驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1、驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?（開門見山教師直接引出）該實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證物體只有重力做功時(shí)，機(jī)械能守恒.當(dāng)物體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí),只有重力做功,增加的動(dòng)能應(yīng)等于減少的重力勢(shì)能,即驗(yàn)證|Ek|=|Ep|.mv2=mgh.實(shí)驗(yàn)裝置及要求實(shí)驗(yàn)裝置，因?qū)嶒?yàn)中要測(cè)重錘下落的高度h和下落過程中的速度v,故采用“留跡法”記錄下重錘下落過程中的各個(gè)位置，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶等裝置作用即在此,因該實(shí)驗(yàn)中比較的是重錘自由落下一定高度時(shí)的Ek和Ep的大小關(guān)系,因而需要記下重錘下落的初始位置.實(shí)驗(yàn)時(shí)先用手提著紙帶,使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方,然后給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接通電源,待振動(dòng)穩(wěn)定時(shí)再為使實(shí)驗(yàn)原理更簡(jiǎn)單,讓振

2、針打第一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的初速度為零，須挑選紙帶上第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2 mm,使Ek= mv2-0,在紙帶上記下該點(diǎn)的位置O，并在紙帶上從離位置O較遠(yuǎn)處開始依次選取幾個(gè)連續(xù)的點(diǎn)1、2、3并用刻度尺依次測(cè)出各點(diǎn)到位置O的距離.如圖6-5-2所示，這些距離就是重錘從靜止開始運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)1、2、3時(shí)下落的高度h1、h2、h3利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于該段時(shí)間內(nèi)的平均速度求出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重錘速度vn= ，比較重錘下落各不同高度時(shí)增加的動(dòng)能 mvn2和減少的重力勢(shì)能mghn是否相等，從而驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒.  誤差分析：因重錘自由下落時(shí)忽略阻力作用，所以在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量減小由于紙帶的

3、阻力產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差.實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)選用密度較大些的重錘以減小空氣對(duì)紙帶的阻力，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)豎直架穩(wěn)固定,紙帶豎直拿高以減小限位孔對(duì)紙帶的阻力，復(fù)寫紙應(yīng)放在紙帶的上面使振針間接接觸紙帶,以減小振針對(duì)紙帶的阻力，有條件的最好選用電火花計(jì)時(shí)器.另外g要取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，若未指?則g取9.8 m/s2.由于測(cè)量長度帶來的是偶然誤差，減小該誤差的辦法是在測(cè)量下落高度時(shí)，一是選取的各計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)O遠(yuǎn)些，可減小由于測(cè)物體下落高度h帶來的相對(duì)誤差；二是多測(cè)幾次取平均值.注意事項(xiàng)1.由于 mvn2=mghn式中都含有m，因此本實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)重錘的質(zhì)量m. （學(xué)生討論得出）2.實(shí)驗(yàn)時(shí)，需保持提紙帶的手不動(dòng)，待

4、接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個(gè)點(diǎn)是一個(gè)清晰的小點(diǎn).（實(shí)驗(yàn)過程中始終堅(jiān)持新課程標(biāo)準(zhǔn)要求,注重過程,培養(yǎng)學(xué)生思考能力）3.因重物自由下落時(shí)的加速度較大，每兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔不一定取連打5個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔為計(jì)時(shí)單位. （可以設(shè)問是否一定要取連打5個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔為計(jì)時(shí)單位呢）重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)剖析【例1】 在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，所用電源的頻率為50 Hz，某同學(xué)選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)刻度尺上的讀數(shù)如課本圖6-5-3所示.(圖中O點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C、D、E分別是每打兩個(gè)點(diǎn)取出的計(jì)數(shù)根據(jù)紙帶要求計(jì)算：（教師演算,

5、解答.）(1)若重錘的質(zhì)量為m，則重錘從開始下落到打B點(diǎn)時(shí)，減少的重力勢(shì)能是多少?(2)重錘下落到打B點(diǎn)時(shí)增加的動(dòng)能為多大?(3)從上述數(shù)據(jù)可得出什么結(jié)論?解析:(1)重錘從開始下落到打B點(diǎn)時(shí)減少的重力勢(shì)能為：Ep減=mgh=mg =9.8×0.195 0m J=1.911m J.(2)重錘下落到打B點(diǎn)時(shí)的速度為vB=(sAB+sBC)/2T=(0.280 5-0.125 0)/(2×0.04) m/s=1.943 8 m/s則物體從開始下落到打B點(diǎn)增加的動(dòng)能為Ek增=mvB2/2=(1.943 8)2m/2 J=  1.889m J.(3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)

6、重錘重力勢(shì)能的減少量等于其動(dòng)能的增加量，故重錘機(jī)械能守恒. （這一步可以在學(xué)生討論后給出.）歸納:重錘減少的重力勢(shì)能略大于其增加的動(dòng)能的原因是：重錘在下落時(shí)要受到阻力的作用(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的摩擦阻力,空氣阻力等),重錘克服阻力做功要損失一部分機(jī)械能. （此過程可以叫學(xué)生們自己討論）變式實(shí)驗(yàn)（啟發(fā)學(xué)生自行設(shè)計(jì)另外一種方案驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.）【例2】 利用課本圖6-5-4所示的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)，按正確的實(shí)驗(yàn)操作得到幾條紙帶.一位同學(xué)選取了一條頭兩點(diǎn)間的距離明顯小于2 mm的紙帶進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)（標(biāo)出0、1、2、3各實(shí)際點(diǎn)跡），測(cè)出各點(diǎn)與0點(diǎn)的高度差h1、h2、h3那么能否用它正確計(jì)算

7、比較點(diǎn)n位置處的動(dòng)能與重力勢(shì)能的對(duì)應(yīng)關(guān)系（n2,3，4），即能否驗(yàn)證 mvn2=mghn？為什么？若不能驗(yàn)證，則應(yīng)如何解析:實(shí)驗(yàn)時(shí)先接通電源,在紙帶上記下初始位置，然后放開紙帶.最理想的情況是在振針剛好打在紙帶上的一瞬間釋放紙帶，紙帶上的頭兩點(diǎn)的間隔就是自由落體在第一個(gè)0.02 s內(nèi)下落的位移，即h1= gt2= ×9.8×(0.02)2 m=1.96 mm2 mm.但這種情況很少，通常是在振針兩次敲擊紙帶之間的某個(gè)時(shí)刻松手，雖重錘做自由落體，但頭兩點(diǎn)間的距離h1所經(jīng)歷的時(shí)間小于0.02 s，所以h12 mm，即等效為振針打首點(diǎn)的速度不為零，不能驗(yàn)證 mvn2=mghn.故首點(diǎn)不能從第0點(diǎn)開始，如從第3點(diǎn)開始到n點(diǎn)之間的紙帶也能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，即只要驗(yàn)證 mvn2- mv32=mg(hn-h3)  即可.歸納:（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)，需保持提紙帶的手不動(dòng)，待接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個(gè)點(diǎn)是一個(gè)清晰的小點(diǎn).挑選第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2 mm的紙帶，這樣一條紙帶記錄的運(yùn)動(dòng)才接近自由落體運(yùn)動(dòng).（2）本實(shí)驗(yàn)中還可以用圖線的方法驗(yàn)證，