2019_2020学年高中物理第七章机械能守恒定律第9节实验验证机械能守恒定律课时作业含解析新人教版
2019-2020学年人教版物理必修二 第七章 第九节 实验：验证机械能守恒定律 课件(56张)
1．掌握用落体法验证机械能守恒定律的实验原理。 2．理解实验设计思路，明确实验中需要直接测量 的物理量。 3．熟悉实验操作，能正确测量数据，会求瞬时速 度。 4．掌握实验数据的处理方法，能定性分析误差产 生的原因。
1.实验原理
做自由落体运动的物体，如果忽略微小阻力作用，
课堂任务 分析数据·得出结论 活动 1：本实验有哪几种处理数据的方法来验证机 械能守恒定律？ 提示：方法一：利用起始点和第 n 点 从起始点到第 n 个计数点，重力势能减少量为
mghn，动能增加量为12mv2n，如果在实验误差允许的范围 内12mv2n＝mghn，即12v2n＝ghn 成立，则机械能守恒定律得 到验证。
活动 2：怎样测出重物下落的高度？ 提示：从纸带上测出。纸带随重物一起下落，纸带 上任何两个点之间的距离就代表这两个时刻间重物下 落的高度。比如图乙中的 h1、h2、h3。
活动 3：怎样求出重物在某个时刻的速度？ 提示：纸带随重物一起匀加速下落，任意时刻重物 与纸带的速度相等。纸带做匀加速运动，一段时间中间 时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度。例如：如 图所示，记下第 1 个点的位置 O，在纸带上从离 O 点适 当距离开始选取几个计数点 1、2、3、……n，使相邻 两计数点间的点数相同，并用刻度尺测量出各计数点到 O 点的距离 h1、h2、h3、……hn，打第 n 个计数点时的 瞬时速度等于这点前后相邻两计数点间的平均速度，即
方法二：任取两点 A、B
测出物体下落高度 hAB 过程的初、末时刻的速度 vA、
vB，重力势能减少量为 mghAB，动能增加量为12mv2B－12
mv
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 A
，
如
2019_2020学年高中物理第七章机械能守恒定律9实验：验证机械能守恒定律课件新人教版必修2
答案：(1)B (2)重物没有靠近打点计时器(或电火花计时器放得过高) (3)A (4)g(s0 ＋s1)＝（s13＋2Ts22）2
探究 实验过程的创新与改进
探究导引
图 7—9—5 【例】 如图 7—9—5 所示，两个质量分别为 m1 和 m2 的小物块 A 和 B，系在一条 跨过定滑轮的软绳的两端，已知 m1>m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律．
07 机械能守恒定律
第九节 实验：验证机械能守恒定律
目标导向
1.掌握验证机械能守恒定律的实验原理，知道实验中
知识与 技能
注意什么． 2．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度． 3．在具体问题中，能判定机械能是否守恒，并能列
出机械能守恒的方程式．
1.通过用纸带与打点计时器来验证机械能守恒定律，
方法导学
思维导悟 导悟 1 实验原理和操作步骤 【例 1】 在验证机械能守恒定律的实验中，有位同学按以下步骤进行实验操作： A．用天平称出重锤和夹子的质量 B．固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近 打点计时器 C．松开纸带，接通电源，开始打点．并如此重复多次，以得到几条打点的纸带 D．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点 O，在距离 O 点较近处选择几个连 续计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值
要点导析
导析 1 实验目的 (1)用落体法验证机械能守恒定律． (2)理解实验设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量． (3)熟悉实验操作，能正确测量数据，会求瞬时速度． (4)掌握实验数据的处理方法，能定性分析误差产生的原因．
导析 2 实验原理 用研究物体自由下落的运动来验证机械能守恒定律，其实验原理是忽略空气阻力，自 由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即动能的增加量等于重力势能的减少量．验证方 式有两种： (1)若以重物下落的起始点 O 为基准点，设重物的质量为 m，测出物体自起始点 O 下 落距离 h 时的速度 v，由计算得出12mv2、mgh，看它们在误差允许范围内是否有12mv2＝ mgh，由此来验证机械能守恒定律是否成立．
第七章 机械能守恒定律第9节实验：验证机械能守恒定律
科目教材版本章节（课题）主备人使用人物理人教版必修2第七章机械能守恒定律第9节实验：验证机械能守恒定律授课班级授课时间应到人数实到人数教学目标知识与技能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.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.过程与方法1.要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法.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，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.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.导入新课请同学们思考，细绳的下端拴一个重球，上端固定在天花板上.