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第五节 实验：验证机械能守恒定律
第八章 机械能守恒定律
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
素养目标
1.理解验证机械能守恒定律的原理。会设计实验方案，确定需要测量的物理量，采用正确的方法测量相关的物理量
2.能够控制实验条件，正确进行实验操作，获取物体下落高度和速度大小等数据，会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因，并采取相应措施，以减小实验误差
3.树立实事求是的科学态度，培养认真严谨的科学精神
温故知新
在只有重力或弹力做功的物体系统内，物体的动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。
内容：
表达式：
适用条件：
只有重力做功或弹力做功
机械能守恒定律
机械能守恒的条件是什么？它有哪些表达形式？
1.条件：仅有重力或弹力做功。
2.表达式：
（1）守恒的角度：E1 = E2
（2）转化的角度： ΔEk增= ΔEP减
（3）转移的角度： ΔEA增=ΔEB减
思考
本节课我们通过自由落体运动和物体沿光滑斜面下滑运动来验证机械能守恒定律。
新课讲解
实验思路
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？
G
F
θ
沿固定光滑斜面下滑的滑块机械能守恒
用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件
小球来回摆动时，忽略空气阻力机械能守恒
利用自由落体运动验证机械能守恒定律
v1
h1
h2
A
B
v2
质量为m的物体从O点自由下落，以地面为零势能面，如果忽略空气阻力，下落过程中任意两点A和B的机械能守恒，即
也可以计算重物在某两点间动能的增加量是否等于重力势能的减少量
为了方便起见，可以直接从下落的初始位置O点来进行研究，此时初动能为0，则从起始点到下落过程中任意一点有：
v
h
O
A
任意一点的瞬时速度v，该点到初始点的高度差h。
思考：
1.需要测量哪些物理量？
质量m呢？
不需要
2.需要用到哪些实验仪器来测量下落高度以及任意一点的瞬时速度？
实验器材：
打点计时器、
纸带、
刻度尺、
重物、
铁架台（带铁夹）、
交流电源等。
夹子
打点计时器
纸带
重物
？
铁架台
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。
纸带
夹子
重物
实验步骤
1．按图安装实验器材，电源接学生电源，并将输出电压调至4~6V交流。接通电源前，用手提升纸带至重锤靠近打点计时器处。
2．先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。关闭电源，取下纸带备用。
3．重复步骤2两次，打出3条纸带。
4．取点迹清晰，且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量。先将第一点记为O点，然后在纸带上任取5个连续的点。
1、选择重物时有何要求，为什么？
应选用质量和密度较大的重物，增大重力，可使阻力的影响相对较小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小。
2、安装打点计时器时，应注意什么问题，释放纸带时有什么要求？这样做的目的是什么
打点计时器要稳定固定在铁架台上，同时伸出桌外，以保证重物有足够的下落空间。打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，同时需保持纸带竖直，以减小摩擦阻力，先接通电源，再释放纸带。
（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。
· · · · · ·
A B C
△t
△t
△x
沿斜面下滑物体的机械能
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。
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
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。
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：
（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。
经典例题
1.做“验证机械能守恒定律”的实验，已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器，还必须选取的器材是图中的( )
A.a和c B.a和d C.b和c D.b和d
D
1.答案：D
解析：实验中需要验证重锤重力势能的减小量和动能的增加量是否相等，所以需要重锤，且能够夹住纸带，b为重锤，a为砝码，应选择b，不需要a；打点计时器可以直接记录时间，不需要秒表；实验中需要刻度尺测量点迹间的距离，从而求解瞬时速度和下降的高度。故实验还需要重锤b和刻度尺d，D正确，ABC错误。
故选D。
经典例题
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
D
经典例题
2.答案：D
解析：根据实验原理 知，物体的质量约掉了，因此不需要测量重锤的质量，则A项错误;为了保证纸带记录重锤的运动是从静止开始的，则应该先接通电源，让打点计时器工作起来，再释放重锤，B项错误;手提着纸带时，可能会使重锤下落出现一个初速度，用夹子夹纸带，在松开夹子时，重锤的初速度为零，效果更好，C项错误;因为这个过程中阻力做负功，则重力势能部分转化为动能，则重力势能的减少量略大于重锤动能的增加量，D项正确。
3.在用“落体法”做“验证机械能守恒定律”的实验时，为减小阻力对实验的影响，下列操作可行的是( )
A.选用体积大的重锤
B.安装打点计时器时两限位孔在同一水平面上
C.释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直
D.重锤下落过程中，手始终提住纸带上端，保持纸带竖直
经典例题
C
经典例题
3.答案：C
解析：为减小阻力对实验的影响，应选用体积小，密度大的重锤；安装打点计时器时两限位孔在同一竖直线上；释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直，重锤下落过程中，手不能提住纸带上端，应让纸带随着重锤自由下落。
故选C。
经典例题
4.如图所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。关于本实验，下列做法正确的是( )
A.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源
B.释放纸带时，重锤应离打点计时器远一些
C.重复多次实验时，重物必须从同一位置开始下落
D.处理数据时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置
D
经典例题
4.答案：D
解析：A.为了避免纸带上出现大量的空白段落，同时使打第一个点迹时速度为0，实验时，先接通打点计时器的电源打点，再放开纸带，故A错误；B.为了避免纸带上出现大量的空白段落，释放纸带时，重锤应离打点计时器近一些，故B错误;C.结合上述可知，重复多次实验时，重物释放位置需要适当靠近打点计时器，但并不需要使重物从同一位置开始下落，故C错误；D.为了减小误差，处理数据时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，故D正确。故选D。
经典例题
5.某小组利用图示装置做“验证机械能守恒定律”实验，小球释放后，通过光电门1和2，实验中不是必须测量的物理量是( )
A.小球的质量
B.小球的直径
C.两光电门间的距离
D.小球分别通过两光电门的时间
A
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。
单摆验证机械能守恒定律
拓展
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。
单摆验证机械能守恒定律
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
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.打点计时器工作时使用直流电源
B.实验中必须用天平测出重物的质量
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小
D.实验中求重物在某点的速度可以根据 或 求解
C
答案：C
解析：A.电火花打点计时器工作电压为交流220V，电磁打点计时器工作电压约为交流8V，都是使用交流电，故A错误；
B.根据机械能守恒定律有 即验证 即可，故不用测量重物的质量，故B错误；
C.重物带动纸带下落过程中，除了受到重力还受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力对重物做功，重物减少的重力势能部分转化为重物与空气摩擦产生的内能，因此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小，故C正确；
D.因为实验中求重物在某点的速度和对应的重物下落的高度都是由纸带上打点的数据而得，而 或 是根据机械能守恒定律直接或间接推导得到的，而实验的目的是验证机械能守恒定律，故不能据 或 求某点的速度，故D错误。
2.利用如图所示的实验器材，不能完成的实验是( )
A.验证牛顿第二定律 B.研究自由落体运动规律
C.验证机械能守恒定律 D.测量重力加速度的大小
A
3.某同学利用利用重锤和打点计时器做“验证机械能守恒定律”实验，请回答下列问题。如图，释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是( )
A. B. C. D.
C
4.某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。
(1)关于该实验，下列说法正确的是__________。
A.打点计时器应使用直流电源
B.打点计时器的两个限位孔应保持在竖直方向
C.实验时应先接通打点计时器电源，再释放重物
D.该实验中需要用秒表测量重物下落的时间
BC
4.某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。
0.41
0.39

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