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8.5验证机械能守恒定律
班级 小组 姓名
【学习目标】
1.理解验证机械能守恒定律原理。
2.知道实验中选取测量点的有关要求，会测量下落高度和瞬时速度。
3.能正确进行实验操作，分析数据得出结论，能分析产生误差的原因。
【重点难点】验证机械能守恒定律的实验原理。
一、基础部分（课内组内对学、群学5分钟——展示、点评2分钟）
1.实验思路：机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。
2.实验原理：自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。
3.实验器材：打点计时器、交流电源（电火花计时器220V，电磁打点计时器6V）、纸带、复写纸、重物(带夹子)、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。
4.实验步骤：
（1）在铁架台上安装好打点计时器，用导线接好打点计时器与交流电源。
（2）将纸带的一端固定在重锤的夹子上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用竖直提起的纸带使重锤靠在打点计时器附近。
（3）先接通电源，再释放纸带，让重锤自由下落。
（4）换上新纸带，重复实验几次，得到几条打好的纸带。
（5）选择点迹清晰，且第一、二两点间距离接近2mm的纸带，起始点标O，依次确定几个计数点1．2．3．…
（6）用刻度尺测量下落高度h1．h2．h3．…，计算各计数点对应的重锤的瞬时速度。
（7）计算各计数点对应的势能减少量和动能增加量，进行比较。
5.注意事项：
（1）打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减少摩擦阻力。
（2）实验中的两种验证方法均不需要测量重物的质量m，但重物应选用质量大、体积小、密度大 的材料。
（3）应先接通电源，让打点计时器正常工作，后释放纸带。
（4）纸带选取时以第一个点为起点时，要验证的是mv＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距约为h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝2mm。
（5）某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来计算。
二、要点部分（程序：组内对学、群学8分钟—老师分配任务，小组探究3分钟—展示、点评12分钟）
【课堂探究】
（一）参考案例一。
1.在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50 Hz，当地重力加速度的值为9.80 m/s2，测得所用重物的质量为1.0 kg.甲、乙、丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一个学生在操作上出现了问题，出现的问题是先释放纸带后接通电源。若按实验要求正确地选出纸带如图所示(相邻计数点的时间间隔为0.02 s)，那么：
(1)纸带的左(选填“左”或“右”)端与重物相连．
(2)打点计时器打下计数点B时，重物的速度vB＝0.98m/s.
(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量ΔEp＝0.49J，此过程中重物动能的增加量ΔEk＝0.48J。
(4)通过计算，数值上ΔEp>(选填“>”“＝”或“<”)ΔEk，这是因为实验中存在阻力，重力势能不能完全转化为动能。
(5)实验的结论是在实验误差范围内，重物的机械能守恒。
2.如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是AB
A.重物选用质量和密度较大的金属锤
B.两限位孔在同一竖直面内上下对正
C.精确测量出重物的质量
D.用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示．纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点．重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有BC
A.OA、AD和EG的长度
B.OC、BC和CD的长度
C.BD、CF和EG的长度
D.AC、BD和EG的长度
（二）参考案例二
1.实验装置如图所示，气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度（根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度）。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1 、v2 ，就可以验证机械能是否守恒。
2. 为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。
（1）某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是②④
①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；
②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；
③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；
④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l；
⑤调整好气垫导轨的倾斜状态；
⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，静止开始释放，读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间Δt1、Δt2；
⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度h1、h2；
⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。
（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图所示，则5.00mm；某次实验中，测得，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度0.431m/s（保留3位有效数字）；
（3）在误差允许范围内，若（用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g），则认为滑块下滑过程中机械能守恒；
（4）写出两点产生误差的主要原因：滑块下滑受到空气阻力；遮光条不够窄，测量速度不准确。
三、拓展部分（程序：课内独立完成拓展部分5分钟——小组交流4分钟——展示、点评、总结6分钟）
1.★在“验证机械能守恒定律”实验中，下图装置通过研究重物的落体运动来验证机械能守恒定律。
（1）为完成此实验，除了图中所示器材，还必需的器材是 A 。
A．刻度尺 B．秒表 C．天平
（2）实验中，下列操作中正确的有 BC 。
A．要用秒表测量时间
B．选用重物时，同样大小、形状的重物应选重一点的比较好
C．先接通电源，后释放纸带
D．可以利用公式来求解瞬时速度
（3）若实验中所用重物质量m=0.2kg，打出的纸带如图所示，O点为开始下落时打出的第一个点，打点时间间隔为0.02s，g取10m/s2，则打B点时，重锤动能EkB=0.342J，从开始下落起至B点，
重锤的重力势能减少量是ΔEp=0.365J（结果均保留3位有效数字）
2.★利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示．
(1)实验步骤：
①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；
② 用游标卡尺测量挡光条的宽度为L＝9.30 mm.
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝60.00cm.
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2的时间Δt1和Δt2；
⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.