把重球从平衡位置B拉到A，放开手，重球就在A、B间往复运动，如果空气阻力可以忽略不计，把铅笔放在B1的位置上，重球将沿怎样的弧线运动？它上升的最高点C1在什么地方？由此同学们得到什么启示？自主学习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.问题：1.机械能守恒定律的条件是什么？2.要验证机械能守恒应该创设什么样的问题情景？3.回顾以前学过的运动，哪种运动形式符合验证机械能守恒定律的条件？ 学生通过讨论，总结：1.机械能守恒定律的条件是：物体系统只有重力或弹力做功.2.要验证机械能守恒定律，应该符合守恒条件：只有重力或弹力做功.3.自由落体运动只受重力，符合验证条件.这节课我们通过设计实验，通过探究自由落体过程中能量的变化来验证机械能守恒定律. 指导学生阅读课本内容，找出利用自由落体运动验证机械能守恒定律的方法,培养学生的阅读、总结表达能力.方法总结：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相互转化，总的机械能守恒，验证机械能守恒定律只需验证减少的重力势能等于增加的动能即可.问题探究：让学生分组讨论、交流，要完成本实验，应该测量的量有哪些,如何测量,并提出解决方案.明确：测量物体自由下落过程中减少的势能.方法：测量物体的质量m 、下降的高度Δh ，利用重力势能的公式计算ΔE p =mgΔh;测量自由落体下降Δh 时的速度v,利用动能的公式计算ΔE k =mv 2/2,利用打点计时器处理纸带的方法来求解速度.方法补充：如何利用纸带求解瞬时速度?指导学生根据匀变速直线运动的运动学规律，推导瞬时速度的求解方法. 学生通过阅读教材，总结推导过程，教师通过大屏幕投影学生的推导过程： 如图所示，由于纸带做匀加速运动，故有A 、C 之间的平均速度：2CA AC v v v +=.根据速度公式有：v B =v A +aΔt ，v C =v B +aΔt ， 故有：v B -v A =v C -v B ， 即v B =2CA v v +. 从而：vB =AC v .总结：匀变速直线运动中，某点的瞬时速度等于以该点为时间中点的两点间的平均速度. 解决方案：利用电火花计时器打出纸带，通过处理纸带，既可以求出物体下降的高度，还可以求出某一瞬时的速度，因此电火花计时器是重要的实验仪器.原理探究：通过实验，求自由落体的重力势能减少量和相应过程动能的增加量.若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律.而且，因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值，所以不必测量物体的质量m ，而只需验证221n v =gh n 就行了，如果要具体计算出重力势能或动能的数值就需要天平.总结：指导学生根据实验原理，写出本实验用到的实验器材: ①电火花计时器（或电磁打点计时器）；②重物（质量300 g±3 g ）及纸带；③铁架台、夹子、烧瓶夹；④电源.问题预测:在本实验操作的具体过程中会遇到哪些问题？通过该问题的设置，学生对实验中可能遇到的问题进行预测，并提出相应的解决方法.1.重物下落的过程中除受重力外，还受到哪些阻力？怎样减小这些阻力对实验的影响?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?3.本实验中用的重锤，质量大一些好还是小一些好？为什么？4.质量是否为本实验必须测量的量? 参考答案：1.重物下落的过程中，除受重力外，还要受空气阻力和打点计时器给纸带的摩擦力.安装打点计时器时注意保持竖直，重物要选择质量大一些的.2.为减小测量高度h 值的相对误差，选取的各计数点要离起始点远一些.要从起始点开始测量出h 1、h 2，再求出Δh=h 2-h 1.3.锤应该选择质量大一些，体积小一些的，可以有效地减小空气阻力的影响.4.质量并非必须测量的量，在需要计算具体的能量数值时，需要天平.步骤整理：教师指导学生根据实验原理、各种器材的注意事项，总结归纳实验步骤：(1)如图所示，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器；打点计时器的两根导线接在6伏交流电源上.(2)用手提着纸带，让重物靠近打点计时器静止，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列点.(3)重复几次，从几条打下点的纸带中挑选第一、二点间距离接近2mm 且点迹清楚的纸带进行测量，测出一系列计数点,各点到第一个点的距离d 1、d 2，d 3,……,d n-1,d n ,d n+1,……据公式v n =Td d n n 211-+-，计算物体在打下点1、2……时的即时速度v 1、v 2……计算相应的动能的增加值,填入事先设计好的表格.教师点拨：选第1、2点间距约2 mm 的纸带意味着纸带是在打第一个点的瞬时开始运动的，根据h=gT 2/2=9.8×0.022/2 m=1.961 0-3 m≈2 mm.在起始点标上0，用刻度尺测量纸带从点0到点1、2……之间的距离h 1、h 2……计算出相应减少的重力势能,填入事先设计好的表格. 处理数据，得出结论. 参考数据： 各计数点 4 5 6 7 8 9 10 t(s) 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 h×(10-2 m) 2.92 4.62 6.70 9.18 12.03 15.28 18.92 v=Δh/Δt(m/s) 0.945 1.14 1.33 1.53 1.72 ΔE k =mv 2/2 0.134 0.195 0.265 0.351 0.444 ΔE p =mgh0.1360.1970.2700.3540.450实验结论：在误差允许的范围内，物体减少的重力势能等于增加的动能，机械能守恒. 学生分组实验，并处理数据，教师利用实物投影仪展示几组数据，并进行点评. 