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5 实验：验证机械能守恒定律
第八章 机械能守恒定律
新课导入
机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。如果我们通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律，那么需要怎样的实验过程才能满足？
1、沿固定光滑斜面下滑的滑块机械能守恒吗？
沿固定光滑斜面下滑的滑块机械能守恒
θ
FN
G
·
新课导入
小球来回摆动时，忽略空气阻力，机械能守恒。
机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。如果我们通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律，那么需要怎样的实验过程才能满足？
2、小球来回摆动时，机械能守恒吗？
创设情景，提出问题
物体做自由落体时，机械能守恒，如果我们用自由落体运动的物体来验证机械能守恒定律，需要测量哪些物理量？用什么样的装置来进行自由落体运动？
1. 需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。
2. 用打点计时器记录重物自由下落的运动过程来测量物理量，记录过程。
制订方案，设计实验
1、根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。
2、计算物体在选定位置上动能与重力势能的和是否满足相等，也可以计算重物在某两点间的动能变化和重力势能变化是否满足动能的增加量等于重力势能的减少量。
方案一：用打点计时器记录重物自由下落的运动过程
（1）物体的质量可以用天平测出。
（2）纸带上某两点的距离等于物体下落的高度差
Δh，得到物体下落过程中重力势能的变化。
（3）物体的瞬时速度可以从纸带测出，从而得到
它在各点的动能。比较重物在某两点间动能的变化
与重力势能的变化，就能验证机械能是否守恒。
制订方案，设计实验
（4）实验中需要注意的问题
① 重物下落过程中，除了重力外会受到空气阻力和摩擦阻力，应该用较小的金属重物来减小阻力的影响，实验时让打点计时器处于竖直面内，使两限位孔连线竖直，拉直纸带上端以减小空气阻力。
②重物下落时，最好选择初位置和与初位置较远的另一个位置作为过程的开始和结束的位置。
制订方案，设计实验
（5）A、B、C 是记录做匀加速直线运动物体的纸带上相邻的三个点。根据学过的匀变速直线运动的规律可知，物体某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度。
制订方案，设计实验
· · · · · ·
A B C
△t
△t
△x
制订方案，设计实验
方案二 研究沿气垫导轨下滑物体的机械能
我们利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。
利用气垫导轨的优点：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。
制订方案，设计实验
瞬时速度的测定：计时系统的工作要
借助于光源和光敏管（统称光电门）。
光源与光敏管相对，它射出的光使光敏
管感光。当滑块经过时，其上的遮光条
把光遮住，与光敏管相连的电子电路自
动记录遮光时间，通过数码屏显示出来。根据遮光条的宽度d和遮光时间t，可以算出滑块经过时的速度。
遮光条
光电门
制订方案，设计实验
实验装置如图所示。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。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。
分组实验，采集数据
不同小组采用不同方案进行实验，分别得出数据。
测量点n 1 2 3 4 5 6
高度hn/m
速度vn/m/s
势能EP/J
动能EK/J
分析论证、得出结论
分析论证：
（1）用打点计时器记录重物自由下落的运动过程实验中，你可以得到什么结论？
（2）研究沿斜面下滑物体的机械能实验中，你可以得到什么结论？
结论：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。
应用规律，反思改进
例1、某同学在做“验证机械能守恒定律”的实验中，采用重物自由下落的方法，得到一条点迹清晰的纸带。已知打点计时器打点周期为0.02s，当地重力加速度g＝9.80m/s2，测得所用的重物的质量为1.00kg。把纸带中第一个点记作O（此时重物的速度为零），另选打点计时器连续打下的3个点A、B、C为计数点，经测量A、B、C各点到O的距离分别为9.51cm、12.70cm、15.70cm。根据以上数据计算或分析重物由O点运动到B点的过程：（计算结果均取3位有效数字）
应用规律，反思改进
（1）重物的重力势能减少量为　 ；
（2）重物的动能增加量为　 　；
（3）这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量　 动能的增加量（填“大于”、“小于”或“等于”）；
（4）分析产生误差可能的原因是_______________________。
（至少写出一条原因）
大于
重物下落受到阻力作用
1.24J
1.20J
· · · ·
O A B C
9.51cm
12.70cm
15.70cm
例2、某同学用滑块在气垫导轨上的运动验证机械能守恒
定律。测得实验中所用遮光片的宽度为0.48cm，
滑块连同遮光片的质量为0.60kg，g取9.8m/s。
操作步骤如下：
（1）如图所示，固定有刻度尺的气垫导轨一端用木块垫起，另一端搁置于桌的边缘并固定，桌的边缘正对刻度尺的“0”刻度，光电门也安装在“0”刻度处，垫木高20cm，支点与刻度尺的“60cm”刻度线对齐。将带有遮光片的滑块从图示位置，无初速释放，滑块释放时，遮光片中心对应刻度尺的读数为　 　cm。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
应用规律，反思改进
90.00
（2）记下滑块经过光电时遮光片的遮光时间
为0.002s，则滑块经过光电门时速度为
　 　m/s，滑块下滑过程动能的增加量为
　 　J。（结果保留3位有效数字）
（3）滑块下滑过程中重力势能的减小量为 　J．（结果保留3位有效数字）
（4）根据以上实验可得：_____________________________
____________________________。　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
应用规律，反思改进
2.40
1.73
1.76
在误差范围内，滑块在气垫导轨上运动过程中机械能守恒。
课堂小结
实验：验证机械能守恒定律
创设情景
提出问题
制订方案设计实验
分组实验采集数据
分析论证得出结论
应用规律反思改进
验证机械能守恒定律，需要测量哪些物理量
用什么样的装置来进行自由落体运动
用打点计时器记录重物自由下落的运动过程
研究沿斜面下滑物体的机械能
记录物体运动的高度、速度
计算重力势能的减少量和动能的增加量
在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变
应用规律解决问题
如何减小误差
单摆验证机械能守恒定律
物体在摆动过程中的重力势能和动能可以
互相转化，但总的机械能守恒。设物体自高为
h处释放，摆至最低点时的速度为v 。利用光电
门测出物体在最低点的速度，即可验证机械能是否守恒。在图示的摆球运动过程中的最低点处固定一光电门，仔细调整光电门的高低位置，使得摆球通过光电门时恰好摆球中心水平直径挡光。
课外拓展
单摆验证机械能守恒定律
即挡光长度为摆球d，在数字计时器上读出挡光时间t，可计算出摆球通过光电门时的速度为，求出动能Ek ；测出摆球释放点距摆球运动过程中最低点的垂直距h，以最低点为参考平面，分别计算两侧最高点的重力势能Ep ，比较Ek 和Ep 是否相等，验证机械能守恒。
课外拓展
谢谢观看，
你学到了什么？

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