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8.5　验证机械能守恒定律
一、教学目标
1.明确验证机械能守恒定律实验的目的、原理,掌握实验的操作方法与技巧。
2.掌握匀变速直线运动瞬时速度的计算方法。
3.会利用物体的自由落体运动、物体在斜面和气垫导轨上的运动验证机械能守恒定律。
二、教学重点 实验原理及方法的选择及掌握。
三、教学难点 实验误差分析的方法。
四、实验方法 用自由落体来验证机械能守恒
五、实验器材 铁架台（带铁夹）、打点计时器、重锤（带纸
带夹子）、纸带、导线、刻度尺、低压电源。
六、教学过程 导入新课
知识回顾提问：上节课我们从理论上得出机械能守恒定律的条件是什么？学生回答：只有重力或弹力做功，从而让学生得出今天要做的实验只有重力或弹力做功，演示钩码自由落体和气球下落，学生在这两个对比实验的提示下，便知道今天要做的验证实验只有重力做功，从而引出本节借助自由落体来验证机械能守恒定律。么仪器来测量，在此提示下要求学生小组讨论并设计实验。
展示器材，讲解
然后提示学生自由落体的机械能包括重力势能Ep=mgh,动能Ek=1/2mv2，然后问学生本实验需要测量的数据，用什实验原理，再给学生8min做实验，在此期间我巡视并记录下学生操作不当的地方，从而引出本实验的注意事项。
接下来选择一根合适的纸带，带领学生一起处理实验数据，然后分析实验误差以及减小误差的方法。
七、教学内容
1、实验目的
结合教材整理预习学案提纲，对学生整理结果进行点评。（展示幻灯片）本实验属验证性实验，实验目的是利用重物自由下落的现象验证机械能守恒定律。
2、认识实验仪器：组装实验仪器、明确各个仪器的功能。（暂时不做，只是组装）
电磁式打点计时器电源应选择10V以下，火花式打点计时器应选择220V。打点计时器限位孔位置应为竖直。纸带的长度应在1m左右。（学生思考，后面回答）
3、理解实验原理
通过对物体自由下落运动的研究来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即重物动能的增加量等于其重力势能的减少量。具体地说：
4、掌握实验的方法与技巧
实验步骤（1）把打点计时器固定在桌边的铁架台上（2）把打点计时器接到交流低压电源上
（3）将纸带固定在重锤上 （4）将纸带穿过计时器,并将纸带提升到一定高度
（5）接通电源,然后释放纸带.断开电源,取下纸带（6）更换纸带,重新进行同一要求的实验
（7）挑选点迹清晰的纸带研究,用毫米刻度尺测出距离,记录数据
（8）根据记录的数据进行有关计算并得出结论（9）拆掉导线,归整器材
八、学生实验
实验前教师提示：打点计时器的使用
（1）电磁打点计时器应接4--6V交流电源，当交变电流的频率为50Hz时，打点周期为0.02s。
（2）为使打点的频率比较稳定，要求打点计时器振动片的固有频率也是50Hz，使之发生共振现象。振动片的长度可在一定范围内调节，通过改变振动片的长度可调节它的固有频率。
（3）实验前要检查打点的清晰情况，必要时应调整振针的高度，且不能让它松动，否则将会出现漏点、双点等现象，还会对纸带产生过大的阻力。
（4）电火花计时器可直接接在220V交流电源上，注意采用双纸打点即可。
分组实验（只是实验，不进行数据处理）
实验注意事项：
（1）安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。
（2）应选用质量和密度较大的重物，可使摩擦阻力，空气阻力相对减小。
（3）实验时,必须先接通电源,让打点计时器工作正常后才能松开纸带让重锤下落
（4）本实验因不需要知道重物动能的具体数值,故不需要测出重物的质量m.
