《验证机械能守恒定律》导学案.doc

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实验：验证机械能守恒定律

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1.利用下落运动，验证机械能守恒定律。
2.通过实验进一步理解机械能守恒定律的内容，学习理论联系实际的思想。
学习探究

★自主学习
1.该实验的原理是什么？
2.实验中需要哪些实验器材？
3.怎样一步一步地进行该实验？实验中应注意的事项有哪些？
4.实验中得到的实验数据如何处理？
★新知探究
一、实验原理
1.阅读教材，找出该实验的原理。
2.根据实验方法，说明如何验证机械能守恒。
二、试验中应注意的问题
根据实验原理和实际情况，有哪些需要注意的？
三、实验过程
1.据实验原理，该实验选择的器材有哪些？
2.据实验原理，该实验应如何一步一步操作？
3.实验中得到的数据如何记录和处理？得到了什么样的结论？
四、误差分析
★例题精析
【例题1】在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法或做法中正确的是（ ）
A.选用质量大的重锤可以减小实验误差
B.实验结果总是动能增加略大于势能减少
C.固定好打点计时器，用手拿住穿过限位孔纸带的一端，手应静止靠近打点计时器处
D.先松开纸带，再接通电源，重物自由下落时，纸带上就能打出一系列点，重复做几次
【例题2】在“验证机械能守恒定律”的实验中打点计时器所用电源频率为50HZ，当地重力加速度的值为9.8m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg。甲、乙、丙三学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18cm、0.19cm和0.25cm，可见其中肯定有一个学生在操作上有错误，错误操作：__________________。
若按实验要求正确的选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点的距离如图7-40所示（相邻计数点时间间隔为0.02s），那么，（1）纸带的_____端与重物相连；（2）打点计时器打下计时点B时，物体的速度vB=_________；（3）从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减少量是△Ep=______，此过程中物体动能的增加量△EK=______(g=9.8m/s2)；（4）通过计算，数值上△Ep___△EK（填“>”“=”“<”），这是因为_______；（5）实验的结论是______________。图7－40
A
B
C
O
3.14
5.01
7.06
单位：cm

自我测评

1.在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列物理量
A.重锤的质量 B.重力加速度
C.重锤下落的高度
D.与重锤下落高度对应的瞬时速度
(1)需要用工具测量的有 。
(2)需要通过计算得到的有____________。
2.为了进行“验证机械能守恒定律”实验，有下列器材可供选择：A.铁架台（带铁夹）、B.打点计时器、C.复写纸、D.纸带、E.低压直流电源、F.天平、G.秒表、H.导线、I.开关，其中不必要的器材是_________________；缺少的器材是_________________________。
3.填出下列空格中的内容：（1）打点计时器的安装放置要求为__________________________；开始打点时的时候，应先______________然后________________。
（2）计算时对所选纸带的要求是___________________________________________________。
（3）实验中产生系统误差的原因是_______,使重锤获得的动能会_______,为减少误差挂在纸带下的重锤应选择_________________________________。
（4）如果以v2/2为纵轴、以h为横轴，根据实验数据给出v2/2-h图线应为7-41中的_________，该线的斜率等于_____________。
图7－41
v2/2
h
O
v2/2
h
O
v2/2
h
O
v2/2
h
O
A
B
C
D

拓展提高

★综合实践与创新
4.某同学在做“验证机械能守恒定律”实验时，不慎将一条选好的纸带前面一部分损坏了，测出剩下的一段纸带上的各个点间距如图7-42所示，已知打点计时器工作频率为50HZ，重力加速度g=10m/s2。
（1）试利用这段纸带说明重锤通过2、5两点时机械能相等。
（2）说明为什么得到的结果是重力势能减少量为ΔEp稍大于重锤的动能增加量ΔEk。
图7－42
1 2 3 4 5 6
∣2.8∣3.2 ∣ 3.6 ∣ 4.0 ∣ 4.3 ∣cm

参考答案
★自主学习
1.只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总的机械能守恒。利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h及计算瞬时速度v，从而验证物体在自由下落过程中，重力势能的减少量ΔEp=mgh与物体动能的增加量相等。
2．（1）实验中打点计时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力
（2）实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落。
（3）打点计时器必须接50Hz交流电源。
（4）手提纸带上端时，注意不要晃动，可使手臂靠在某处，保证重锤下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。
（5）为减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要远离起始点，纸带也不宜过长。
（6）选取的纸带一定要第1、2点间的距离接近于2mm并且点迹清晰。
3.铁架台（带铁夹）、打点计时器、重锤（带纸带夹子）、纸带、复写纸、刻度尺、低压交流电源。
4、5见“新知探究”部分的答案说明。
★新知探究
二、注意事项（供参考）
1.实验中的打点计时器的安装，要使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦。
2.实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常工作后，才松开纸带，让重锤下落。
3.打点计时器必须接低压交流电源，（电火花计时器用220v交流电源）。
4.手捏纸带松手之前，不要晃动，保证打出的第一个点清晰。
5.为确保打第一点时重物初速度为零，应挑选第1、2两点间距离接近2mm的纸带。
6.本实验无须测量重物的质量，但最好使用自己测出的当地重力加速度。
三、实验过程
（1）实验器材（供参考）
主要有铁架台（带铁夹）、打点计时器、重锤（带纸带夹）、纸带、复写纸（或墨粉盘）、导线、学生电源、毫米刻度尺。
（2）实验步骤（供参考）
①将检查调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。
②把纸带的一端固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近。
③接通电源，松开纸带，让重锤自由下落，计时器在纸带上打出一系列清晰地点。
④取下纸带，换上新纸带，重复做几次，打出3~5条纸带。
⑤最好选取第1、2两点间距接近2mm，且点迹清晰地纸带。
⑥在所选纸带上第一点标上O，并从少靠后一点开始，依次标出1、2、3…并量出各点到位置O的距离h1、h2、h3…记入设计的表格中。
⑦用公式，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3…记录于表中。
⑧计算打各点时重力势能的减少量mghn和动能的增加量，并进行比较，看在误差允许的范围内是否相等，将计算数值填入表格。
（3）实验数据处理
①求vn时，T=0.02s。
②设计表格如下:
各打点
1
2
3
4
5
6
7
下落高度hn(m)

速度vn（m/s）

mghn

结论

四、误差分析（供参考）
①由于测长度偶然误差，减小办法一是测距离时都应从第一个点O量起；二是多测几次取平均值。
②实验中重物和纸带下落过程中药克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量ΔEK必然稍小于势能的减少量ΔEP这属于系统误差。
★例题精析
例题1 A
例题2 丙同学的操作步骤中有错误。错误操作是先放开纸带后接通电源。
（1） 左
（2） m/s
（3） J
（4） ΔEP>ΔEK
（5） 在实验误差允许的范围内，机械能守恒。
解析：
[自我测评]
1.（1）C(2)D 2.EFG,带夹得重物、低压交流电源、毫米刻度尺
3.（1）计时器固定在铁架台上时需使两限位孔在同一竖直线上 通电 松开手
（2）点迹清晰
（3）计时器限位孔对纸带的摩擦力和空气阻力 小于势能的减少，密度大的实心金属块（减少阻力的影响）
（4）C 重力加速度g
★综合实践与创新
4.（1）利用求出再比较gh25与的值分别0.108和0.106比较接近，结论：在误差允许范围内，ΔEP=ΔEK。
（2）存在打点计时器与纸带间的摩擦力及空气阻力。

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