师生根据实际实验中的体会，总结实验注意事项：1.打点计时器安装时，必须使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.2.实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源，让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的点.3.选用纸带时应尽量挑选第一、二点间接运2 mm 的纸带.4.打点计时器必须接50 Hz 交流低压电源.5.测量下落高度时，必须从起始点算起，不能搞错，为了减小测量h 值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60 cm —80 cm 之内.6.实验中，只要验证gh 是否等于21v 2即可，也可不用测重锤的质量. 误差分析：教师指导学生观察表格中的数据，减少的重力势能并不是严格地等于增加的动能，而是稍大于增加的动能，让学生思考其中的原因，并总结归纳.原因：重物和纸带下落过程中要克服阻力，包括空气阻力、纸带与限孔位及纸带与计时器之间的摩擦力.由于摩擦力的存在，减少的重力势能并没有全部转化为动能，有一部分转化为内能.计时器平面不在竖直方向，纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原因.电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器.交流电的频率f 不是50 Hz 也带来误差.f ＜50 Hz,使动能E k ＜E p 的误差进一步加大，f ＞50 Hz 则可能出现E k ＞E p 的结果.因此为了实验的精确性，应该严格按照实验步骤进行.例题在用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中，得到如图所示的一条纸带.起始点O 到A 、B 、C 、D 、E 各点的距离分别h A 、h B 、h C 、h D 、h E .如果重物的质量为m ，打点计时器所用电源的频率为f ，则在打B 、D 两点时，重物的速度v B =__________，v D =__________.如果选择起始点的位置为零势能参考点，则在打B 、D 两点时重物的机械能E B =__________，E D =__________，若E B __________E D ，则说明重物在下落过程中机械能守恒. 解析：根据纸带上瞬时速度的计算方法，得v B =22AC A C h h T h h -=-·f, vD =22CE C E h h T h h -=-·f ， 打B 点时，重物的动能和重力势能分别为：E kB =2222)(81)2(2121A C A C B h h mf f h h m mv -=•-=, E pB =-mgh B .此时重物的机械能E B =E kB +E pB =81mf 2(h C -h A )2-mgh B .同理E kD =81212 D mv mf 2（h E -h C )2,E pD =-mgh D ,E D =81mf 2(h E -h C )2-mgh D . 如果E B =E D ，则说明重物在下落过程中机械能守恒.方法总结：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E B >E D .又因为在初始点时重物的机械能为0，所以有0>E B >E D ,21mv B 2-mgh B <0,221D mv-mgh D <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.检测反馈（1）为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选用：铁架台、打点计时器、复写纸、纸带、秒表、低压直流电源、导线、电键、天平.其中不必要的器材有： ________________；缺少的器材是________________________________.（2）在验证机械能守恒定律时，如果以v 2/2为纵轴，以h 为横轴，根据实验数据绘出的图线应是________________，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于_______________的数值. （3）在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出纸带如图所示，其中A 点为打下的第一个点，0、1、2……为连续的计数点.现测得两相邻计数点之间的距离分别为s 1、s 2、s 3、s 4、s 5、s 6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为T.根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加速度大小表达式为____________.在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为____________.要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第_________号和第_________号计数点之间的过程为研究对象.（4）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6 V 、50 Hz 的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O 点为重锤下落的起点，选取的计数点为A 、B 、C 、D ，各计数点到O 点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8 m/s 2.