（5）实际上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, 所以动能的增加量EK必定稍小于势能的减少量EP（电源频率为50Hz）。
九、板书设计 第5节　验证机械能守恒定律
1、实验目的
2、认识实验仪器
3、理解实验原理
4、掌握实验的方法与技巧
十、课后练习
【基础巩固】
1．（2023春·安徽马鞍山·高二安徽省马鞍山市第二十二中学校考开学考试）用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。
（1）实验的原理是：通过比较重物自由下落时在某两点间动能的变化与______的变化是否相等，验证重物的机械能是否守恒。
（2）实验时，下列物理量中可以不要测量的是______ （选填“A”“B”或“C”）。
A．重物在该两点的瞬时速度
B．该两点间的高度差
C．重物的质量
【答案】 重力势能 C
【详解】（1）[1]实验是验证重物的机械能是否守恒，需要通过比较重物自由下落时在某两点间动能的变化与重力势能的变化是否相等。
（2）[2]根据
可得
可知，不需要测量的物理量是重物的质量。
故选C。
2．（2022秋·福建·高二统考学业考试）如图是“验证机械能守恒定律”的实验装置。
（1）本实验应选用______（填“A”或“B”）的重物；
A．密度小、体积大 B．密度大，体积小
（2）释放纸带时，重物应__________（填“A”或“B”）打点计时器；
A．靠近 B．远离
（3）完成本实验_____（填“A”或“B”）刻度尺。
A．需要 B．不需要
【答案】 B A A
【详解】（1）[1]本实验中要较小空气阻力对实验的影响应选用密度大，体积小的重物。
故选B。
（2）[2] 释放纸带时，重物应靠近打点计时器。
故选A。
（3）[3] 完成本实验需要使用刻度尺测量位移。
故选A。
【素质提升】
1．（2023春·云南昆明·高三云南师大附中校考阶段练习）某同学用如下图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．A、B两物块用跨过轻质定滑轮的轻质细绳连接，B拖着穿过打点计时器的纸带，将两物块由静止释放之后，打出的纸带如下图乙所示．在纸带上靠前的位置连续取A、B、C三个计时点，靠后的位置连续取D、E、F三个计时点，测得A、C之间的距离为，D、F之间的距离为，B、E之间的距离为h．若物块A的质量为M，物块B的质量为m，重力加速度为g，交流电源频率为f，则打点计时器打下B点到打下E点的过程中，物块A和物块B组成的系统减小的重力势能为__________，增加的动能为____________。（用上述相关物理量的字母表示）
【答案】
【详解】[1]打点计时器打下B点到打下E点的过程中，物块A下降了h，物块B上升了h，则对于物块A和物块B组成的系统减小的重力势能为
[2]根据平均速度公式，B点的速度
E点的速度
打点计时器的打点周期
B点到E点动能的变化量
联立可得
2．（2023·北京丰台·统考一模）某实验小组利用实验室仪器“验证机械能守恒定律”。
（1）甲组同学利用右图装置进行实验。
实验中，先接通电源再释放重物，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取连续打出的3个点A、B、C，测得A、B、C三个点到起始点O的距离分别为、、。取当地重力加速度g为9.8，打点计时器所接电源的频率。重物的质量为，则打点计时器打下B点时纸带的速度_______m/s，从打下O点到打下B点过程中，重物重力势能减少量为___________J；由于阻力等因素的影响，重物的重力势能减少量___________（选填“大于”、“等于”“小于”）动能增加量。（结果均保留3位有效数字）
（2）乙小组利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”，实验装置如图所示。安装遮光条的滑块放置在带有刻度尺的气垫导轨上，滑块通过细绳和重物相连，遮光条宽度为d。滑块经过光电门时，可以读出遮光条通过光电门的时间t。将气垫导轨放在水平桌面上，导轨调至水平，使得连接滑块和重物的细绳处于水平状态，实验室可提供的器材还有天平，已知当地重力加速度为g。请你利用以上器材帮助乙小组设计“验证机械能守恒定律”的实验，简要说明实验思路______和需要测量的物理量_______，并说明以上物理量应该满足的关系式___________。
【答案】 大于 见解析 见解析
【详解】（1）[1]打点频率为
则可知打点周期
根据做匀变速直线运动的物体，中间时刻的瞬时速度等于平均速度可得
[2]从打下O点到打下B点过程中，重物重力势能减少量为
[3]由于阻力等因素的影响，在重物下降过程中要克服阻力做功，故可知重物的重力势能减少量大于动能增加量。
（2）[4]实验思路：在此实验装置中，重物和滑块运动时所受阻力很小，可以忽略不计，重物、滑块和遮光条组成的系统满足机械能守恒条件。从静止释放滑块，测出其经过光电门时的速度和重物下降的高度，重物下降的高度等于滑块移动的距离，求出重物重力势能的减少量和重物、滑块、遮光条的动能增加量，若二者相等，可验证机械能守恒。
[5]需测量的物理量：重物质量m、滑块和遮光条的总质量M，滑块释放点到光电门的距离l。
[6]应满足的关系式为

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