4.5實驗：驗證機械能守恒定律

4.5學(xué)生實驗：驗證機械能守恒定律新知導(dǎo)入新知講解課堂練習(xí)新知導(dǎo)入知識回顧：機械能守恒定律的內(nèi)容是什么？只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能相互轉(zhuǎn)化時總的機械能保持不變。上節(jié)課我們從理論上學(xué)習(xí)了機械能守恒定律，我們從定律內(nèi)容及守恒條件上初步理解了機械能守恒定律，今天我們通過自己親身實驗從感性上對定律再做進(jìn)一步的理解。新知講解一、實驗思路機械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件。想一想，滿足這一條件的過程有哪些？1.自由落體運動中動能與勢能變化自由落體自由落體運動中只有重力做功，滿足機械能守恒的條件。新知講解2.物體沿光滑斜面下滑中動能與勢能變化沿光滑斜面下滑的物體受重力和支持力，但支持力與物體位移方向垂直對物體不做功，這種情況也滿足機械能守恒的條件。vmgN新知講解3.用細(xì)線懸掛的小球擺動中動能與勢能變化細(xì)線的拉力與小球的運動方向垂直，對物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個過程中只有重力做功，也滿足機械能守恒的條件。ACBv以上幾種情況都可以用來驗證機械能守恒定律。新知講解二、物理量的測量驗證機械能守恒定律，涉及的物理量有動能和勢能，所以需要測量物體的————、———————————————以及物體的————————這三個物理量。注意：如果實驗要求計算勢能和動能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量；如果只是驗證機械能守恒定律可以不測物體的質(zhì)量。三、數(shù)據(jù)分析質(zhì)量物體所處位置的高度運動速度新知講解1.計算物體在選定位置上動能與勢能的和是否滿足2.計算重物在某兩點間的動能變化和勢能變化是否滿足本實驗我們提供物體做自由落體運動及沿光滑斜面下滑這兩種方案來驗證機械能守恒定律。根據(jù)選定的實驗方案設(shè)計相應(yīng)的表格記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗中可采用兩種驗證方案來驗證機械能守恒定律。新知講解實驗：研究自由下落物體的機械能（二）實驗器材（一）實驗原理在只有重力做功的自由落體運動中，物體的重力勢能減少，動能增加，如果重力勢能的減少量——————動能的增加量，就驗證了機械能守恒定律.等于鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(4～6V).新知講解（三）實驗步驟1.安裝置：將打點計時器固定在鐵架臺上，把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔。2.打紙帶：用手提著紙帶使重物?？吭诖螯c計時器附近。然后先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落。3.更換紙帶，重復(fù)幾次。新知講解3.紙帶的處理方法1：利用起點和距起點較遠(yuǎn)的點從打好點的紙帶中挑選點跡清晰紙帶上的第一個點為計時起點0，且開始的兩點間距接近2mm的一條紙帶，在起始點標(biāo)上0，以后任取間隔相同時間的點依次標(biāo)上1、2、3…….用刻度尺測出0到1、2、3……的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3…….12345670新知講解計數(shù)點nhn/mVn/ms-1mghn10.144020.17901.860.52480.517630.21842.0650.64040.637940.26162.2580.76710.762750.30872.4350.90520.888760.35902.6351.05261.038770.4141m=0.2992kgg=9.8m/s2重力勢能減少量為mghn動能增加量結(jié)論：在實驗誤差允許范圍內(nèi)即機械能守恒。相等新知講解新知講解思考：紙帶上的頭兩個點間的距離為什么應(yīng)接近2mm？因為起始點的速度應(yīng)該為零，t=0.02s，g=10m/s2起始點2mm方法2：任取兩點A、B新知講解ABΔh4.整理器材，使器材復(fù)位任取兩點A、B，計算重力勢能的減少量mghA-mghA動能增加量則機械能守恒定律得到驗證。如果在實驗誤差允許范圍內(nèi)新知講解思考討論1：實驗時，其實可以不測量物體的質(zhì)量。想一想，這是為什么？或驗證機械能守恒定律實驗需要驗證：或只需驗證因此可以不測量物體的質(zhì)量。即可新知講解思考討論2：速度能不能用v=gt計算？參考答案：這種方法認(rèn)為加速度為g，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實際加速度必將小于g，這樣將得到機械能增加的結(jié)論，有阻力作用機械能應(yīng)該是減少的，故這種方法也不能用。思考討論3：如何測量物體的瞬時速度?參考答案：自由落體運動是勻變速直線運動，所以可以根據(jù)學(xué)過的勻變速直線運動的規(guī)律來物體的瞬時速度。新知講解B點的瞬時速度等于A、C點之間的平均速度vB

