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学案设计

这是一份高中物理人教版 (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学案设计，共7页。学案主要包含了学习目标，学习重难点，预习新知，重难探究，巩固训练等内容，欢迎下载使用。

【学习目标】
（一）学习目标
1、理解实验的设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量。
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。
3、能正确进行实验操作，能根据实验数据的分析得出实验结论。
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。
【学习重难点】
（一）学习重难点
1、理解用落体法验证机械能守恒定律（重点）
2、理解用光滑斜面法验证机械能守恒定律（重点）
3、学会用平均速度法求解瞬时速度（难点）
4、学会用图像法处理实验数据并运用所学知识处理实验误差（难点）
【预习新知】
（一）实验思路
1.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，则减少的重力势能为mgh，增加的动能为mv2/2。若两个量在误差范围内相等，就验证了机械能守恒定律。
2.测定第n点的瞬时速度的方法是：物体做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度。
3.如图所示为实验中得到的纸带，各段距离的测量数据在图中标出，设相邻计数点间的时间为T，则纸带上n点的瞬时速度的计算表达式为：
（一）物理量的测量
数据分析
根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足
也可以计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足
本实验我们提供物体做自由落体运动及沿光滑斜面下滑这两种方案。
【重难探究】
（一）重难探究
一、用落体法验证机械能守恒定律
1、实验步骤
（1）仪器安装:按图示装置竖直架稳打点计时器，并用导线将打点计时器接在电源上。
（2）打纸带:将长约1m的纸带用小夹子固定在重物上后穿过打点计时器，用手提着纸带，使重锤静止在靠近打点计时器的地方。接通电源，松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器就在纸带上打下一系列的点。
（3）换几条纸带，重复上面的实验。
2、数据处理
（1）求瞬时速度
在取下的纸带中挑选第1、2两点间距离接近2mm且点迹清晰的纸带进行测量。记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点0、1、2、3、…、n+1并测量出各计数点到O点的距离h0、h1、h2、h3、…、hn+1，再根据公式，计算出1、2、3、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、…、vn。
（2）机械能守恒验证
方法一：利用起始点和第n点
从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为，如果在实验误差允许的范围内＝mghn，即＝ghn成立，则机械能守恒定律得到验证。
方法二:任取两点
①任取两点A,B，测出hAB，求出ghAB。
②分别求出A、B两点的瞬时速度vA、vB，求出的值。
③如果在实验误差允许的范围内＝ghAB，就证明机械能是守恒的。
方法三：图像法
计算各计数点的，以为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出h图线。若在实验误差允许的范围内，图像是一条过原点且斜率为g的直线，如图所示，则验证了机械能守恒定律。
（3）误差分析
①本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服空气阻力及打点计时器的摩擦阻力做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp，这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装和选用质量和密度较大的重物，尽可能地减小阻力的影响。
②本实验的偶然误差主要来源于长度的测量。减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各计数点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值。
一、用气垫导轨验证沿斜面下滑物体的机械能守恒
1、实验步骤
（1）器材安装: 按图示安装器材，调节气垫导轨至倾斜状态，测出两光电门所在位置的高度差Δh。
（2）实验测速：连通进气装置，使气垫导轨开始工作，从静止释放滑块，分别侧出滑块经过两个光电门的遮光时间Δt1、Δt2。
（3）重复实验：从不同的位置释放滑块，分别测出遮光时间。
2、数据处理
（1）速度的测量：用游标卡尺测出滑块上遮光片的宽度d，读出遮光条通过光电门的遮光时间，则滑片通过光电门的速度。
（2）验证关系式
方式1（两个光电门）：分别测出滑块经过两个光电门的速度和，用刻度尺测出两光电门的高度差Δh，验证在误差范围内是否满足。
方式2（一个光电门）：让滑块从光电门上方某一位置由静止释放，测出该点到光电门的高度差△h和滑块经过光电门的速度，验证在误差范围内成立。
【巩固训练】
（一）巩固训练
1.在“自由落体法验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器接在6V、50Hz的交流电源上，自由下落的重物质量为1kg，一条理想的纸带数据如图所示，单位是cm，g取，O、A之间有几个计数点没画出.
（1）打点计时器打下计数点B时，物体的速度为_______；
（2）从起点O到打下计数点B的过程中重力势能的减少量为，动能的增加量为.通过计算，数值上_______（选填“>”“<”或“=”）.
如图甲所示，某课外探究小组做“验证机械能守恒定律”的实验。金属小球的直径为d、质量为m，小球由A处静止释放，通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为。多次改变高度H，重复上述实验。当地的重力加速度为g。则：

（1）如图乙所示,用游标卡尺测得小球的直径 。
（2）作出 一随 H的变化图象如图丙所示。图中 、 为已知量,重力加速度 g与小球的直径 d满足以下表达式:___________时(用 g、 d、 、 表示),可判断小球下落过程中机械能守恒。
（3）某次实验中发现动能增加量 总是稍小于重力势能减少量 ,不考虑测量误差,可能的原因是 (写出一条即可)。
参考答案
1.答案：（1）0.98m/s（2）>
解析：（1）利用匀变速直线运动的推论可得打点计时器打下计数点B时物体的速度。
（2）从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减小量，动能的增加量，通过计算，数值大于。