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8.5实验：验证机械能守恒定律
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修2第8章第5节的内容。本课时内容是验证机械能守恒定律，其中核心内容是数据处理。
本课时是在机械能守恒定律基础上，进一步研究验证机械能守恒定律。学生在掌握机械能守恒定律需要满足的条件的基础上，通过对实验处理，验证机械能守恒定律。
机械能守恒定律在物理学理论和应用方面十分重要，是高中物理的重点内容，为今后学习动量守恒、电荷守恒等守恒定律打下基础，起到了承上启下的作用。但这种思想和有关的概念、规律，由于其抽象性强，学生要真正的掌握和灵活运用还是很困难。
本节内容安排在学习机械能守恒定律之后，目的是为了使学生在理论上对机械能守恒定律有所了解的基础上，通过实验测量及对实验数据的分析处理，对机械能守恒定律及条件有深刻的认识。
一、学习目标
1．要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。
2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，深化对机械能守恒定律的理解。
3．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力。
物理观念：通过同学们的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧并构建能量观念。
科学思维：通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据厦实验误差分析的能力。
科学探究：通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法。
科学态度与责任：通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲
二、评价任务
1．验证机械能守恒定律的实验原理。
2．实验原理及方法的选择及掌握实验误差分析的方法。
三 学习过程
任务一、借助自由落体运动来验证机械能守恒定律
实验原理和器材：
（1）选择开始的两点间距接近2 mm的一条纸带，打的第一个点为起始点，如果在实验误差允许范围内mghn＝mvn2，则机械能守恒定律得到验证．
（2）. 数据处理
(1)选纸带 ①以第一个点为起点时，要验证的是 mv＝mghn，必须保证纸带上开始的两点间距接近2 mm.
②以下落中某点为起点时，要验证的是 mv－mv＝mghmn，这时选择纸带不需要满足开始的两点间距为2 mm.
(2)测距离 测量下落高度时，为减小实验误差，后边的点应距起点O较远，在测量各点到O点的距离时，应当用刻度尺从 O 点量起，一次性读出各点到 O 点的距离．
(3)记数据 ①计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…，再根据公式vn＝，计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4、…vn.
思考：计算速度时能不能用v＝gt或v＝？为什么？
②请将相关数据填入下表．
计数点n 1 2 3 4 5 6
h/10－2 m
x/10－2 m
v＝
ΔEk＝mv2
ΔEp＝mgh
①机械能守恒验证一般有哪些方法？
②你的实验结论是_____________________________________________．
（3）通过图像：若在实验误差允许范围内，图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证．
实验误差分析：
本实验的误差主要是纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差．
3、实验注意事项：
(1)安装打点计时器时，要使两限位孔的中线在同一竖直线上，以减小摩擦阻力．
(2)应选用质量和密度较大的重物．
(3)实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落．
(4)本实验中的几种验证方法均不需要测重物的质量m.
(5)速度不能用v＝gt或v＝计算，应根据纸带上测得的数据，用vn＝计算瞬时速度．
【例1】 某同学利用如图所示的实验装置“验证机械能守恒定律”．
(1)请指出该同学在实验操作中存在的两处错误：_________________________________
___________________________________
(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、电源、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是________
A.刻度尺　　　B. 天平(含砝码)
(3)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，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。
ΔEp________(选填“＞”“＝”或“＜”)ΔEk，这是因为______________________。
实验的结论是_____________________________________________。
若实验中所用电源的频率f<50 Hz，实验结果将会受到什么影响？________。
（4）根据以下方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2－h图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒.请你分析论证该同学的判断依据是否正确.
任务二、研究沿斜面下滑物体的运动来验证机械能守恒定律
（一）实验器材
气垫导轨、数字计时器、滑块
研究沿斜面下滑物体的机械能的实验装置
思考讨论1：为什么利用气垫导轨可以提高实验的精确度？
参考答案：因为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。
思考讨论2：你知道数字计时器是如何计时的吗？
参考答案：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。根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度。因为这样的计时系统可以测出 0.001 s 的时间，并且能直接以数字显示，所以又叫数字毫秒计。
（二）实验步骤：
1.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。
2. 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
3.如果在实验误差允许范围内则机械能守恒定律得到验证。
课堂练习
1. 小明用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验．已知遮光条的宽度为d，钩码质量为m，带遮光条的滑块总质量为M，重力加速度为g.
(1)该实验中M________(选填“必须”或“无须”)远大于m.
(2)打开气泵，待气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导轨上的滑块能在短时间内保持静止，其目的是_______________________________________________
_________________________．
(3)将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离L，然后开启气泵，由静止释放滑块，读出遮光条通过光电门的挡光时间t，则滑块从静止释放运动到光电门的过程中，若满足关系式________________(用题中给出的字母表示)，则系统机械能守恒．
(4)若气垫导轨左端的滑轮调节过高，使得拉动滑块的绳子与气垫轨道之间存在夹角，不考虑其他影响，滑块仍在导轨平面滑行，则滑块由静止释放运动到光电门的过程中，系统动能增加量的测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值．
2. 某位同学做“验证机械能守恒定律”实验，下列操作步骤中错误的是(　　)
A. 把电磁打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源上
B. 将连有重物的纸带穿过限位孔，将纸带和重物提升到一定高度
C. 更换纸带,重复实验,根据记录处理数据
D.先释放纸带，再接通电源
【检测与作业】
1．用如图所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图给出的是实验中获得的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示。已知m1＝50 g，m2＝150 g，则：(结果保留两位有效数字)
(1)从纸带上打下计数点5时的速度v＝________m/s。
(2)从打下第“0”点到打下第“5”点的过程中系统动能的增加量ΔEk＝________J，系统势能的减少量ΔEp＝________J。(当地的重力加速度g取10 m/s2.)
(3)若某同学作出v2 h图像如图所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2.
2. 小华利用倾斜气垫导轨做“验证机械能守恒定律”的实验，实验装置如图甲所示．其主要实验步骤如下：
①用游标卡尺测量挡光条的宽度l；
②读出导轨标尺的总长L0，并用直尺测出导轨标尺两端在竖直方向的高度差H0；
③读出滑块释放处挡光条与光电门中心之间的距离s；
④由静止释放滑块，从数字计时器(图甲中未画出)上读出挡光条通过光电门的时间为t.
(1)本实验________(选填“有”或“没有”)必要用天平称出滑块和挡光条的总质量．
(2)由实验步骤②可知气垫导轨与水平面间夹角的正弦值为________．
(3)多次改变光电门位置，即改变距离s，重复上述实验，作出 随s的变化图像，如图乙所示，当已知量t0、s0、l、L0、H0和当地重力加速度g满足表达式 ________时，可判断滑块下滑过程中机械能守恒．
【学后反思】
1、自主设计思维导图，梳理本节课学习的知识内容，学会、分析、判断机械能守恒。
2、梳理本节课的物理思想和方法。
3、总结在学习中需要求助的困惑与分享自己如何学会的经验。

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