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8.5实验：验证机械能守恒定律 导学案
【学习目标】
（一）学习目标
1、理解实验的设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量。
2、知道实验中选取测量点的有关要求。会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离。
3、能正确进行实验操作，能根据实验数据的分析得出实验结论。
4、能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差。
【学习重难点】
（一）学习重难点
1、理解用落体法验证机械能守恒定律（重点）
2、理解用光滑斜面法验证机械能守恒定律（重点）
3、学会用平均速度法求解瞬时速度（难点）
4、学会用图像法处理实验数据并运用所学知识处理实验误差（难点）
【预习新知】
（一）实验思路
1.做自由落体运动的物体，设质量为m，下落高度为h时的速度为v，则减少的重力势能为mgh，增加的动能为mv2/2。若两个量在误差范围内相等，就验证了机械能守恒定律。
2.测定第n点的瞬时速度的方法是：物体做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度。
3.如图所示为实验中得到的纸带，各段距离的测量数据在图中标出，设相邻计数点间的时间为T，则纸带上n点的瞬时速度的计算表达式为：
（一）物理量的测量
数据分析
根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足
也可以计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足
本实验我们提供物体做自由落体运动及沿光滑斜面下滑这两种方案。
【重难探究】
（一）重难探究
一、用落体法验证机械能守恒定律
1、实验步骤
（1）仪器安装:按图示装置竖直架稳打点计时器，并用导线将打点计时器接在电源上。
（2）打纸带:将长约1m的纸带用小夹子固定在重物上后穿过打点计时器，用手提着纸带，使重锤静止在靠近打点计时器的地方。接通电源，松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器就在纸带上打下一系列的点。
（3）换几条纸带，重复上面的实验。
2、数据处理
（1）求瞬时速度
在取下的纸带中挑选第1、2两点间距离接近2mm且点迹清晰的纸带进行测量。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0、1、2、3、…、n+1并测量出各计数点到O点的距离h0、h1、h2、h3、…、hn+1，再根据公式，计算出1、2、3、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、…、vn。
（2）机械能守恒验证
方法一：利用起始点和第n点
从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为，如果在实验误差允许的范围内＝mghn，即＝ghn成立，则机械能守恒定律得到验证。
方法二:任取两点
①任取两点A,B，测出hAB，求出ghAB。
②分别求出A、B两点的瞬时速度vA、vB，求出的值。
③如果在实验误差允许的范围内＝ghAB，就证明机械能是守恒的。
方法三：图像法
计算各计数点的，以为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出h图线。若在实验误差允许的范围内，图像是一条过原点且斜率为g的直线，如图所示，则验证了机械能守恒定律。
（3）误差分析
①本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服空气阻力及打点计时器的摩擦阻力做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp，这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装和选用质量和密度较大的重物，尽可能地减小阻力的影响。
②本实验的偶然误差主要来源于长度的测量。减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各计数点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值。
一、用气垫导轨验证沿斜面下滑物体的机械能守恒
1、实验步骤
（1）器材安装: 按图示安装器材，调节气垫导轨至倾斜状态，测出两光电门所在位置的高度差Δh。
（2）实验测速：连通进气装置，使气垫导轨开始工作，从静止释放滑块，分别侧出滑块经过两个光电门的遮光时间Δt1、Δt2。
（3）重复实验：从不同的位置释放滑块，分别测出遮光时间。
2、数据处理
（1）速度的测量：用游标卡尺测出滑块上遮光片的宽度d，读出遮光条通过光电门的遮光时间，则滑片通过光电门的速度。
（2）验证关系式
方式1（两个光电门）：分别测出滑块经过两个光电门的速度和，用刻度尺测出两光电门的高度差Δh，验证在误差范围内是否满足。
方式2（一个光电门）：让滑块从光电门上方某一位置由静止释放，测出该点到光电门的高度差△h和滑块经过光电门的速度，验证在误差范围内成立。
【巩固训练】
（一）巩固训练
1.在“自由落体法验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器接在6V、50Hz的交流电源上，自由下落的重物质量为1kg，一条理想的纸带数据如图所示，单位是cm，g取，O、A之间有几个计数点没画出.
（1）打点计时器打下计数点B时，物体的速度为_______；
（2）从起点O到打下计数点B的过程中重力势能的减少量为，动能的增加量为.通过计算，数值上_______（选填“>”“<”或“=”）.
