机械能守恒定律实验中,获取一根纸带如图                                a 所示,但测量发现
0、1 两点距离远大于       2mm,且 0、1  和 1、2 间有点漏打或没有显示出来,而其他所有打点都是清晰完整的,

现在该同学用刻度尺分别量出            2、3、4、5、6、7     六个点到     0 点的长度   hi(i=2.3.4…7),再分别计算
                                2
得到  3、4、5、6   四个点的速度      vi 和 vi (i= 3.4.5.6),已知打点计时器打点周期为                T.


   (1)该同学求       6 号点速度的计算式是:v6=     ▲       
                                          2
   (2)然后该同学将计算得到的四组(hi ,vi                 )
        数据在    v2- h 坐标系中找到对应的坐标点,将四个点连接起来得
到如图   b 所示的直线,请你回答:接下来他是如何判断重锤下落过程机械
能守恒的?
   答:         ▲          .

   【答案】(1)                (4  分)

   (2) 根据机械能守恒定律,从             0 点到任意    i 点有                         得到:

              ,           关系是一条直线,斜率为           2g,所以只要在直线上取相对较远两点,计算出
斜率,与    2g 比较,在实验误差范围内相等即可。(6                分)
   过关检测案
   1、  某同学在用落体法验证机械能守恒定律时,进行了以下步骤:
   a.把电磁打点计时器固定在铁架台上,用导线将打点计时器接在低压交流电源上;
   b.将连有重物的纸带穿过打点计时器的限位孔,提稳纸带并将重物靠近打点计时器;
   c.释放纸带,然后接通电源开关,打出一条纸带;
   d.更换纸带,重复        b、c  步骤,选出点迹清晰符合要求的纸带;

   e.用公式    v   2gh 求出速度,验证机械能是否守恒.
      在以上的操作中,你认为存在错误的步骤是          (只填步骤前序号).
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   【答案】  c  e  
   2.右图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、带铁夹的重锤、天平.回答下列问题:


   (1)为完成此实验,除了所给的器材,还需要的器材有________.(填入正确选项前的字母)
   A.游标卡尺                         B.秒表
   C.0~12 V   的直流电源        D.0~12 V  的交流电源
   (2)实验中误差产生的原因有___________________________________________.(写出两个原因)
   【答案】 (1)D (2)纸带与打点计时器之间有摩擦,用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差,计
算势能变化时,选取始末两点距离过近,交流电频率不稳定.
   【详解】(1)不是用游标卡尺测长度,而是用米尺测量长度,用                         D 项交流电源供打点计时器使
用.(2)纸带与打点计时器之间有摩擦,用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差,计算势能变化时,选
取始末两点距离过近,交流电频率不稳定.
   3.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,电源的频率为                             50 Hz,依次打出的点为
0,1,2,3,4,…n.则:


   (1)如用第    2 点到第  6 点之间的纸带来验证,必须直接测量的物理量为________________、
________________、________________,必须计算出的物理量为________________、________________,
验证的表达式为__________________.
   (2)下列实验步骤操作合理的顺序排列是____________(填写步骤前面的字母).
   A.将打点计时器竖直安装在铁架台上   B.接通电源,再松开纸带,让重物自由下落
   C.取下纸带,更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验
   D.将重物固定在纸带的一端,让纸带穿过打点计时器,用手提着纸带

   E.选择一条纸带,用刻度尺测出物体下落的高度                     h1,h2,h3…,hn,计算出对应的瞬时速度             v1,v2,

v3,…vn
              1

   F.分别算出2mvn2和     mghn,在实验误差范围内看是否相等

   【答案】(1)第      2 点到第  6 点之间的距离      h26 第  1 点到第  3 点之间的距离      h13 第  5 点到第  7 点之间的
                                                     1     1

距离  h57 第  2 点的瞬时速度     v2 第  6 点的瞬时速度      v6 mgh26=2mv62-2mv2 (2)ADBCEF
   4.“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如下图所示的甲或乙方案来进行.
   (1)比较这两种方案,________(选填“甲”或“乙”)方案好些,理由是__________________.
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   (2)如图丙是该实验中得到的一条纸带,测得每两个计数点间的距离如图中所示,已知每两个计数点
之间的时间间隔       T=0.1 s.物体运动的加速度         a=________;该纸带是采用________(选填“甲”或“乙”
)实验方案得到的.简要写出判断依据
________________________________________________________________________
   ________________________________________________________________________.


   丙
   (3)如图丁所示是采用甲方案时得到的一条纸带,在计算图中                        N 点速度时,几位同学分别用下列不同
的方法进行,其中正确的是(  )


   丁
                      xn+xn+1

   A.vN=gnT     B.vN=    2T
          dn+1+dn-1

   C.vN=      2T           D.vN=g(n-1)T
   【答案】 (1)甲 该方案摩擦阻力小,误差小,操作方便
   (2)4.83 m/s2 乙 因为物体的加速度比            g 小得多
   (3)B
   5.在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中,质量                        m=1.00 kg 的重物自由下落,打点计时器在
纸带上打出一系列点.如图所示为选取的一条符合实验要求的纸带,O                            为第一个点,A、B、C        为从合适位
置开始选取的三个连续点(其他点未画出).已知打点计时器每隔                         0.02 s 打一次点,当地的重力加速度             g=
9.80 m/s2.那么:


   (1)纸带的________端(选填“左”或“右”)与重物相连;

   (2)根据图上所得的数据,从           O 点到  B 点,重物重力势能减少量          ΔEp=________ J,动能增加量

ΔEk=________ J(结果取    3 位有效数字);
   (3)实验的结论是________________________________________________________.
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   【答案】 (1)左 (2)1.88 1.84 (3)重物只受重力作用,在误差允许范围内,重物减小的重力势
能等于增加的动能,即机械能守恒
   【详解】 O      为第一个点在纸带的左端,所以纸带的左端与重物相连.根据图上所得的数据,从                                  O 点
                                                            1  xOC-xOA
                                                              (         )2
到 B 点,重物重力势能减少量          ΔEp=mgxOB=1.88 J,动能增加量        ΔEk=2m     2T     =1.84  J.实验的
结论是:重物只受重力作用,在误差允许范围内,重物减小的重力势能等于增加的动能,即机械能守恒.
     

   学后反思:
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