高中物理4.5驗證機械能守恒定律學案粵教版必修

1、§4.5 驗證機械能守恒定律【學習目標】一、知識與技能：1、知道機械能守恒定律的內(nèi)容和意義應向?qū)W生說明定律有兩層意思：一是動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，二是總機械能守恒2、知道機械能守恒的條件：只有重力和彈力做功，只發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化3、通過驗證機械能守恒定律進一步加深對機械能守恒條件的理解。 二、過程與方法：1、通過這個開放型實驗，了解對所學知識的掌握和靈活應用程度，了解對實驗儀器的作用和使用的掌握情況2、根據(jù)設計的實驗方案，了解對機械能守恒條件的理解程度，學會怎樣減小實驗誤差3、通過實驗，使學生學會處理和解決實際問題的一般思路和方法三、情感態(tài)度與價值觀：1、通過這個開放型實驗，培

2、養(yǎng)創(chuàng)新意識和探索能力2、通過匯報與交流，了解實驗方案的不足，實際操作的不便，對實驗方案和實驗步驟進行改進，提高實驗的準確性【學習重點】1、驗證機械能守恒定律的實驗原理。2、驗證機械能守恒定律的誤差分析及如何減小實驗誤差的方法【知識要點】hhAhB圖11機械能守恒定律實驗原理：在圖1中，質(zhì)量為m的物體從O點自由下落，以地作零重力勢能面，下落過程中任意兩點A和B的機械能分別為：EA=, EB=如果忽略空氣阻力，物體下落過程中的機械能守恒，于是有 EA=EB，即=圖201234S1S2S3h1h2h3h4上式亦可寫成該式左邊表示物體由A到B過程中動能的增加，右邊表示物體由A到B過程中重力勢能的減少。

3、等式說明，物體重力勢能的減少等于動能的增加。為了方便，可以直接從開始下落的O點至任意一點（如圖1中A點）來進行研究，這時應有：-本實驗要驗證的表達式，式中h是物體從O點下落至A點的高度，VA是物體在A點的瞬時速度。2如何求出A點的瞬時速度VA？根據(jù)做勻加速運動的物體在某一段時間t內(nèi)的平均速度等于該時間中間時刻的瞬時速度可求出A點的瞬時速度VA。圖2是豎直紙帶由下而上實際打點后的情況。從O點開始依次取點1,2,3,圖中S1，S2，S3，分別為02點，13點，24點 各段間的距離。根據(jù)公式，t=2×0.02S(紙帶上任意兩個相鄰的點間所表示的時間都是0.02S),可求出各段的平均速度。這

4、些平均速度就等于是1，2，3,各點相對應的即時速度V1，V2，V3，.例如：量出02點間距離S1，則在這段時間里的平均速度，這就是點1處的瞬時速度V1。依次類推可求出點2,3,處的瞬時速度V2，V3，。3如何確定重物下落的高度？圖2中h1,h2,h3,分別為紙帶從O點下落的高度。根據(jù)以上數(shù)值可以計算出任意點的重力勢能和動能，從而驗證機械能守恒定律。（二）實驗過程：1該實驗中選取被打點紙帶應注意兩點：一是第一點O為計時起點，O點的速度應為零。怎樣判別呢？因為打點計時器每隔0.02S打點一次，在最初的0.02S內(nèi)物體下落距離應為0.002m,所以應從幾條紙帶中選擇第一、二兩點間距離接近兩年2mm

5、的紙帶進行測量；二是在紙帶上所選的點就是連續(xù)相鄰的點，每相鄰兩點時間間隔 t=0.02S.2因為不需要知道物體在某點動能和勢能的具體數(shù)值，所以不必測量物體的質(zhì)量 m，而只需驗證就行了。3打點計時器要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)，以盡量減少重物帶著紙帶下落時所受到的阻力作用。4實驗時，必須先接通電源，讓打點計時器正常工作后才能松開紙帶讓重物下落。5測量下落高度時，都必須從起始點算起，不能弄錯。為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點適當遠些。【典型例題】圖8例 1、請設計一個驗證機械能守恒定律的實例 分析：可利用自由落體運動，驗證物體做自由落體運動時，機械能是否守恒。實

