7.9 实验：验证机械能守恒定律 教案

验证机械能守恒定律


【教学目标】
知道用不同的方法探究动能定理和验证机械能守恒定律，了解实验原理和步骤。
【教学重难点】
重点：机械能守恒定律的实验原理、步骤和注意事项。
难点：验证机械能守恒定律实验的注意事项。
【教学内容】
一、探究动能定理
1．实验目的
（1）了解实验要探究的内容、实验方法与实验技巧。探究实验数据的处理方法；
（2）认真体会教材“探究的思路”所体现的科学探究的方法，以及“数据的处理”中提出的分析实验数据、找出功和速度变化关系的方法
2．探究思路
（1）改变功的大小，采用教材实验装置，用 1 条、 2 条、 3 条 ……同样的橡皮筋将小车拉到同一位置释放，橡皮筋拉力对小车所做的功依次为 w 、 2w 、 3w … …
（2）确定速度的大小：小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出。
（3）寻找功与速度变化的关系：以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标，小车获得的速度v为横坐标，作出W—v曲线，即功—速度关系曲线，分析该曲线，提出橡皮筋拉力对小车所做的功W与小车速度v的定量关系。
3．操作中注意的事项：
（1）平衡摩擦力：
将木板放有打点计时器的一端垫高，小车不连橡皮筋，尾部固定一纸带，轻推小车使小车沿木板向下运动，如果纸带上打出的点间距是均匀的，说明纸带的运动是匀速直线运动，小车重力沿斜面方向的分力刚好平衡了小车所受的摩擦力。
（2）如何选择纸带上的点距来确定速度：
对纸带上的点进行分析，比较点间距，看若干个相邻两点间的距离是否基本相同，选择相邻距离基本相同的若干个点作为小车匀速运动阶段的点，用这些点计算小车的速度。
（3）用图象法处理实验数据：
①根据实验测得的数据，分别作出W—v曲线，W—v2曲线、W—v3曲线……，如果哪一幅图象更接近于过原点的倾斜直线，功与速度之间就是哪一种正比关系。
②图象法是解决物理问题的常见方法，因为它具有简便直观的特点。
③图象中的曲线形状是根据实验数据，在坐标系中描出各组数据所对应的点，然后用平滑的曲线将各点连起来。
④关于图象中的曲线，一般要弄清楚图线的斜率，图线的截距，图线与坐标轴围成的面积，所表示的物理意义。
二、验证机械能守恒定律
1．实验目的
验证机械能守恒定律。
2．实验原理
通过实验，求出做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、电源、纸带、复写纸片、重物、刻度尺、带有铁夹台、导线两根
4．实验步骤
（1）如图所示，把打点计时器竖直地架稳，并连接好电路。












（2）把纸带的一端固定在重锤上，另一端穿过打点计时器，用手向上提纸带，使重锤静止在靠近打点计时器的地方。
（3）先接通电源，然后松开纸带，让重锤带着纸带下落，带上打下一系列小点。关闭电源，取下纸带。
（4）更换纸带，重复做3—4次实验。
（5）从几条打上点的纸带中，挑选第一、二两点间的距离接近2mm，并且点迹清晰的纸带进行测量。
（6）在挑选出来的纸带上给第一个点做上记号0，然后在纸带上从任意点开始依次选取几个点（假设选6个点），分别记上数字1，2，3，…（如图10所示）。用毫米刻度尺分别测量纸带上从起点O到各个点间的距离hl，h2，h3…，这些距离就是重锤运动到点1，2，3…时下降的高度
（7）根据“匀加速直线运动中，一段时间内的平均速度等于该段时间中点时刻的即时速度”，求出打点记时器在打下各点时重锤的即时速度。
（8）把求得的数据填人表中，算出计时器打下各点时，物体减少的重力势能mgh和物体增加的动能mv2/2．
比较物体在各段时间减少的重力势能与增加的动能，就可以验证物体在自由下落时机械能是否守恒。











5． 注意事项
（1）打点计时器一定要竖直地架稳，使重锤带着纸带下落时不受阻碍。在接通电源之前，可以让重锤带着纸带下落，观察纸带是否受阻碍，及时进行调整。
（2）纸带要平整地对称地夹在重锤上，纸带长度为30—40cm即可。
（3）用手提纸带上端时，纸带不应扭曲，在重锤下落之前，手不要晃动。在打点计时器正常工作后，要突然放开纸带让重锤自由下落。
（4）用作测量分析的纸带要经过挑选，纸带上第一、二两点的距离接近2mm而又点迹清晰的，可以选用。
（5）测量下落高度时，都必须从起点算起，不能搞错。为了减少测量下落高度的误差，那些依次选取的点可以离起点O稍为远一些
（6）实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，所以动能的增量一定稍小于重力势能的减小量。
（7）因不需要知道动能的具体数值，因此不需要测出重物的质量m。
[记录和计算]
计数点 1 2 3 4 5 6
h（m）
v（m/s）
Mgh（J）
mv2/（J）

结论：在误差允许范围内，物体在自由下落的过程中机械能守恒。
6． 误差分析
（1）做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力，但阻力不可能完全消除。本实验中，误差的主要来源是纸带摩擦和空气阻力。由于重物及纸带在下落中要不断地克服阻力做功，因此物体动能的增加量必稍小于重力势能的减少量，这是系统误差。减小系统误差的方法有选用密度大的实心重物，重物下落前纸带应保持竖直，选用电火花计时器等。
（2）由于测量长度会造成误差，属偶然误差，减少办法一是测距离都应从起点0量起，下落高度h适当大些（过小，h不易测准确；过大，阻力影响造成的误差大），二是多测几次取平均值。
题型讲解
1． 探究动能定理
用如图所示的装置，探究功与物体速度变化的关系实验时，先适当垫高木板，然后由静止释放小车，小车在橡皮条弹力的作用下被弹出，沿木板滑行，小车滑行过程中带动通过打点计时器的纸带记录其运动情况。观察发现纸带前面部分点迹疏密不匀，后而部分点迹比较均匀，回答下列问题：
适当垫高木板是为了__________________________________；
通过纸带求小车速度时应使用纸带的（填“全部”、“前面部分”或“后而部分”）
若实验作了n次，所用椽皮条分别为 1 根 、2 根 ……n根，通过纸带求出小车的速度分别为v1．v2……vn，用 W 表示橡皮条对小车所做的功，作出的 W—v2图线是一条过坐标原点的直线，这说明 W 与v的关系是__________________________。




【答案】（1）平衡摩擦力；（2）后面部分： （3）W与速度v的平方成正比。
2． 验证机械能守恒定理
在利用打点计时器验证自由下落的物体机械能守恒的实验中，设在打O点时释放物体，打点计时器打A点时物体的速度为v，如图所示，一个同学在实验报告中称，他测得v=2．36m/s，h=28．76cm据此可得：，，在误差范围内两者相等，老师批阅：“数据非实验所得”。其理由是












【解析】由题目中所给的数据分析，重物在从O点下落到A点的过程中，动能的增加量为，减小的重力势能为，即，这是进行正确的实验操作不可能得到的数据，故题目中所述数据非实验所得。
【答案】由于阻力存在，重锤动能增量不可能大于重力势能减小量。