2017-2018学年高中物理人教版必修2教案：第七章 机械能守恒定律 第9节 实验验证机械能守恒定律 高品质版

9．实验：验证机械能守恒定律

三维目标 知识与技能

1．要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律；

2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，从而使我们对机械能守恒定律的认识，不止停留在理论的推导上，而且还能够通过亲自操作和实际观测，从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解；

3．要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法。 过程与方法

1．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力； 2．通过同学们的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧；

3．通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法；

4．通过实验过程使学生体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑。 情感态度与价值观

1．通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲； 2．使学生通过实验体会成功的乐趣与成就感，激发对物理世界的求知欲； 3．培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解。 教学重点

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。 教学方法

预习设计──实验观察──数据处理──归纳总结。

教师启发、引导，学生自主阅读、思考，亲自动手实验，并讨论、交流学习成果。 教学用具

电火花计时器（或电磁打点计时器）；重物（质量300g±3g）及纸带；天平（秤量大于300g）及砝码；铁架台、复夹、烧瓶夹；电源。

教学过程

［新课导入］

上节课我们从理论上学习了机械能守恒定律，我们从定律内容及守恒条件上初步理解了机械能守恒定律，这一节将通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，从而验证机械能守恒定律。

［新课教学］ 【实验目的】

利用重物自由下落的现象验证机械能守恒定律。 【实验方法】

重物的质量用天平测出（本实验也可以不测重物的质量），纸带上某两点的距离等于重物下落的高度，这样就能得到重物下落过程中势能的变化。

重物的速度可以用大家熟悉的方法从纸带测出，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。

比较重物在某两点间的动能变化与势能变化，就能验证机械能是否守恒。

在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相互转化，但总的机械能守恒。

如果忽略空气的阻力，这时物体的机械能守恒，即重力势能的减少等于动能的增加。

设物体的质量为m，下落距离为h时物体的瞬时速度为v，则重力势能减少mgh，动能增加mv2，故有mgh＝mv2

利用打点计时器打出的纸带，测出重物下落的高度h，利用时间t内的平均速度等于该段时间中点时刻的瞬时速度算出对应时刻的瞬时速度

h 1

212

v，即可验证机械能是否守恒。

若从重物下落过程中的某一点A开始，设重物的质量为m，测出物体

v 对应于A点的速度vA ，再测出物体由A点下落Δh后经过B点的速度vB，则在误差允许范围内，根据机械能守恒有

1212mg?h?mvB?mvA

22将对应各量代入，在实验误差范围内，若等式成立，机械能守恒定律即被验证。 【实验器材】

铁架台（带铁夹）、电火花计时器（或打点计时器）、直尺、重锤、纸带、导线、电源。 【要注意的问题】

1．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？ 阻力主要有空气阻力、纸带与计时器间的阻力等。在实验中可选择质量较大、密度较大的重物，可减少阻力的影响。安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。

2．重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和终结的位置？

开始点选择纸带上的起点，且第1、2两点间的距离应接近2mm。终结点应选择距起点较远的点，这样测量的相对误差较小。

3．为了增加实验结果的可靠性，可以重复进行多次实验，还可以在一次下落中测量多个位置的速度，比较重物在这些位置上动能与势能之和。

只有通过多次比较，才能得到正确的结果。

4．实验报告中要写明本实验的目的、原理、器材、主要实验步骤、数据的分析、结论，以及对结论可靠性的评估（包括对可能产生的误差的分析）。

根据本实验的方法，由于阻力的作用，本实验中减少的重力势能略大于增加的动能。 【速度的测量】

我们学过了匀变速运动的规律，并且已经知道自由落体的运动是匀变速运动，就可以用一个更简单、更准确的方法测量重物下落时的瞬时速度了。

如图所示，A、B、C是纸带上相邻的三个点，由于已经知道纸带以加速度a做匀加速运动，所以A、C两点的距离可以表示为

x=vA(2Δt)+1a(2Δt)2 2式中“2Δt”是A、C两点的时间间隔。这样，A、C之间的平均速度可以写成

vAC=x=vA+aΔt 2Δt另一方面vB＝vA＋aΔt 所以vB=vAC

这表明：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。即中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度。

【实验步骤】 1．如图器竖直地固架台上，将连接好。

夹子 重物

电火花计纸带

所示，把打点计时定在置于桌边的铁打点计时器与电源

2．将纸带穿过电火花记时器或打点计时器的限位孔，并把纸带的一端固定在重物上，使重物停靠在打点计时器的地方，先用手提着纸带。

3．先接通电源，松开纸带，让重物带着纸带自由下落，计时器就在纸带上打下一列小点。 4．重复几次，得到3～5条纸带。

5．在打好点的纸带中挑选“点迹清楚且第一、二两点间距离约为2mm”的一条纸带，记下第一个点的位置O，并在纸带上从任意点开始依次选取几个连续的点1、2、3……，并用刻度尺依次测出各点到位置O的距离，这些距离就是物体运动到点1、2、3、……时下落的高度

h1、h2、h3……。

6．应用平均速度就是中间时刻的瞬时速度的方法 ，计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、

v3……。

7．把得到的数据真入表格里，计算各点对应的势能减少量mgh，以及增加的动能并比较是否跟理论一致。计算时g取当地的数值。

8．拆掉导线，归整器材。 【记录及数据处理】

12mv，2g＝9.8m/s2，T＝0.02s

h1(OB) h2(OC) h3(OD) E D C ΔEp1＝mgh1

ΔEp2＝mgh2 ΔEp3＝mgh3 x1(AB) x2(BC) x3(CD) x4(DE) v1= s1+s2 2T v2=s2+s3 2T v3=s3+s4 2TΔEk1= 结论：

12mv1 2 ΔEk2=12mv2 2 ΔEk3=12mv3 2_______________________________________________________________________________________________________________________________________________

【注意事项】

1．打点计时器的两限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩檫阻力。 2．实验时必须先接通电源，然后松开纸带让重物下落。

3．测量下落高度时，必须从起始点算起。选取的各计数点要离起始点远些，可减少物体下落距离h的测量误差。纸带不宜过长，约40㎝即可。因重物自由下落时的加速度较大，每两个计数点间的时间间隔不一定取连打5个点的时间为计时单位。

4．实验中因不需要知道动能和势能的具体数值，故不需测物体的质量m。

5．实际上重物和纸带下落过中要克服阻力做功，所以动能的增加量要小于势能的减少量。 6．纸带的上端最好不要悬空提着，要保证重物下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的小点。

7．纸带挑选的标准是第一、二两点间的距离接近2mm。 【误差分析】

1．由于测量长度带来的误差属偶然误差，减小的办法一是测距离时都从起点O量起，二是多测几次取平均值。

2．实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功，故动能的增加量ΔEK必定稍小于势能的减少量ΔEP，这是属于系统误差。

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