6、驗前必須熟練勻變速直線運動和自由落體運動的規(guī)律，必須熟練掌握利用打點計時器打在紙帶上的點求物體瞬時速度的方法。解：實驗目的：驗證機械能守恒定律。實驗原理：通過實驗，求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應過程中動能的增加量，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。實驗器材：打點計時器、電源、紙帶、復寫紙片、重物、刻度尺、帶有鐵夾的鐵夾臺、導線兩條 實驗步驟：如圖所示，將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過打點計時器；用手握著紙帶，讓重物靜止地靠近打點計時器，然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由落下，紙帶上打下一系列點。從幾條打下點的紙帶中挑選第一、二點間距離接近2mm且點跡清楚的紙帶進

7、行測量，測出一系列點到第一個點的距離，h1、h2 ，可根據(jù)公式，計算物體在打下點1、2時的瞬時的速度v1、v2，計算相應的動能的增加值。用刻度尺測量紙帶從點O到點1、2之間的距離h1、h2，計算出相應減少的重力勢能。實驗的注意事項： a、打點計時器安裝時，必須使紙帶兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。b、實驗時，需保持提紙帶的手不動，待接通電源，讓打點計時器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個點是一個清晰的點。c、選用紙帶時應盡量挑選第一、二點間接近2mm的紙帶。d、測量下落高度時，必須從起始點算起，不能搞錯，為了減小測量h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起點遠一些，紙帶也不易過

8、長，有效長度可在60cm-90cm之內(nèi)。e、因不需要知道動能和勢能的具體數(shù)值，所以不需要測量重物的質(zhì)量。  例2、在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，已知打點計時器所用的電源的頻率為 50 Hlz ，查得當?shù)氐闹亓铀俣?g = 9.8m /s2 , 測得所用的重物的質(zhì)量m= l.0kg , 實驗中得到一條點跡清晰的紙帶把第一個點記作 O, 另選連續(xù)的 4 個點 A 、B 、C 、D 作為測量的點，如圖所示, 經(jīng)測量知道 A 、B 、C 、D 各點到 O 點的距離分別為 62.99 cm 、70.18 cm 、77.76 cm 、85.73 cm ，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由 O 點運動

9、到 C 點, 重力勢能的減少量等_ J ，動能的增加量等于_ J （取三位有效數(shù)字） 答案：7.62 J ， 7.56 J例3、在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，選出條紙帶如圖所示其中 O 點為起始點，A 、B 、C為三個計數(shù)點，打點計時器通過50Hz的交流電源,用毫米刻度尺測得OA11.13 cm, OB=17.69cm . OC =25.9cm. （1） 這三個數(shù)據(jù)中，不符合有效數(shù)字要求的是_應該寫成_ cm （2） 在計數(shù)點 A 和B之間、 B 和 C 之間還各有一個點，重物的質(zhì)量為mkg , 根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，當打點計時器打到B點時，重物的重力勢能比開始下落時減少了_J ；這時它的動能

10、為_J ( g 取 9.80m / s2 ) 答案：（1）25.9cm, 25.90cm ; （2）1.73mJ ；1.70mJ .【當堂反饋】1.在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的實驗中，得到了一條如圖427所示的紙帶(打0點時，速度為0)，紙帶上的點記錄了物體在不同時刻的_，當打點計時器打第五個點時，物體動能的表達式為Ek=_,物體重力勢能減少的表達式為Ep=_，實驗中是通過比較_來驗證機械能守恒定律的(設交流電周期為T).圖4272.關于驗證機械能守恒定律的下列說法中正確的是A.選用重物時，重的比輕的好B.選用重物時，體積小的比大的好C.選定重物后，要稱出它的質(zhì)量D.重物所受的重力，

11、應遠大于它受的空氣阻力與紙帶受到打點計時器打點時的阻力之和3.下面列出一些實驗步驟A.用天平測出重物和夾子的質(zhì)量；B.將重物系在夾子上；C.將紙帶穿過計時器，上端用手提著，下端夾上系住重物的夾子.再把紙帶向上拉，讓夾子靠近打點計時器處；D.打點計時器接在學生電源交流輸出端，把輸出電壓調(diào)至6 V(電源不接通、交流)；E.打點計時器固定放在桌邊的鐵架臺上，使兩個限位孔在同一豎直線上；F.在紙帶上選取幾個點，進行測量和記錄數(shù)據(jù)；G.用秒表測出重物下落的時間；H.接通電源,待計時器響聲穩(wěn)定后釋放紙帶；I.切斷電源； J.更換紙帶，重新進行兩次；K.在三條紙帶中選出較好的一條；L.進行計算，得出結(jié)論，完