如图甲所示，某课外探究小组做“验证机械能守恒定律”的实验。金属小球的直径为d、质量为m，小球由A处静止释放，通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为。多次改变高度H，重复上述实验。当地的重力加速度为g。则：

（1）如图乙所示,用游标卡尺测得小球的直径 。
（2）作出 一随 H的变化图象如图丙所示。图中 、 为已知量,重力加速度 g与小球的直径 d满足以下表达式:___________时(用 g、 d、 、 表示),可判断小球下落过程中机械能守恒。
（3）某次实验中发现动能增加量 总是稍小于重力势能减少量 ,不考虑测量误差,可能的原因是 (写出一条即可)。
参考答案
1.答案：（1）0.98m/s（2）>
解析：（1）利用匀变速直线运动的推论可得打点计时器打下计数点B时物体的速度。
（2）从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减小量，动能的增加量，通过计算，数值大于。8.5实验：验证机械能守恒定律课后练习
一、选择题
1.小华同学利用如图所示的装置“验证机械能守恒定律”。下列说法正确的是( )
A.电火花计时器工作电压约为8V
B.实验中应先释放纸带，再启动电火花计时器
C.实验中所测重物动能的增加量通常比其重力势能的减少量稍大
D.若打出的纸带前面一小段被损毁，利用纸带剩余部分也能验证机械能守恒
2.在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是( )
A.必须要用天平称出重锤的质量
B.实验时，当松开纸带让重锤下落的同时，立即接通电源
C.开始时用手提着纸带比用夹子夹着纸带效果更好
D.实验结果应该是动能的增加量略小于重力势能的减小量
3.在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学依据纸带求得各点的瞬时速度，以及与此相对应的重物下落距离h，以为纵轴，以h为横轴，建立坐标系，描点后画出图线，从而验证机械能守恒定律。若所有操作均正确，则得到的图像可能是( )
A. B. C. D.
4.在“验证机械能守恒定律”的实验中，通过打点计时器得到的纸带如图所示，在纸带上选取了0~6的计数点，并用刻度尺依次测量出了相邻两点之间的距离。则下列选项正确的是( )
A.纸带中第一个计数点的速度必须为零
B.可将计数点1~5的瞬时速度利用平均速度直接求出
C.由于0、6两计数点为纸带的端点，因此不能计算出这两点的速度
D.由题中的数据计算出的加速度应为当地的重力加速度
5.用自由落体运动验证机械能守恒定律就是看是否等于（n对应打下的第n个点）。关于该实验的下列说法中正确的是（ ）
A.打点计时器打第一个点O时，重物的速度为零
B.是计时点n到第一个点O的距离
C.m为重物的质量，需用天平称量
D.可以用计算，其中（T为打点周期）
6.下列关于“探究机械能守恒定律”实验误差的说法中,正确的是( )
A.重锤质量的称量不准会造成较大误差
B.重锤质量选用得大些,有利于减小误差
C.重锺质量选用得小些,有利于减小误差
D.纸带下落和打点不能同步会造成较大误差
7.某同学用如图所示的装置，来验证机械能守恒定律，下列说法正确的是( )
A.该实验中，重物应选用质量大、体积小、密度大的材料
B.该实验中，可以由公式求出打某点的纸带的速度
C.该实验中，应先接通电源后释放重物
D.该实验中，打点计时器接到电源的直流输出端上
8.用落体法“探究机械能守恒定律”的实验装置如图所示。打点计时器所用电源频率为50Hz，当地重力加速度大小为，测得所用重物的质量为1.0kg。下图是按实验要求正确地选出的纸带（打点的时间间隔为0.02s）。
（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________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________J，此过程中重物动能的增加量________J。（计算结果均保留2位有效数字）
（4）通过计算，________（选填“＞”“＝”或“＜”），这是因为________________。
（5）实验的结论是：在实验误差允许的范围内，重物的机械能守恒。
9.如图1为一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。主要实验步骤如下：
A.将气垫导轨安装好后放在水平桌面上；
B.测出挡光条的宽度d；
C.测出光电门1到光电门2的距离L；
D.释放滑块，读出挡光条通过两光电门的挡光时间分别为和；
E.用天平称出滑块（包括遮光条）的质量为M、槽码和挂钩的总质量m；
F.…
回答下列问题：
①游标卡尺测量遮光条宽度如图2所示，其宽度_________mm；
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在实验误差允许范围内满足关系____________时，可验证机械能守恒定律（用以上测得的物理量符号表示）。
参考答案
1.答案：D
解析：A、电火花计时器应接220V的交流电源，故A错误；
B、如果先放开纸带开始运动，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；同时先打点，再释放纸带，可以使打点稳定，提高纸带利用率，可以使纸带上打满点，故B错误；
C、重物带动纸带下落过程中，除了重力还受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能有部分转化给摩擦产生的内能，所以重力势能的减小量略大于动能的增加量，故C错误；
