（必修2）8.5实验：验证机械能守恒定律（教案2）

skybamboo · 发表于 9 小时前

8.5实验：验证机械能守恒定律
〖教材分析〗
本实验属验证性学生实验，实验的目的是验证机械能守恒定律，鉴于机械能守恒定律的重要性，教材特意安排了一节实验来验证这个定律。教材例了几种机械能守恒的例子，他么都是可以用来做实验，实验的原理都是验证重力势能的减少量等于动能的增加。案例1是传统方法，简单易于操作，实验误差大。案例2使用的是系统的机械能守恒，计算较为精准。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：树立能量观念，理解理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量。
科学思维：知道实验中选取测量点的有关要求，会测量下落高度和瞬时速度。
科学探究：能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析中得出实验结论。
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，严谨的实验精神，激发学生对物理规律的探知欲。
〖教学重点与难点〗
重点：1.理解实验原理、设计思路。
2.具体操作实验以及记录和出来数据。
难点：实验设计的原理和思路，实验误差分析。
〖教学准备〗
多媒体课件，铁架台，打点计时器，天平，直尺等。
〖教学过程〗
一、新课引入

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。下面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。
二、新课教学
（一）实验思路
机械能守恒条件：
①从能量的观点看：只有系统内动能和势能相互转化，无其他形式能量之间（如内能）的转化。
②从力的观点看:只受重力或弹力，不受其它力。
因此研究过程一定要满足这一条件。想一想，满足这一条件的过程有哪些？
①自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。

把空气阻力忽略掉了以后，它才叫自由落体运动。所以只有重力做功，空气阻力又可以忽略，还有平抛运动，斜抛运动等抛体运动，都是可以用来研究机械能守恒定律的。

②物体沿光滑斜面下滑（上升）
受力分析，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直,对物体不做功，只有重力做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。
如果物体上滑的时候可以用来验证机械能守恒吗？
当然可以，因为受力分析，运动分析和能量分析后，发现支持力与物体位移方向垂直,对物体同样不做功，所以可以用来研究机械能守恒定律的。
③细线悬挂的小球摆动（播放动图）

受力分析，运动分析和能量分析，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。
你也可以考虑其他情形来验证机械能守恒定律。在设计实验时还应考虑：重物下落或小球摆动时不可能不受空气阻力的作用，斜面也会有阻力，有哪些方法可以减小阻力的影响？增加斜面的光滑程度，就好了。
（二）物理量的测量

根据重力势能的定义式：Ep=mgh，和动能的定义式：<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>。可知需要测量的物理量有：

①物体的质量m：天平。
②物体所处位置的高度h：直尺
③物体的瞬时速度v：打点计时器和纸带
（三）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机械能守恒定律。
<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>
也可以计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否足满足，
<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>。
总之就是为了验证：动能变化与重力势能的变化是否相等，虽然在不同的实验中他们具体的表达式有些不同，但是能量的转化是一样的，都是重力势能转化为动能。
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。

参考案例1：研究自由下落物体的机械能
实验装置如图所示。利用打点计时器记录重物自由下落的运动过程。实验的装置和研究自由落体运动的实验一样，组装好实验后，得出纸带。
①选定好两个点纸带上某两点的距离等于物体下落的高度差△h,用直尺测量即可，这样就能得到物体下落过程中重力势能的变化。
∆EP=mg∆h

我们以前学过，利用匀加速直线运动中，中点时刻的瞬时速度等于相邻两点的平均速度。因此要算某点的速度就在他前后各取一个点，计算这点的平均速度就可以了。
②这样也就知道了它在各点的瞬时速度，从而得到它在各点的动能。
<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>
比较重物在某两点间的动能的减少量与势能增加量，就能验证机械能是否守恒。即
↓∆EP=↑∆Ek
<Object: word/embeddings/oleObject5.bin>
实验注意的问题：

必须先打开打点计时器，然后释放纸带。

如果先放纸带，要是反应时间长，那就浪费纸带了，或者打点计时器要是不响呢？

重物下落过程中，除了重力外会受到哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？

纸带与限位孔之间的摩擦阻力。

打点记时器的限位孔和纸带必须在同一竖直线上，并且打点计时器上方的纸带不能耷拉着的，要用手把它拉直。需选取密度较大的物体做重锤，以减小空气阻力的影响。

3.重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置？
①

纸带开始的地方会有很多个点，那一个是起点o呢？
由于实验时先打开打点计时器，再释放纸带，所以开始下落前就打了很多点。
②那怎么分辨起点O呢？
通过起点与第一点的距离来找到它，使用自由落体运动公式<Object: word/embeddings/oleObject6.bin>。把时间代入，得距离大约是2mm，也就是说再纸带上，找到相距大约2mm的一对点。结束点大概40cm的地方即可。

