验证机械能守恒实验教案

7.5 实验：验证机械能守恒定律

【教学目标】

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．4．通过实验验证，体会学习的快乐，激发学习的兴趣；通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观．培养学生的观察和实践能力，培养学生实事求是的科学态度．

【教学重、难点】

1．掌握验证机械能守恒定律的实验原理．

2．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．

【实验器材】电火花计时器(或电磁打点计时器)，交流电源，纸带(复写纸片)，重物(带纸带夹子)，导线，刻度尺，铁架台(带夹子)

【课时安排】1课时

【教学设计】

课前预学

【预学内容】

1．复习巩固机械能守恒定律的条件

下列几种情况中，物体的机械能守恒的是（不计空气阻力）：（）

A．水平推出的铅球在空中运动的过程

B．沿着光滑斜面匀加速下滑的物体

C．被起重机匀速吊起的物体

D．物体做自由落体运动

2．受上题的启发，如果现在要用一个具体的运动实例来验证机械能守恒定律，你觉得选哪种运动来研究最简单，方便呢？说说你的理由．

3．根据你的选择，谈谈实验中要测量的物理量，要用到的实验器材，必要的实验步骤．【预学疑难】

课内互动

【新课导入】

根据前面的学习，我们知道了物体在只有重力做功的情况下机械能守恒，那么如何用实验来验证这个定律呢？这节课我们就一起来探讨这个问题．

【新课教学】

一、设计实验：

教师活动：针对大家的预学情况，投影出几个同学的实验方案，要求大家分组讨论每个方

案的可行性．

学生活动：分组讨论，并派代表发言．得出结论：自由落体运动是一种只有重力做功的最

简单的运动．

教师活动：自由落体物体初速度为零，当下落高度为h 时，速度达到v ，则有：221mv mgh 本实验中我们就要找出物体减少的重力势能mgh 和物体增加的动能221mv 看看两者是否相等，如果两者相等，则验证了机械能守恒定律．

提出问题：实验中我们要测量那些物理量？需要用到哪些实验仪器呢？ 学生活动：分组讨论，并派代表发言

学生甲： 需要天平测物体的质量，刻度尺测量物体下落的高度

学生乙： 不需要测质量，因为质量可以两边约掉，只要看gh 是否等于22

1v 就可以了． 可以借助于打点计时器来测物体下落的高度以及物体的速度．另外打点计时器

的限位孔要竖直放置，所以需要用仪器把打点计时器竖直固定．

教师活动：很好，质量是不需要测的，所以不需要用天平．另外我们可以用带夹子的铁架

台将打点计时器固定．

提出问题：如何根据实验打出的纸带测量物体下落的距离，及物体的速度呢？ 学生活动：在纸带上取某点A ，测出它距第一个点的距离，即为物体下落的高度．在A 点

前后各取一个点，将A 点作为两点的中间时刻，求出前后两点之间的平均速度即为A 点的瞬时速度．

教师活动：同学们讨论的都非常好，那么下面我们就一起来看

看实验的具体步骤

(1) 按图装置固定好计时器，并用导线将计时器接到电

压合适的交流电源上

(2) 将纸带的一端用小夹子固定在重物上，使另一端穿

过计时器的限位孔，用手竖直提着纸带，使重物静

止在靠近计时器的地方．

(3) 接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就

在纸带上打下一系列小点．

(4) 换几条纸带，重做上面的实验．

二、学生分组实验

在学生开始做实验之前，老师应强调如下几个问题：

（1）打点计时器所接电源有何要求？

（2）在架设打点计时器时应注意什么？为什么？

（3）实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？为什么？

学生活动：思考老师的问题，讨论、交流．选出代表发表见解．

（1）电火花计时器要接到220 V 交流电源上，电磁打点计时器要接到4 V ～6 V 的交流低压电源上

（2）打点计时器要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以尽量减少重物带着纸带下落时所受到的阻力作用．

（3）必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落．

学生分组进行试验，教师巡回指导

三、整理、分析数据

教师活动：怎样选取合适的纸带呢？

学生活动：甲：选择点迹最为清晰的纸带，以便于取点计算分析

乙：因为是自由落体运动，因此打第一个点时的速度必须为零，与第二个点之

间的距离应为2mm ．

教师活动：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？

学生活动：这个同学的看法是正确的．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．

由图表可见：mgh 总是近似等于22

mv ． 提出问题：大家有没有发现虽然mgh 总是近似等于

221mv ，但是mgh 总是略大于221mv ，也就是说重物减少的重力势能要略大于物体增大的动能．大家能分析一下这个

现象吗？

学生活动：分组讨论，并派代表回答

学生甲： 重物下落过程中要受到空气阻力作用，有一部分重力势能要转化为内能，所以

重物减少的重力势能要略大于物体增大的动能．

学生乙：纸带与限位孔之间可能也或多或少存在一些摩擦

教师活动：大家分析得很对，为了减小实验误差，应尽量减小重物下落时纸带所受的阻力．因此我们对重物的选择就有一定的要求了，最好选择质量大，体积小的重

物，以减小空气阻力对实验的影响，但是，空气阻力总还是存在的，所以，所

以实验中重力势能的减小量应总大于动能的增加量，这样才是符合实际的四、得出结论：

学生活动：在只有重力做功的情况下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械能的总量保持不变．

【课堂小结】

本节课我们通过对自由落体的研究，验证了在只有重力做功的情况下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械能的总量保持不变．在该实验中，我们都是从起点开始测物体下落的距离，从而进行验证．如果某同学不慎将纸带开始的一部分撕坏了，那么可以用该纸带来进行数据处理，从而进行验证吗？这个问题留给大家课后思考．

课后提升

1．在“验证机械能守恒定律”的实验中，需要直接测量和间接测量的数据是重物的( ) A．质量B．下落时间C．下落高度D．瞬时速度

2．选择纸带时，较为理想的是( )

A．点迹小而清晰的B．点迹粗的

C．第一、二点距离接近2mm的D．纸带长度较长的(40---50cm)

3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，有下列器材可供选择：

铁架台（含夹子）、打点计时器、复写纸、低压直流电源、天平、秒表、导线、开关．其中不必要的器材是__________．缺少的器材是__________．

4．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．

5．下列实验步骤中，合理的顺序是

A．把重物系在夹子上，纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系重物的夹子，让夹子靠近打点计时器．

B．把打点计时器接入学生电源交流输出端，输出电压调在6V．

C．把打点计时器固定在铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上．

D．拆下导线，整理器材．

E．接通电源，释放纸带．

F．断开电源，更换纸带．再进行两次实验．

G．在三条纸带中选取最合适的一条，再纸带上选几个点，进行数据处理．

6．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____