(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式；
①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝, v2＝
②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝，Ek2＝
③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp＝mgs(重力加速度g)。
(3)如果ΔEp＝Ek2-Ek1，则可认为验证了机械能守恒定律。
【学后反思】
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8.5验证机械能守恒定律
班级 小组 姓名
【学习目标】
1.理解验证机械能守恒定律原理。
2.知道实验中选取测量点的有关要求，会测量下落高度和瞬时速度。
3.能正确进行实验操作，分析数据得出结论，能分析产生误差的原因。
【重点难点】验证机械能守恒定律的实验原理。
一、基础部分（课内组内对学、群学5分钟——展示、点评2分钟）
1.实验思路：机械能守恒的前提是“只有 或 做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。
2.实验原理：自由落体运动物体的 的减少量和相应过程 的增加量，若二者 ，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。
3.实验器材：打点计时器、交流电源（电火花计时器 V，电磁打点计时器 V）、纸带、复写纸、重物(带夹子)、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。
4.实验步骤：
（1）在铁架台上安装好 ，用导线接好打点计时器与 。
（2）将纸带的一端固定在重锤的夹子上，另一端穿过打点计时器的 ，用竖直提起的纸带使重锤靠在 附近。
（3）先 ，再 ，让重锤自由下落。
（4）换上 ，重复 ，得到几条打好的纸带。
（5）选择点迹清晰，且第一、二两点间距离接近 的纸带，起始点标O，依次确定几个计数点1．2．3．…
（6）用刻度尺测量下落高度h1．h2．h3．…，计算各计数点对应的重锤的瞬时 。
（7）计算各计数点对应的势能 量和动能 量，进行比较。
5.注意事项：
（1）打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一 平面内，以减少摩擦阻力。
（2）实验中的两种验证方法均 需要测量重物的质量m，但重物应选用质量 、体积小、密度 的材料。
（3）应先 ，让打点计时器正常工作，后 。
（4）纸带选取时以第一个点为起点时，要验证的是mv＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距约为h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝2mm。
（5）某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝ ，不能用vn＝或vn＝gt来计算。
二、要点部分（程序：组内对学、群学8分钟—老师分配任务，小组探究3分钟—展示、点评12分钟）
【课堂探究】
（一）参考案例一。
1.在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50 Hz，当地重力加速度的值为9.80 m/s2，测得所用重物的质量为1.0 kg.甲、乙、丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一个学生在操作上出现了问题，出现的问题是 。若按实验要求正确地选出纸带如图所示(相邻计数点的时间间隔为0.02 s)，那么：
(1)纸带的 (选填“左”或“右”)端与重物相连．
(2)打点计时器打下计数点B时，重物的速度vB＝ m/s.
(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量ΔEp＝ J，此过程中重物动能的增加量ΔEk＝ J。
(4)通过计算，数值上ΔEp (选填“>”“＝”或“<”)ΔEk，这是因为 。
(5)实验的结论是 。
2.如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是
A.重物选用质量和密度较大的金属锤
B.两限位孔在同一竖直面内上下对正
C.精确测量出重物的质量
D.用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示．纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点．重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有
A.OA、AD和EG的长度
B.OC、BC和CD的长度
C.BD、CF和EG的长度
D.AC、BD和EG的长度
（二）参考案例二
1.实验装置如图所示，气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度（根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度）。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1 、v2 ，就可以验证机械能是否守恒。
2. 为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。
（1）某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是
①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；
②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；
③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；
④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l；
⑤调整好气垫导轨的倾斜状态；
⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，静止开始释放，读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间Δt1、Δt2；
⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度h1、h2；
⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。
（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图所示，则 ；某次实验中，测得，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度 （保留3位有效数字）；
（3）在误差允许范围内，若 （用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g），则认为滑块下滑过程中机械能守恒；
（4）写出两点产生误差的主要原因： 。
三、拓展部分（程序：课内独立完成拓展部分5分钟——小组交流4分钟——展示、点评、总结6分钟）
1.★在“验证机械能守恒定律”实验中，下图装置通过研究重物的落体运动来验证机械能守恒定律。
（1）为完成此实验，除了图中所示器材，还必需的器材是 。
A．刻度尺 B．秒表 C．天平
（2）实验中，下列操作中正确的有 。
A．要用秒表测量时间
B．选用重物时，同样大小、形状的重物应选重一点的比较好
C．先接通电源，后释放纸带
D．可以利用公式来求解瞬时速度
（3）若实验中所用重物质量m=0.2kg，打出的纸带如图所示，O点为开始下落时打出的第一个点，打点时间间隔为0.02s，g取10m/s2，则打B点时，重锤动能EkB= J，从开始下落起至B点，
重锤的重力势能减少量是ΔEp= J（结果均保留3位有效数字）
2.★利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示．
(1)实验步骤：
①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；
② 用游标卡尺测量挡光条的宽度为L＝9.30 mm.
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝ cm.
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2的时间Δt1和Δt2；
⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.
(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式；
①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝ v2＝
②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝ 和Ek2＝
③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp＝ (重力加速度g)。
(3)如果ΔEp＝ ，则可认为验证了机械能守恒定律。
【学后反思】
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