最新人教版高中物理必修二教案：7.9 实验：验证机械能守恒定律

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7.9 实验：验证机械能守恒定律

教学目标

.一、知识与技能

1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。 2．掌握验证机械能守恒定律的实验原理。 二、过程与方法

通过用纸带与打点计时器来验证机械能守恒定律，体验验证过程和物理学的研究方法。

三、情感、态度与价值观

通过实验验证，体会学习的快乐，激发学习的兴趣；通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。培养学生的观察和实践能力，培养学生实事求是的科学态度。 教学重点

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。 教学难点

实验误差分析的方法。 教学过程

一、导入新课

通过上一节课的学习，我们知道机械能守恒定律及其表达式以及其在物理学中的重要地位。一个规律的提出，不但要有理论的支持，还要由实验的验证，今天我们就设计实验，来验证机械能守恒定律。

二、新课教学 （一）实验方法

在图1中，质量为m的物体从O点自由下落，以地作零重力势能面，下落过程中任意

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两点A和B的机械能分别为：

EA=

1212mvA?mghA， EB=mvB?mghB 22如果忽略空气阻力，物体下落过程中的机械能守恒，于是有 EA=EB，即

1212mvA?mghA=mvB?mghB 221212mvB?mvA?mghA?mghB 22上式亦可写成

该式左边表示物体由A到B过程中动能的增加，右边表示物体由A到B过程中重力势能的减少。等式说明，物体重力势能的减少等于动能的增加。为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图1中A点）来进行研究，这时应有：

12mvA?mgh——本实验2要验证的表达式，式中h是物体从O点下落至A点的高度，vA是物体在A点的瞬时速度。

（二）实验中需要注意的问题

教师：请同学们看教材P79“要注意的问题”部分，思考一下问题： 1．重物选取的原则是什么？为什么？

2．本实验误差的主要来源是什么？怎样有效地减小误差？

3．为了利用重物下落的某个过程验证机械能守恒，如何恰当的选取重物下落的初末位置？

4．重物的质量是否需要测量？为什么？ 学生看书思考、讨论并回答：

1. 重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带和计时器之间的摩擦力，计时器平面不在竖直方向上，为减小误差，固定打点计时器时，计时器平面要竖直以利于减小纸带与计时器的摩擦力。

2. 实验用的纸带一般小于1 m，从起始点开始大约能打出20个左右的计数点，终结位置的点可以选择倒数第一个点或者倒数第二个点，从这一个点向前数4~6个点当开始的点。这样选取的目的是可以减小这两个点瞬时速度和两点之间的距离（高度h）测量的误差。一般情况下，打的第一个点作为起始点，这样测量和计算方便一些。

3. 不需要测量重物的质量，因为这个物理量在式子两边可以约掉。 （三）速度的测量和重物下落的高度的确定 1.速度的测量

根据做匀加速直线运动的物体在某一段时间t内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度可求出A点的瞬时速度vA。

图2（见下页）是竖直纸带由下而上实际打点后的情况。从O点开始依次取点1，2，3，图中s1，s2，s3，……分别为0～2点，1～3点，2～4点…… 各段间的距离。

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根据公式v?s，t=2×0.02 s（纸带上任意两个相邻的点间所表示的时间都是0.02s），ts1，这就是t可求出各段的平均速度。这些平均速度就等于是1，2，3，……各点相对应的瞬时速度v1，v2，v3，……。例如：量出0～2点间距离s1，则在这段时间里的平均速度v1?点1处的瞬时速度v1。依次类推可求出点2，3，……处的瞬时速度v2，v3，……。

2. 重物下落的高度的确定

图2中h1，h2，h3，……分别为纸带从O点下落的高度。 （四）实验步骤

1．把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好。

2．把纸带的一端用夹子固定在重锤上，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，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点。

4．重复上一步的过程，打三到五条纸带。

5．选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2 mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落的高度h1、h2、h3……记录在表格中。

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4 h4 s3 s2 2 s1 h2 1 0 图2

h1 3 h3 ...

6．用公式vn=（hn+1-hn-1 ）/2t，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表格中。 （五）数据处理

1. 列表处理数据（见下页）

各计数点 l 下落高度 速度 势能 动能 结论 2 3 4 5 6

2. 图像处理

在验证机械能守恒定律时，如果以v2／2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线在误差允许的范围内如果是一条过原点的直线，就能验证机械能守恒定律。

（六）实验结论

在误差允许的范围内，验证了机械能守恒定律。 （七）误差分析

实际上，重物拖着纸带在下落过程中，受到阻力作用，机械能在不断减小，故有EB>ED。又因为在初始点时重物的机械能为0，所以有0>EB>ED，mvB2-mghB<0，mvD - mghD<0，说明重物在实际下落过程中，重力势能的减少量大于动能的增加量。

三、课堂小结 本节课主要学习了：

1.实验目的：用自由落体运动验证机械能守恒。 2.纸带的选取及重物速度的测量方法。 3.实验的误差来源及注意事项。 四、课堂练习

1．用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中，下面哪些测量工具是必需的（ ）。 A.天平 B.弹簧测力计 C.刻度尺 D.秒表 答案：C

2．在做验证机械能守恒定律实验时，以下说法正确的是（ ）。 A.选用重锤时，重的比轻的好 B.选用重锤时，密度大的比密度小的好

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12122...

C.选用重锤后要称质量

D.重锤所受重力要远大于它所受的空气阻力和打点计时器对纸带的阻力 答案：D

3. 在做验证机械能守恒定律的实验中，下列物理量需要用工具测量的是（ ）；通过计算得到的是（ ）。

A.重锤的质量 B.重力加速度 C.重锤下落的高度 D.重锤下落的瞬时速度 答案：C；D

4．在“验证机械能守恒定律”的实验中，由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大阻力，这样的结果会有（ ）。

212mgh?mv A.mgh?1 B. mv222 C.mgh?12mv D.以上都有可能

答案：B

5.关于“验证机械能守恒定律”的实验误差，下列说法正确的是（ ）。 A.重物的质量测量不准会产生误差 B.重物的质量大一些，有利于减小误差 C.重物的质量小一些，有利于减小误差 D.先释放重物，后接通电源会造成较大误差 答案：B

v2v26.本实验中，若以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出-h图像应是 ，

22v2才能验证机械能守恒；-h图像的斜率等于 的数值。

2答案：一条过原点的倾斜直线；重力加速度

7. 在用落体法验证机械能守恒定律的实验中：所用重锤的质量m =1.0 kg，打点计时器所用电源频率50 Hz，打下的纸带如图所示（图中的数据为从起始点O到该点的距离），则在打B点时，重锤的速度vB= m／s，重锤的动能Ek= J，从开始下落到打B点时，重锤的势能减小量是 J（取两位有效数字）。

答案：0.79；0.31；0.31 五、布置作业 书写实验报告。

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