第九節 實驗：驗證機械能守恒定律,課標定位 學習目標：1.掌握利用自由落體運動驗證機械能守恒定律 2知道實驗的原理、方法和過程 3會處理實驗數據，并能對實驗結果進行討論及誤差分析 重點難點：實驗條件的控制及數據處理,核心要點突破,課堂互動講練,知能優化訓練,第九節,課前自主學案,課前自主學案,一、實驗原理 1機械能守恒定律 (1)當只有重力做功時，物體的動能和重力勢能發生相互轉化，但機械能的總量保持不變 (2)做自由落體運動的物體，只受重力作用，其機械能是守恒的,2實驗原理 (1)如圖791所示，借助打點計時器打出的紙帶，測出物體自由下落的高度h和該時刻的速度v，以紙帶上的第n個點為例， 圖791,二、實驗器材 鐵架臺(帶鐵夾)，打點計時器，重物(帶紙帶夾子)，紙帶，復寫紙，導線，毫米刻度尺，學生電源 三、探究步驟 1安裝置：將打點計時器固定在鐵架臺上；用導線將打點計時器與低壓交流電源相連接,2接電源，打紙帶：把紙帶的一端在重物上用夾子固定好，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物停靠在打點計時器附近，接通電源，待打點穩定后松開紙帶，讓重物自由下落重復幾次，打下35條紙帶 3選紙帶：選取點跡較為清晰的，挑選紙帶上第一個點及距離第一個點較遠的點，并依次標上0,1,2,3.,核心要點突破,其中，第1種方法是根據機械能守恒定律mghmv2得到的，而我們的目的是驗證機械能守恒定律，顯然不能用 第2種方法認為加速度為g，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實際下落加速度必將小于g，而下落高度h是直接測量的，這樣將得到機械能增加的結論，故這種方法也不能用,實驗時必須保持提起的紙帶豎直，手不動，待接通電源，讓打點計時器工作穩定后再松開紙帶，以保證第一點是一個清晰的點 測量高度h時，應從起始點算起為減小h的相對誤差，選取的計數點要離起始點遠些，紙帶也不宜過長，有效長度可在60 cm80 cm.,三、注意事項 1安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴格豎直，以減小摩擦阻力 2應選用質量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小 3實驗時，應先接通電源，讓打點計時器工作正常后再松開紙帶讓重物下落,2系統誤差：實驗過程中要克服阻力(主要是打點計時器的阻力)做功，故動能的增加量Ek必定稍小于勢能的減少量Ep.再者，交流電的頻率f不是50 Hz也會帶來系統誤差若f50 Hz，由于速度值仍按頻率為50 Hz計算，頻率的計算值比實際值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，動能值也就偏小，使EkEp的誤差進一步加大；根據同樣的道理，若f50 Hz，則可能出現EkEp的結果,課堂互動講練,(2010年高考課標全國卷)如圖793為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖現有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平回答下列問題：,圖793,(1)為完成此實驗，除了所給的器材，還需要的器材有_(填入正確選項前的字母) A米尺 B秒表 C012 V的直流電源 D012 V的交流電源 (2)實驗中誤差產生的原因有_(寫出兩個原因),【精講精析】 (1)用A項米尺測量長度，用D項交流電源供打點計時器使用(2)紙帶與打點計時器之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數有誤差；計算勢能變化時選取的始末兩點距離過近；交流電頻率不穩定 【答案】 (1)A、D (2)紙帶與打點計時器之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數有誤差；計算勢能變化時，選取的兩點距離過近；交流電頻率不穩定(選取兩個原因即可),(2011年廣州高一檢測)某同學做驗證機械能守恒定律實驗時，不慎將一條挑選出的紙帶一部分損壞，損壞的是前端部分剩下的一段紙帶上各相鄰點間的距離已測出標在圖794中，單位是cm.已知打點計時器工作頻率為50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2.,圖794,(1)重物在2點的速度v2_，在5點的速度v5_，此過程中動能增加量Ek_，重力勢能減少量Ep_. (2)比較得Ek_Ep(填“大于”“等于”“小于”)，原因是_由以上可得出實驗結論_,(3)根據實驗判斷下列圖象正確的是(其中Ek表示物體動能的變化，h表示物體下落的高度)( ) 圖795,【思路點撥】 求某一點的速度時應根據中間時刻的瞬時速度等于該過程的平均速度，可求出在打第2個點和打第5個點時重物的瞬時速度在運動過程中，存在空氣阻力和紙帶與打點計時器間的摩擦阻力，因此物體在下落過程中減少的重力勢能并不等于增加的動能,(2)顯然EkEp，原因是實驗中重錘要克服阻力做功由以上可得出實驗結論為：在誤差允許的范圍內，機械能守恒 (3)物體機械能守恒，應有物體減少的重力勢能轉化為增加的動能，即Ekmgh，可見物體增加的動能與下落的距離成正比，選項C正確,【答案】 (1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03m J 1.06m J (2)小于 實驗中重錘要克服阻力做功 在誤差允許的范圍內，機械能守恒 (3)C 【易誤警示】 解答該題時千萬不可認為既然機械能是守恒的，就直接將動能的增加量等于重力勢能的減少量因為該題是要求通過實驗驗證機械能守恒定律的，是否守恒要通過實驗數據的計算來說明,(2010年高考海南卷改編)利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意如圖796所示： 圖796,(1)實驗步驟： 將氣墊導軌放在水平面上，桌面高度不低于1 m，將導軌調至水平； 用游標卡尺測量擋光條的寬度為l9.30 mm. 由導軌標尺讀出兩光電門中心之間的距離s_ cm 將滑塊移至光電門1左側某處，待砝碼靜止不動時，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已能過光電門2；,從數字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間t1和t2； 用天平稱出滑塊和擋光條的總質量M，再稱出托盤和砝碼的總質量m. (2)用表示直接測量量的字母寫出下列所示物理量的表達式； 滑塊通過光電門1和光電門2時瞬時速度分別為v1_和v2_.,當滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1_和E