D、前面的纸带损毁，利用后面纸带的从个相距较远的两点也能验证机械能守恒律：利用匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度，可分别求出打下这两点的速度，进而可求出动能的增加量，量出两点的距离后，可以求出重力势能的减小量，然后两者对比，即可验证，故D正确。
2.答案：D
解析：A.验证机械能守恒的实验中，根据实验原理，需要验证下列方程成立，即
则不需要天平称量质量，故A错误；
B.如果先放开纸带让重物下落，立即接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；应先接通电源，再释放重锤，故B错误；
C.应用夹子夹住纸带上端避免手提纸带因抖动而造成摩擦的增大，故C错误；
D.由于阻力的影响，产生内能，根据能量守恒定律知，实验结果总是动能的增量略小于重力势能的减小量，故D正确。
故选D。
3.答案：C
解析：由得，可知，所画图线应是一条过原点的直线。
4.答案：B
解析：在“验证机械能守恒定律”的实验中，计数点可以任意选择，没必要必须从速度为零的起点开始，A错误；计算瞬时速度是利用平均速度等于中间时刻的瞬间速度求出的，B正确；根据运动学公式可将0、6两计数点的速度计算出来，C错误；由题中的数据计算出的加速度已包含了空气阻力的影响，D错误。
5.答案：AB
解析：实验的原理就是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律，因此打点计时器打第一个点时，重物运动的速度应为零。与分别表示打第n个点时重物下落的高度和对应的瞬时速度，应利用纸带上的数据求出，若用求则已默认机械能守恒了，验证实验也就变得无意义了。本实验中，不需要测量重物的质量，因为公式的两边都有m，故只要成立，则就成立，机械能守恒定律也就被验证了，故选项A、B正确，C、D错误。
6.答案：BD
解析：在“探究机械能守恒定律”实验中,只需比较与的值即可验证机械能守恒定律是否成立,与重锤质量无关。若将重锤质量选得大些,则在重锤下落过程中,空气阻力可忽略不计,有利于减小误差。纸带下落和打点不能同步有两种情况:(1)重锤和纸带先下落,打点计时器后打点;(2)打点计时器先打点,重锤后下落。(1)所述的情况会使最初两点间距离较正常间距偏大,用此纸带进行数据处理,其结果是重锤在打第一个点时就有了初动能,如果用第一个点作为基准点,会使重锤动能的增加比重锤重力势能的减少量大;(2)所述情况会造成最初几个点的点迹不清,不便于进行长度的测量。
7.答案：AC
解析：A.为了减小阻力的影响，重物应选用质量大、体积小、密度大的材料，故A正确。
B.实验时不能根据求解瞬时速度，否则默认机械能守恒，失去验证的意义，故B错误。
C.实验时应先接通电源后释放重物，故C正确。
D.打点计时器接到电源的交流输出端上，故D错误。
故选：AC
8.答案：（1）左（2）0.98（3）0.49；0.48（4）＞；实验中存在阻力
解析：（1）由图可得，纸带上O点靠近重物，所以左端与重物相连。
（2）打下计数点B时
（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
此过程中重物动能的增加量
（4）通过计算，；
因为实验中存在阻力。
9.答案：①9.8②保证气垫导轨水平③
解析：①宽度。
②导轨上的滑块能在短时间内保持静止目的是保证气垫导轨水平；
③对于整个系统，若机械能守恒，则遮光条通过光电门1到光电门2的动能的增加量等于槽码和挂钩重力势能的减小量，即(共29张PPT)
8.5实验：验证机械能守恒定律
第五节|实验：验证机械能守恒定律
核心素养点击
物理观念 理解实验的设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量；知道实验中选取测量点的有关要求。会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离
科学思维 能正确进行实验操作，能根据实验数据的分析得出实验结论；能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差
科学探究 理解用落体法验证机械能守恒定律和用光滑斜面法验证机械能守恒定律
科学态度与责任 学会用图像法处理实验数据并运用所学知识处理实验误差，定性地分析产生实验误差
1、什么叫机械能守恒？
2、机械能守恒的条件是什么？
3、自由落体运动的物体，机械能守恒吗？
质量为m的物体从0点自由下落，以地面为零参考面，经过A、B两点的速度分别为VA，和VB。A、B两点距地面的高度分别为hA、hB。
复习回顾
4、如何推导机械能守恒的表达式？
验证机械能守恒定律
借助自由落体运动
2
A
2
B
2
1
2
1
mv
mv
mgΔh
-
=
要证明上式是否成立，需要测量哪些物理量？
如何测量这些物理量？
题组一　实验操作及步骤
常考题型
BC
AB　
实验操作注意事项
（1）安装打点计时器时要使打点计时器的两限位孔在同一竖直平面内，手提纸带上端使纸带沿竖直方向，以减小纸带与限位孔的摩擦。
（2）重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体，以减小空气阻力的影响。
（3）释放重物前，重物应靠近打点计时器，以便能打出较多的点。
（4）应先接通电源，再松开纸带让重物下落。
（5）选用点迹清晰的纸带进行测量。
　待打点稳定后再释放纸带
左
C　
左右两边式子均有质量m，可以约去，没有必要用天平测重物的质量　
在验证机械能守恒时，
D
应先接通电源，
题组二　纸带分析和数据处理
C
0.79
0.31
0.32
题组三　实验创新
　
　
　能
　
摆锤遇到挡板之后小铁块的水平位移x和竖直下落的高度h　
课堂小结研究自由下落物体的机械能1.实验操作2.计算速度3.验证守恒方法、数据处理

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