若重锤质量为1 kg.①打点计时器打出B 点时，重锤下落的速度v B =__________m/s ，重锤的动能E kB =_________J. ②从开始下落算起，打点计时器打B 点时，重锤的重力势能减少量为____________J.③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B 点的过程中，得到的结论是____________________________________. 参考答案：（1）不必要的器材有：秒表、低压直流电源、天平.缺少的器材是低压交流电源、重锤、刻度尺（2）通过原点的直线 g （3）（s 6+ s 5+ s 4- s 3- s 2-s 1）/9T 2 （s 5+s 6）/2T 1 5 （4）①1.175 0.69 ②0.69 ③机械能守恒 思维拓展处理纸带的时候速度能不能用v=gh 2或v=gt 计算？参考解答：v=gh 2是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用.v=gt 认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g ，故这种方法也不能用.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.布置作业1.教材“问题与练习”第1、2题.2.自己设计方案,验证机械能守恒,自由选择实验仪器,写出操作步骤及实验报告.教学反思验证机械能守恒定律是在学习了机械能守恒定律之后进行的一节实验课，目的在于学习物理规律之后进行，验证物理规律的正确性，巩固和加深对物理规律的理解.本节仍然采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的写法，这给教师在实际教学中很大的教学空间.本实验虽然是个验证性实验，但本教学设计突破思维习惯，采用由学生自主提出、验证方法、验证原理、验证步骤及方案的方法，渗透探究型实验的思想.因此，本教学设计注重了在过程中培养学生的科学素养.通过积极的创造性活动，使学生参与并体验了设计方案形成的思维过程，从中体会实验设计的乐趣和艰辛，感悟了科学实验的本质和价值，从而使学生形成科学的情感态度与价值观.本教学设计主要讲解机械能守恒定律的推导，没有大量讲解例题，重点放在机械能守恒定律的含义要讲透，这对下一节的应用课有很大帮助.渗透了能量在物理学习中的重要地位，这是物理力学知识的核心所在.。
高中物理 第七章 机械能守恒定律 第9节 实验：验证机械能守恒定律课件 新人教版必修2.ppt
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mv2，
故m可消去，不需要用天平。
(2)打点计时器安装时，两限位孔必须在同一竖直线上，这
样才能使重物在自由下落时，受到阻力较小，开始记录时，应
先给打点计时器通电打点，然后再释放纸带。
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(3)产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时受到摩擦 阻力，导致重物获得的动能小于它所减少的重力势能，为减小误差， 重物应选密度大一些的。
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(4)如果以v22为纵轴，以 h 为横轴，根据实验数据绘出的v22－ h 图线是_____________________________________________，
该线的斜率等于________________。
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[解析] (1)选出的器材有：打点计时器(包括纸带)、重
物、毫米刻度尺、编号分别为A、B、D，注意因mgh＝
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3．纸带处理
在起始点标上0，在以后各点依次标上1、2、3、…用刻
度尺测出对应的下落高度h1、h2、h3、…
五、数据处理
(1)利用公式vn＝
hn＋1－hn－1 2T
，计算出点1、点2、点3…的
瞬时速度v1、v2、v3…。
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(2)要验证的是12mv2＝mgh 或12mv2 2－12mv1 2＝mgΔh，只需验证12 v2＝gh 或12v2 2－12v1 2＝gΔh，因此不需要测量重物的质量 m。
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验中。
(1)从下列器材中选出实验所必须的，其编号为________。
A．打点计时器(包括纸带)；
B．重物；
C．天平；
D．毫米刻度尺；
E．秒表；
F．小车。
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(2)打点计时器的安装放置要求为________________；开始 打点计时的时候，应先______________________，然后______ __________。
高中物理机械能第九节实验验证机械能守恒定律
第九节 实验：验证机械能守恒定律【学习目标】1.知道验证机械能守恒定律的实验原理、使用的器材及规范的操作步骤2.掌握实验数据处理方法3.知道误差的来源及减小误差的方法4.能理解一些简单的创新实验方案的原理【新知预习】一.实验方法1.实验的目的：通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的转变，从而验证 。
