高中物理人教版 (2019)必修 第二册第八章 机械能守恒定律5 实验：验证机械能守恒定律教案

实验：验证机械能守恒定律

【教学目标】

1．理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量。

2．知道实验中选取测量点的有关要求，会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离，掌握测量物体运动的瞬时速度的方法。

3．能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析中得出实验结论。

4．能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差。

【教学重点】

验证机械能守恒定律的实验原理。

【教学难点】

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。

【教学方法】

探究、讲授、讨论、学生分组实验、练习。

【教学过程】

上节课我们学习了机械能守恒定律，掌握了机械能守恒定律的条件和公式。这节课我们通过实验来验证一下机械能守恒定律。

一、实验介绍

1．实验目的：验证机械能守恒定律。

2．实验原理：本实验验证极其简单情形下的机械能守恒──自由落体运动（参考案例1和参考案例2同属于验证机械能守恒，本实验选取其中之一——参考案例1作分析，参考案例2依此类推）。而且，针对的是及其特殊的过程──从释放点到某位置。

计量重力势能的改变时，只要测量出过程越过的高度，结合当地的重力加速度即可。计量动能改变时，启用了打点计时器──根据打出的纸带求末状态的瞬时速度（依据“匀变速运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”）。

二、实验步骤

1．按图安装实验器材，电源接学生电源，并将输出电压调至4~6V交流。接通电源前，用手提升纸带至重物靠近打点计时器处。

图1

2．先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。关闭电源，取下纸带备用。

3．重复步骤2次，打出3条纸带。

4．取点迹清晰，且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量。在纸带上任取几个连续的点（或间隔点数相同的点）A、B、C……，如下图所示。

图2

5．验证A点到C点过程机械能守恒的方程：根据做匀加速直线运动的物体在某一段时间t内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度可求出B点的瞬时速度。根据公式，可求出B点的瞬时速度。依此类推可求出点A、C……处的瞬时速度vA、vC……。计算物体在选定位置上动能与势能是否满足机械能守恒定律（为第一点到验证点的距离）。

6．拆下器材，放回原处。

三、数据处理&分析

依据刚才的实验，我们采集整理以下信息：

实验结论：

在实验误差允许的范围内，重物减少的重力势能     增加的动能，所以，总的机械能是      。

过渡：另外，我们还有一些细节问题需要特别注意，下面一起来汇总。

注意事项：

1．本实验中的阻力（空气阻力、纸带阻力）是客观存在的，只有当重物的重量足够大，才能确保阻力远小于重力，近似满足机械能守恒的条件。

2．如果我们得到的式子是，是正常的，因为有介质阻力作负功；反之，如果得到，则说明实验有问题。

3．取第一、二点间距为2mm进行数据处理的道理是：只有当振针抬起的一刻释放纸带，才会有第一、二点之间的距离为2mm，反之，如果振针运动到空中时释放纸带，则第一、二点之间的距离必然会小于2mm（因为运动时间不足0.02s）。对于第二种情形，则相当于初速度打第一点时初速度不为零（事实上是“小于”零），所以不是本实验所规定的考查过程。

很显然，如果我们考查的是中途的任意两点之间的过程，则2mm的这个要求是不必要的。

4．本实验不需要测量重物的质量。

5．重力加速度不能取10m/s2，因为这是一个考查实际重力势能变化的问题。加速度也不能通过纸带求出，如果是这样，我们所验证的守恒关系将是一个恒等关系──从理论的角度看，本实验可以这样看：重锤的加速度从多大的程度接近重力加速度，就是过程从多大程度上满足机械能守恒定律。

四、课堂小结

本节课主要学习了：1．实验目的：用自由落体运动验证机械能守恒。2．纸带的选取及重物速度的测量方法。3．实验的误差来源及注意事项。希望同学们课后将整个流程温习一遍后再认真回忆一下实验注意事项，毕竟，细节决定成败。

五、作业布置

1．完成实验报告；

2．教材“练习与应用”第1、2题。