＝vAC平均=做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于相鄰兩點間的平均速度。新知講解（四）實驗中需要注意的問題：1.重物下落過程中，除了重力外會受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響？阻力主要有空氣阻力、紙帶與計時器間的摩擦阻力等。選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小空氣阻力；安裝打點計時器時，必須使兩紙帶限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。新知講解2.重物下落時，最好選擇哪兩個位置作為過程的開始和結(jié)束的位置？開始點選擇紙帶上的起點，且第1、2兩點間的距離應(yīng)接近2mm。終結(jié)點應(yīng)選擇距起點較遠(yuǎn)的點，這樣測是的相對誤差較小。3.實驗時，應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落。4.實驗中要克服阻力做功，所以動能增加量必定稍小于重力勢能減少量。5.本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的質(zhì)量m。（五）誤差分析本實驗的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差，測量時采取多次測量求平均值的方法來減小偶然誤差。重物和紙帶運動中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.實驗中注意安裝打點計時器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小系統(tǒng)誤差。新知講解新知講解實驗注意事項1.打點計時器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。2.應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力相對減小。3.實驗時，應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落。4.本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的質(zhì)量m。新知講解例題“驗證機械能守恒定律”的實驗采用重物自由下落的方法。圖1圖2(1)本實驗中，除鐵架臺、夾子、交流電源、紙帶和重物外，還需選用的儀器是______。

A.秒表B.刻度尺C.天平D.打點計時器新知講解(2)在驗證機械能守恒定律的實驗中，得到一條紙帶如圖2所示，圖中O點為打點計時器打下的第一點，可以看做重物運動的起點，若重物的質(zhì)量為1kg，已知相鄰兩點時間間隔為0.02s，圖中長度單位是cm，g取9.8m/s2，則打點計時器打下B點時，重物的速度VB=______m/s。從起點O到打下B點的過程中，重物動能的增加量△Ek=______J，重力勢能的減小量△EP=______J，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)動能的增加量略小于重力勢能的減少量，為什么___________________。(以上計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)新知講解(1)【答案】BD【解析】根據(jù)實驗原理可知，需要計算重物重力勢能的減少量，所以需要刻度尺測量高度，動能的表達(dá)式中需要有重物的速度，所以需要使用打點計時器打點來計算瞬時速度的大小，方程兩邊都有質(zhì)量，所以不需要天平，綜上本題選BD。(2)【答案】0.97，0.47J，0.48J，重物克服阻力做功?！窘馕觥扛鶕?jù)平均速度等于該段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度可得，vB=xAC/2T=((0.0702-0.0313)/0.04m)/s=0.97m/s，重物動能的增加量△Ek=1/2mv2≈0.47J；重力勢能的減小量△EP=mgh≈0.48J，實驗過程中，由于有阻力，所以重物減少的重力勢能會有一部分轉(zhuǎn)變成熱量，所以導(dǎo)致動能的增加量略小于重力勢能的減少量。新知講解課堂練習(xí)1.在做驗證機械能守恒定律實驗時，發(fā)現(xiàn)重物減少的勢能總是大于重物增加的動能，造成這種現(xiàn)象的主要原因是(

)A.選用的重物質(zhì)量過大

B.空氣對重物的阻力和打點計時器對紙帶的阻力

C.選用的重物質(zhì)量過小

D.實驗時操作不太仔細(xì),實驗數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確B課堂練習(xí)2.某位同學(xué)做“驗證機械能守恒定律”實驗，下列操作步驟中錯誤的是(

)A.把電磁打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線連接到低壓交流電源上

B.將連有重物的紙帶穿過限位孔，將紙帶和重物提升到一定高度

C.更換紙帶,重復(fù)實驗,根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)

D.先釋放紙帶，再接通電源D課堂練習(xí)3.驗證動量守恒定律的實驗中，關(guān)于入射小球在斜槽上釋放點的高低對實驗影響，下列說法正確的是(

)A.釋放點越低,小球受阻力越小，入射小球速度越小，誤差越小

B.釋放點越低,兩球碰后水平位移越小，水平位移測量的相對誤差越小，兩球速度的測量越準(zhǔn)確

C.釋放點越高，兩球相碰時，相互作用的內(nèi)力越大，碰撞前后動量之差越小,誤差越小

D.釋放點越高，入射小球?qū)Ρ慌鲂∏虻淖饔昧υ酱?，軌道對小球的阻力越小。C課堂練習(xí)

4.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,下列說法正確的是(

)A.重錘的質(zhì)量相等時,密度小的好B.必須用天平