2.实验的装置：（如右图） 需要的实验器材有：打点计时器及电源、纸带、复写纸、重物、带有铁夹的铁架台、导线、刻度尺。
二.实验原理 1.本实验的研究对象为 ,研究其自由下落过程，机械能是否守恒。
为了简单最好选择重物从 开始，下落某一高度的过程。
同时为了减少重物下落过程阻力的影响，一方面在选择重物时，应选择 和 较大的重物，另一方面打点计时器应 安装，减小纸带所受的阻力。
2.重物自由下落时，只受 作用，其机械能守恒，若下落h 高度时速度大小为v ，减少的重力势能为mgh ，增加的动能为221mv ，只要mgh= ,即gh= 成立，即可验证重物自由落体运动中机械能守恒。
注意：本实验不必测量重物的 。
3.如图，若研究重物自由下落0到n 的过程，下落高度为h n 。
测第n 点瞬时速度的方法是：由h n+1、h n-1算出v n = 。
再验证 = ，是否成立，即验证机械能守恒。
三.数据处理1．数据处理的两种方法 方法一：比较gh 与221v ，如果在误差允许的范围内gh=221v ，则验证了机械能守恒定律。
方法二：以221v 为纵轴，以 为横轴，建立直角坐标系，将实验得到的h 、221v 数据描于坐标平面内，如果在误差允许的范围内得到一条 ，则验证了机械能守恒定律。
2．误差分析【导析探究】导析一: 辨析计算重物下落速度方法1．要确定重物的动能，需要测出物体下落一定高度时的速度，根据已学知识，可有三种方法：⑴n n gh v 2= ⑵n n gt v = ⑶Th h v n n n 211-+-=,你认为以上三种方法哪些可以用来计算重物下落某一高度的速度，为什么？导析二: 用常规方法验证机械能守恒定律2．在验证机械能守恒定律的实验中（1）从下列器材中选出实验所必须的，其编号为_________________。
高中物理 第七章 机械能守恒定律 第9节 实验验证机械
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。
高中物理 第七章 机械能守恒定律 第9节 实验：验证机械能守恒定律(含解析)
第9节实验：验证机械能守恒定律一、实验目的1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。
2．掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。
二、实验原理让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的机械能守恒：1．以物体下落的起始点O 为基准，测出物体下落高度h 时的速度大小v ，若12mv 2＝mgh 成立，则可验证物体的机械能守恒。
2．测出物体下落高度h 过程的初、末时刻的速度v 1、v 2，若关系式12mv 22－12mv 12＝mgh 成立，则物体的机械能守恒。
三、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。
四、实验步骤1．安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。
2．打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。
先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。
更换纸带重复做3次～5次实验。
3．选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm 的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm 的第一个点作为起始点，记作O ，在距离O 点较远处再依次选出计数点1、2、3…4．测距离：用刻度尺测出O 点到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h 1、h 2、h 3…五、数据处理1．计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O ，在纸带上从离O 点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…并测量出各计数点到O 点的距离h 1、h 2、h 3…再根据公式v n ＝h n ＋1－h n －12T，计算出1、2、3、4、…n 点的瞬时速度v 1、v 2、v 3、v 4、…v n 。
2．机械能守恒验证方法一：利用起始点和第n 点。
从起始点到第n 个计数点，重力势能减少量为mgh n ，动能增加量为12mv n 2，计算gh n 和12v n 2，如果在实验误差允许的范围内gh n ＝12v n 2，则机械能守恒定律得到验证。
高中物理人教版第七章机械能守恒定律机械能守恒定律 【素材】第七章第9节
第9节实验：验证机械能守恒定律理解领悟本实验属验证性学生实验，实验目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。
要掌握实验的方法与技巧、实验数据的采集与处理，分析实验误差，从而不仅从理论上了解机械性能守恒定律，而且通过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。
教材中介绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法，要明白其道理。
1.实验原理用研究物体自由下落的运动来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即动能的增加等于重力势能的减少。
具体地说：①若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，由计算得出机械能守恒定律即被验证。
