高中物理7.9实验验证机械能守恒定律导学案新人教版必修2

第七章 机械能守恒定律 第9节 实验：验证机械能守恒定律

【学习目标】

1、会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。

2、掌握验证机械能守恒定律的实验原理。

3.通过用纸带与打点计时器来验证机械能守恒定律，体验验证过程和物理学的研究方法。 【重点】掌握验证机械能守恒定律的实验原理。

【难点】验证机械能守恒定律的误差分析及如何减小实验误差的方法。

预习案

1、推导出机械能守恒定律在本实验中的具体表达式。

在图1中，质量为m 的物体从O 点自由下落，以地作零重力势能面，下落过程中任意两点A 和B 的机械能分别为：

E A = ， E B =

如果忽略空气阻力，物体下落过程中的机械能守恒，于是有:

上式亦可写成

为了方便，可以直接从开始下落的O 点至任意一点（如图1中A 点）来进行研究，这时应有：

mgh mv A 22

1----本实验要验证的表达式，式中h 是 高度，v A 是物体在A 点的 速度。

2、如何求出A 点的瞬时速度v A ？

3、如何确定重物下落的高度？

4、怎样验证机械能守恒定律？

探究案

探究一：该实验中选取被打点纸带应注意两点：一是第一点O 为计时起点，二是O 点的速 度应为零。怎样判别呢？

探究二:是否需要测量重物的质量？

探究三：在架设打点计时器时应注意什么？为什么？

探究四：实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？为什么？

探究五：测量下落高度时，某同学认为都必须从起始点算起，不能弄错。他的看法正确吗？为了减小测量 h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好，还是近些好？

实验步骤

1．把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好．

2．把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近．

3．接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打出一系列的点．4．重复上一步的过程，打两到三条纸带．

5．选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2 mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落的高度h1\h2\h3，……记人表格中．

6．用公式v n=h n+1+h n-1/2t，计算出各点的瞬时速度v1\v2\v3……并记录在表格中．

7．计算各点的重力势能的减少量。和动能的增加量，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内．

（五）实验数据处理

误差分析：

课堂小结：

课后巩固

【概念规律练】

知识点一实验器材的选择和实验的操作

1．用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中，下列物理量中需要测量的有( ) A．重物的质量

B．重力的加速度

C．重物下落的高度

D．与重物下落高度对应的重物的瞬时速度

2．在验证机械能守恒定律的实验中：

(1)从下列器材中选出实验所必需的，其编号为______．

A．打点计时器(包括纸带) B．重物

C．天平D．毫米刻度尺

E．秒表F．运动小车

(2)打点计时器的安装放置要求为__________；开始打点计时的时候，应先_______，然

后再________________________________．

(3)选择下列正确的实验步骤，并按次序排列为________．

A ．用天平测出重锤的质量

B ．把打点计时器竖直地夹稳在铁架台上

C ．接通电源，松开纸带

D ．松开纸带，接通电源

E ．用停表记下重锤下落的时间

F ．取下纸带，重复上述实验3次

G ．将纸带固定在重锤上，让纸带穿过打点计时器并用手提住，使重锤靠近打点计时器 H ．选取理想纸带，对几个方便的点测量并计算，看mgh 和12

mv 2是否相等

知识点二 实验的原理 3．在某次验证机械能守恒定律的实验中，由于打点计时器两限位孔不在同一条竖直线上，使纸带通过时受到了较大的阻力，则结果( )

A ．mgh>12mv 2

B ．mgh<1

2mv 2

C ．mgh ＝1

2

mv 2 D ．以上都不可能

4．某同学在做“验证机械能守恒定律”的实验时，不慎将一条选择好的纸带的前面部分损坏了，剩下的一段纸带上各点间的距离，他测出并标在纸带上，如图1所示．已知打

点计时器打点的周期T ＝0.02 s ，重力加速度g 取9.8 m /s 2

.

图1

(1)利用纸带说明重物通过第2、5两点时机械能守恒．

(2)分别说明为什么得到的结果是重力势能的减少量略大于动能的增加量？

【方法技巧练】 实验数据的处理方法

5．在“验证机械能守恒定律”的实验中，根据纸带算出各点的速度v ，量出下落距离h ，

则以v 2

为纵轴，以h 为横轴，画出的图线应是下图中的( )

6．在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz ，查得

当地的重力加速度g ＝9.80 m /s 2

，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计 数点对应刻度尺上的读数如图2所示，图中O 点是打点计时器打出的第一个点，A 、B 、

C 、

D 分别是每两个点取出的计数点．根据以上数据，可知重物由O 点运动到B 点时．

图2

(1)重力势能的减少量为多少？ (2)动能的增加量是多少？

(3)根据计算的数据可得出什么结论？产生误差的主要原因是什么？

课后反思：

参考答案

课后巩固

1．CD ，2．(1)A 、B 、D(2)底板要竖直 给打点计时器通电 释放重物 (3)B 、G 、C 、F 、H ，3．A ，4．见解析

解析 (1)v 2＝s 132T ＝(2.9＋3.3)×10－2

2×0.02

m/s ＝1.55 m/s

v 5＝s 462T ＝(4.0＋4.3)×10－2

2×0.02 m/s ＝2.08 m/s

ΔE k ＝12mv 25－12

mv 2

2＝0.96m

而ΔE p ＝mgs 25＝m ×9.8×(3.3＋3.6＋4.0)×10－2

＝1.07m

故在系统误差允许的范围内重物通过第2、5两点时机械能守恒． (2)不难看出ΔE p >ΔE k ，这是因为重物下落的过程中除了受到空气阻力的作用外，还受到纸带和限位孔间摩擦阻力的作用．

5．C

6．(1)1.911m (2)1.89m (3)从(1)、(2)中计算的数据可得出在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，机械能守恒．产生误差的主要原因：重物在下落时要受到阻力作用(打点计时器对纸带的摩擦力、空气阻力)，克服阻力做功．