实际操作时由于要对多个数据点进行测量验证，往往采用一次测量读数的方法。也就是把刻度尺零点，与起点o对齐，然后一口气读出所有要测量的点到起点的距离。至于要测量高度差，速度要用的距离，就可用这两点到起点的距离相减就得了。
根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据，就可以验证机械能守恒定律了。
由于有空气阻力的存在，重力势能除了转化为动能外，还会有少量的能量转化为热能，即重力势能的减少量大于动能的增量。
实验时可以不用测物体的质量。因为已经被约去了。如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。
课堂练习
例1：利用图的装置做“验证机械能守恒定律”实验
（1）除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是
A.交流电源 B.刻度尺 C.天平(含砝码) D.秒表

（2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到图所示的一条纸带。在纸帯上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为如hA、如hB、hC。
已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T，设重物的质量m,从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化了多少？动能变化了多少？
（3）很多实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的増加量，你认为原因是什么？
解题提示：1.打点计时器需要用交流电电源，且具有计时功能，纸带长度测量需要到刻度尺。用自由落体运动验证机械能守恒定律中，需要验证<Object: word/embeddings/oleObject7.bin>，也就是<Object: word/embeddings/oleObject8.bin>，不含重物的质量，故不用天平。

由重力势能的变化式子∆EP=mghB-mgho，因为初始点ho=0，所以∆EP=mghB。同理动能的变化<Object: word/embeddings/oleObject9.bin>，因为初始点vo=0，根据平均速度等于该段时间的中间时刻的速度，<Object: word/embeddings/oleObject10.bin>，所以<Object: word/embeddings/oleObject11.bin>。

3.由于有空气阻力的存在，重力势能除了转化为动能外，还会有少量的能量转化为热能，即重力势能的减少量大于动能的增量。
参考案例2：研究沿斜面下滑物体的机械能

本案例中，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: 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。
实验原理是如图，实物如图所示。

在面上取两个点AB，分别测量高度差和相应的速度，运用
<Object: word/embeddings/oleObject12.bin>
即可可验证机械能守恒定律。
高度测量用直尺，也可以通过测量这个斜面的长度，结合夹角也是可以的。速度的测量用光电门。即
<Object: word/embeddings/oleObject13.bin>
课堂练习
例2：一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。主要实验步骤如下:
A.将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平
B.测出遮光条的宽度d。
C.将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离l
D.释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间
E.用天平称出托盘和桂码的总质量
F.........
回答下列问题:
(1 )在滑块从静止释放到运动到光电门的过程中，系统的重力势能减少了多少？

为验证机械能守恒定律，还需要测量哪个物理量？

(3)若要符合机械能守恒定律的结论，以上测得的物理量应该满足怎样的关系？

解题提示：我们研究的是滑块和托盘砝码组成的系统，在该系统中托盘的高度下降，重力势能转化为系统的动能，即∆Ep=mgl
重力势能转化为系统的动能，为了验证机械能守恒，需满足的关系是：<Object: word/embeddings/oleObject14.bin>，根据瞬时速度的定义可知，挡光条通过光电门的速率：<Object: word/embeddings/oleObject15.bin>。所以还需要测量滑块和挡光条的总质量M。
〖板书设计〗
8.5实验：验证机械能守恒定律

一、实验思路

满足机械能守恒的条件：只有重力或弹力做功，或重力势能↔动能
∆EP=∆Ek
二、物理量的测量
①重物的质量用天平测出。
②用直尺量纸带上某两点的距离。
③纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点的平均速度。

数据分析

重力势能的减少=动能的增量：<Object: word/embeddings/oleObject16.bin>

〖教学反思〗

本节的气垫导轨实验，学生也不陌生的，它和打点计时器一样在必修一都已经有所涉及。在这里作为验证机械能守恒定律的实验，它要验证的更多的时候是一个系统，重物加小车的。我们常见的都是单个物体的机械能，如一个物体或者一个小球的。本实验可以充分发挥学生的想象力，设计出更多的实验，以及验证的方式等。

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