②若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度v A，再测出物体由A点下落△h后经过B点的速度v B，则在误差允许范围内，由计算得出机械能守恒定律即被验证。
2.操作步骤实验时，可按以下步骤进行：①用天平称出重物的质量；②把打点计时器固定到桌边的铁架台上；③把打点计时器接到低压交流电源上；④把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；⑤接通电源，释放纸带；⑥断开电源，调整纸带，重做两次；⑦拆掉导线，整理仪器；⑧用毫米刻度尺测出计数点间的相关距离，记录数据，并计算出结果，得出结论。
3.纸带的选取关于纸带的选取，我们分两种情况加以说明：①这是以纸带上第一点（起始点）为基准验证机械能守恒定律的方法。
由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选取点迹清晰且第1、2两点间的距离接近2mm的纸带。
②这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法。
由于重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为基准点，势能的大小不必从起始点开始计算。
这样，纸带上打出起始点O后的第一个内的位移是否接近2mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了。
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第9节实验:验证机械能守恒定律
1.在“验证机械能守恒定律”实验中,下列说法正确的是( D )
A.必须测量重物的质量
B.必须用秒表测出重锤下落的时间
C.把秒表测得的时间代入v=gt,计算重锤的速度
D.释放纸带前,手捏住纸带上端并使纸带处于竖直
解析:因实验需验证的关系式是mgh=mv2,m可约去,故可以不测重物的质量,A错误;打点计
时器可以测量重锤下落的时间,不需要用秒表测量,故B错误;该实验是验证机械能守恒定律的实验,如果把重物看成自由落体运动,再运用自由落体的规律求解速度,那么就是用机械能守恒来验证机械能守恒定律,故C错误;释放纸带前,手捏住纸带上端并使纸带处于竖直,从而减小纸带与限位孔之间的摩擦,故D正确。
2.(多选)用自由落体法验证机械能守恒定律,就是看m是否等于mgh n(n为计数点的编号
0,1,2,…n)。
下列说法中正确的是( AB )
A.打点计时器打第一个点0时,重物的速度为零
B.h n是计数点n到起始点0的距离
C.必须测量重物的质量
D.用v n=gt n计算v n时,t n=(n-1)T(T为打点周期)
解析:本实验的原理是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律。
因此打点计时器打第一个点时,重物运动的速度应为零,A正确;h n与v n分别表示打第n个点时重物下落的高度
和对应的瞬时速度,B正确;本实验中,不需要测量重物的质量,因为公式mgh=mv2的两边都有m,故只要gh=v2成立,mgh=mv2就成立,机械能守恒定律也就被验证了,C错误;实验中应用公
式v n=来计算v n,D错误。
3.(2016·浙江4月选考)(1)在下列学生实验中,需要用到打点计时器的实验有(填字母)。
A.探究求合力的方法
B.探究加速度与力、质量的关系
C.探究做功与物体速度变化的关系
D.探究作用力与反作用力的关系
(2)①做“验证机械能守恒定律”的实验,已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器,还必须选取的器材是图中的(填字母)。
②某同学在实验过程中,a.在重锤的正下方地面铺海绵;b.调整打点计时器的两个限位孔连线为竖直;c.重复多次实验。
以上操作可减小实验误差的是(填字母)。
答案:(1)BC (2)BD bc
4.在“验证机械能守恒定律”实验中,释放纸带前,甲、乙两同学操作正确的是(选填“甲”或“乙”);纸带下端所挂物体应选(选填“A”“B”“C”或“D”),理由是。
解析:甲同学这样做才能使重锤自由下落时,纸带上的点迹较多,故选择甲。
产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时存在摩擦阻力,使得重锤获得的动能小于它所减少的重力势能,为减小误差,重锤应选体积小、质量大的。
从增加重力减小阻力的影响,故选择B物体。
答案:甲 B 增加重力减小阻力的影响
5.小张做验证机械能守恒定律实验,在接通电源、释放纸带之前的情形如图所示,已知铁架台
置于水平桌面上,打点计时器竖直,请指出图中不合理的地方(至少两处)。
不合理①: ;
不合理②: 。
答案:①重锤未紧靠打点计时器②重锤与地面的距离太小③手应该抓住纸带的上端并使纸带竖直(任选两处填入)
6.图中甲、乙两图都是用来“验证机械能守恒定律”的装置示意图。
(1)比较甲、乙两图,某同学认为乙图装置较好,其理由如下列所述,其中正确的是(填字母代号)。
A.电火花计时器打点更准确
B.减小了空气阻力对实验的影响
C.可以节省纸带,让点迹更为密集
D.保证物体从静止释放,避免因纸带抖动而增大摩擦
(2)实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能,其主要原因是(填字母代号)。
A.重物的质量过大
B.重物的体积过小
C.电源的电压偏低
D.重物及纸带在下落时受到阻力
(3)从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,以为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出h图线,则在误差允许的范围内该图线
是,图线的斜率是。
