高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律导学案及答案

实验：验证机械能守恒定律

【学习目标】

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。

【学习重点】

验证机械能守恒定律的实验原理。

【学习难点】

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。

【新知探究】

一、自主学习

1．必须选择一个符合机械能守恒的运动模型来验证机械能守恒定律，本实验选择自由落体运动模型来验证机械能守恒定律，是因为物体在自由落体运动过程中只____做功，满足____________。

2．按照书本要求，本实验是验证自由落体轨迹上开始点和其后任意点的机械能守恒，为此必须选择物体初速度为_______，判断开始点是否满足要求的依据是_____________，为了计算物体减少的重力势能，必须测量出物体__________________，对应的测量器材是___________。为了计算出某点时刻物体的动能，必须测量出物体在该时刻的瞬时速度，其计算公式为__________________，这是利用了什么原理？_________________。为了计算物体的动能和重力势能，按理还需要知道物体的质量，但本实验中可以不测物体的质量，其原因是_______。

3．实验操作过程中，是先接通电源开始打点还是先放开纸带？为什么？_______。

4．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。因此物体应选______（填重、轻），纸带应_______放置。尽管采取了上述措施，但由于阻力还是存在的，所以实验中重力势能的减小量应______动能的增加量，这样才是符合实际的。

二、合作学习

例题：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50Hz，测得当地的重力加速度g=9.8m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg，实验中得到一点迹清晰的纸带（如图），把第一点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D到0点的距离分别为62.99cm，70.18cm，77.76cm，85.73cm，根据以上的数据，可知重物由0运动到C点，重力势能的减小量等于_______J，动能的增加量等于_______J。（取三位有效数字）

解析 重物从O点到C点下落高度h=0.7776m，△WP=mgh=1.00×9.8×0.7776J=7.62J

计算相应过程的动能增加量应先计算出C点的瞬时速度vc，由图可知：

vc=xBD/2t=（0.8537-0.7018）/（2×0.02）=3.898（m/s）

故ΔEk=mvc2/2=1.00×3.8982/2J=7.56J

拓展 有些认为动能增加量可以根据机械能守恒得到△Ek=0.762J，这样做犯了逻辑错误，因为实验目的就是要验证机械能是否守恒，验证过程中当然不能利用机械能守恒的结论。且实验中不可避免存在阻力，动能增加量不等于重力势能的减小量。

【学习小结】

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。

【精练反馈】

1．在本实验中，对自由下落的重物，下述选择的条件哪种更为有利？（ D ）

A．只要有足够重就可以

B．只要体积足够小就可以

C．既要足够重，又要体积非常小

D．应该密度大些，还应便于夹紧纸带，使纸带随同运动时不致扭曲

2．在本实验中，有如下器材：A．打点计时器；B．低压交流电源（附导线）；C．天平（附砝码）；D．铁架台（附夹子）；E．重锤（附夹子）；F．纸带；G．秒表；H．复写纸。其中不必要的有________________；还缺少的是________________。

C，G；刻度尺，电键

3．下列列出一些实验步骤：

A．用天平称出重物和夹子的质量。

B．将重物系在夹子上。

C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把纸带向上拉，让夹子静止在靠近打点计时器处。

D．把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6V（电源不接通）。

E．把打点计时器用铁夹子固定到放在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一直线上。

F．在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据。

G．用秒表测出重物下落的时间。

H．接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带。

I．切断电源。

J．更换纸带重新进行两次实验。

K．在三条纸带中选出较好的一条。

L．进行计算，得出结论，完成实验报告。

M．拆下导线，整理器材。

对于本实验以上步骤中，不必要的有_________；正确步骤的合理顺序是：________（填写代表字母）

A，G；EDBCHIJMKFL

4．本实验中，设在选定的纸带上依次把点子记为1，2，3，……等计数点，如图，纸带上所打点，记录了物体在不同时刻的_________，当打点计时器打点“4”时，物体动能的表达式应该是__________；若以计数点1为参考点，当打第4点时物体的机械能的表达式为______________（打点计时器的打点周期为T）。