12、成實驗報告；M.拆下導線，整理器材.以上步驟，不必要的有_，正確步驟的合理順序是_.4.在“利用自由落體運動驗證機械能守恒定律”的實驗中，若以v2為縱軸，h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的應是什么樣的圖象？能否根據(jù)這一圖象驗證機械能守恒？圖線的斜率有什么物理意義？【參考答案】1、相對位置 m()2 mgs5重物下落時減少的重力勢能和增加的動能是否相等2、ABD3、AG EDBCHIJKFLM4、如果是一條過原點的直線，就說明自由落體運動中機械能守恒，圖象的斜率數(shù)值上等于重力加速度的值.【達標訓練】1進行“驗證機械能守恒定律”的實驗，有下列器材可供選用：鐵架臺、低壓交流電源、復寫紙、紙帶、秒表、低壓直

13、流電源、導線、開關、天平、重錘其中不必要的器材有：_；缺少的器材是_。2“驗證機械能守恒定律”的實驗采用重物自由下落的方法（1） 用公式mv2/2=mgh時，對紙帶上起點的要求是_;（2） 若實驗中所用重錘質(zhì)量m=1 kg , 打點紙帶如圖所示，打點時間間隔為0.02s，則記錄 B 點時重錘的vB=_，重錘的動能Ek=_, 從開始下落起至 B 點，重錘的重力勢能減少量是_因此可得出的結(jié)論是_.（3） 根據(jù)紙帶算出相關各點的速度v，量出下落距離 h , 則以v2/2為縱軸,以h為橫軸畫出的圖線應是下圖中的_. 3（ 2007 年濟南模擬）在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，質(zhì)量為m的重錘從高處由靜

14、止開始下落，重錘拖著紙帶通過打點計時器打出一系列點，對紙帶上的點進行測量，就可以驗證機械能守恒定律。 如圖所示，選取紙帶上打出的連續(xù)五個點 A 、 B 、 C 、 D 、 E ，測出 A 點距起始點 O 的距離為x。，點 A 、C 間的距離為x1 ，點 C 、E間的距離為 x2，交流電的頻率為 f ，用以上給出的已知量寫出 C 點速度的表達式：vC=_；在OC這段時間內(nèi)，重錘的重力勢能的減少量為_；利用這個裝置還可以測量重錘下落的加速度，則加速度的表達式為： a=_。 4在驗證機械能守恒定律的實驗中，關于某一點的速度能否根據(jù)v=gt或來求解？5在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，質(zhì)量m= 200

15、g 的重錘拖著紙帶由靜止開始下落，在下落過程中，打點計時器在紙帶上打出一系列的點，在紙帶上選取三個相鄰計數(shù)點A、 B 和 C 相鄰計數(shù)點間的時間間隔為0.10s，O為重錘開始下落時記錄的點，各計數(shù)點到 O 點的距離如圖所示，長度單位是 cm當?shù)刂亓铀俣?g 為 9.80m/s2. （1） 打點計時器打下計數(shù)點 B 時，重錘下落的速度vB=_（保留三位有效數(shù)字）； （2） 從打下計數(shù)點 O 到打下計數(shù)點 B 的過程中，重錘重力勢能減小量EP=_，重錘動能增加量Ek=_（保留三位有效數(shù)字）.6( 2007青島模擬）如圖所示，不可伸長的細線一端拴一小球，另一端懸于 O 點，現(xiàn)將細線張緊，使細線處于水平狀態(tài)，將小球從 A 處由靜止釋放，到 O 點正下方 B 處時，細線恰好被 C 處的刀片切斷。若僅有刻度尺，為驗證小球從 A 點下擺到 B 點的過程中機械能守恒，需測定的物理量及相應符號是_，用這些物理量表示的機械能守恒的關