解析:(1)因为用夹子固定纸带,可以避免用手握纸带时因手的抖动带来的弊端。
电磁打点计时器与电火花计时器的打点精度是相同的。
(2)重物及纸带在下落时受到阻力,由于阻力做功,重力势能除了转化为动能,还有一部分转化为内能。
(3)从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,
则需验证的关系式是mgh=mv2,故在误差允许的范围内,h图线是一条过原点且斜率为g
的直线。
答案:(1)D (2)D (3)过原点的一条倾斜直线重力加速度g
7.在验证机械能守恒定律的实验中,质量m=100 g的重锤自由下落,在纸带上打出了一系列的点,如图乙所示。
相邻计数点时间间隔为0.02 s,长度单位是 cm,g取9.8 m/s2。
(1)某同学开始实验时情形如图甲所示,接通电源释放纸带。
请指出该同学在实验中存在的两处明显错误或不当的地方。
① ;
②。
(2)从起始点O到打下计数点B的过程中,物体重力势能的减少量
ΔE p= J,动能的增加量ΔE k= J。
(均保留两位有效数字)
解析:(1)由题图甲可知,打点计时器接了直流电源,应接交流电源。
重物释放时离打点计时器太远,不利于数据的采集和测量。
(2)根据平均速度等于中间时刻的瞬时速度,
则有v B==1 m/s,
物体重力势能的减少量ΔE p=mgh OB≈0.051 J,
物体动能的增加量ΔE k=m=0.050 J。
答案:(1)①打点计时器接了直流电源②重物离打点计时器太远了(2)0.051 0.050 8.如图所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是。
A.重物选用质量和密度较大的金属锤
B.两限位孔在同一竖直面内上下对正
C.精确测量出重物的质量
D.用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画出,如图所示。
纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带上打出的第一个点。
重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出,利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有。
A.OA,AD和EG的长度
B.OC,BC和CD的长度
C.BD,CF和EG的长度
D.AC,BD和EG的长度
解析:(1)选用质量和密度较大的金属锤、限位孔对正都可以减小摩擦力对实验结果造成的误差,所以A,B正确;动能与重力势能表达式中都含有质量m,可以约去,故不需要测量出质量m 的具体数值,C错误;重物下落之前应该用手拉住纸带上端而不是用手托稳重物,D错误。
(2)测出BC和CD的长度就可以计算出打下C点时的速度v C,再测出OC的长度,就可验证
mgh OC=m是否成立,所以B正确;测出BD,EG的长度可计算出打下C,F两点时的速度v C和v F,再测出CF的长度,就可验证mgh CF=m-m是否成立,所以C正确。
答案:(1)AB (2)BC
9.某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。
一根细线系住钢球,悬挂在铁架台上,钢球静止于A点,光电门固定在A的正下方。
在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条.
将钢球拉至不同位置由静止释放,遮光条经过光电门的挡光时间t由计时器测出,取v=作为
钢球经过A点时的速度。
记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t,计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔE p与动能变化大小ΔE k,就能验证机械能是否守恒。
(1)用ΔE p=mgh计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到之间的竖直距离。
A.钢球在A点时的顶端
B.钢球在A点时的球心
C.钢球在A点时的底端
(2)用ΔE k=mv2计算钢球动能变化的大小,用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图乙所示,其读
数为cm.某次测量中,计时器的示数为0.010 0 s,则钢球的速度为v= m/s。
ΔE p(×10-2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38 ΔE k(×10-2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
他发现表中的ΔE p与ΔE k之间存在差异,认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点?请说明理由。
(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。
解析:(1)钢球下落的高度为初末位置球心间的竖直距离,所以选B。
(2)由图知读数为1.50 cm,钢球的速度为v=,代入数据解得v=
1.50 m/s。
(3)若是空气阻力造成的,则ΔE k应小于ΔE p,根据表格数据知不是空气阻力造成的。
(4)钢球经过A点时,光电门的位置低于球心的位置,故实验中测得的钢球速度大于钢球在A点的实际速度。
遮光条与钢球运动的角速度相等,由v=ω·r知,ω一定时,v与r成正比,故分别测出光电门和球心到悬点的距离L和l,即可计算出钢球经过A点时的速度v′
=v。
答案:(1)B (2)1.50(1.49～1.51都算对) 1.50(1.49～1.51都算对) (3)见解析(4)分别测出光电门和球心到悬点的距离L和l,计算ΔE k时,将v代入钢球的速度v′=v。