验证机械能守恒实验教案
7.5 实验：验证机械能守恒定律
【教学目标】
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．
3．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．4．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、难点】
1．掌握验证机械能守恒定律的实验原理．
2．验证机械能守恒定律的误差分析及如何减小实验误差的方法．
【实验器材】电火花计时器(或电磁打点计时器)，交流电源，纸带(复写纸片)，重物(带纸带夹子)，导线，刻度尺，铁架台(带夹子)
【课时安排】1课时
【教学设计】
课前预学
【预学内容】
1．复习巩固机械能守恒定律的条件
下列几种情况中，物体的机械能守恒的是（不计空气阻力）：（）
A．水平推出的铅球在空中运动的过程
B．沿着光滑斜面匀加速下滑的物体
C．被起重机匀速吊起的物体
D．物体做自由落体运动
2．受上题的启发，如果现在要用一个具体的运动实例来验证机械能守恒定律，你觉得选哪种运动来研究最简单，方便呢？说说你的理由．
3．根据你的选择，谈谈实验中要测量的物理量，要用到的实验器材，必要的实验步骤．【预学疑难】
课内互动
【新课导入】
根据前面的学习，我们知道了物体在只有重力做功的情况下机械能守恒，那么如何用实验来验证这个定律呢？这节课我们就一起来探讨这个问题．
【新课教学】
一、设计实验：
教师活动：针对大家的预学情况，投影出几个同学的实验方案，要求大家分组讨论每个方
案的可行性．
学生活动：分组讨论，并派代表发言．得出结论：自由落体运动是一种只有重力做功的最
简单的运动．
教师活动：自由落体物体初速度为零，当下落高度为h 时，速度达到v ，则有：221mv mgh 本实验中我们就要找出物体减少的重力势能mgh 和物体增加的动能221mv 看看两者是否相等，如果两者相等，则验证了机械能守恒定律．
提出问题：实验中我们要测量那些物理量？需要用到哪些实验仪器呢？ 学生活动：分组讨论，并派代表发言
学生甲： 需要天平测物体的质量，刻度尺测量物体下落的高度
学生乙： 不需要测质量，因为质量可以两边约掉，只要看gh 是否等于22
1v 就可以了． 可以借助于打点计时器来测物体下落的高度以及物体的速度．另外打点计时器
的限位孔要竖直放置，所以需要用仪器把打点计时器竖直固定．
教师活动：很好，质量是不需要测的，所以不需要用天平．另外我们可以用带夹子的铁架
台将打点计时器固定．
提出问题：如何根据实验打出的纸带测量物体下落的距离，及物体的速度呢？ 学生活动：在纸带上取某点A ，测出它距第一个点的距离，即为物体下落的高度．在A 点
前后各取一个点，将A 点作为两点的中间时刻，求出前后两点之间的平均速度即为A 点的瞬时速度．
教师活动：同学们讨论的都非常好，那么下面我们就一起来看
看实验的具体步骤
(1) 按图装置固定好计时器，并用导线将计时器接到电
压合适的交流电源上
(2) 将纸带的一端用小夹子固定在重物上，使另一端穿
过计时器的限位孔，用手竖直提着纸带，使重物静
止在靠近计时器的地方．
(3) 接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就
在纸带上打下一系列小点．
(4) 换几条纸带，重做上面的实验．
二、学生分组实验
在学生开始做实验之前，老师应强调如下几个问题：
（1）打点计时器所接电源有何要求？
（2）在架设打点计时器时应注意什么？为什么？
（3）实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？为什么？
学生活动：思考老师的问题，讨论、交流．选出代表发表见解．
（1）电火花计时器要接到220 V 交流电源上，电磁打点计时器要接到4 V ～6 V 的交流低压电源上
（2）打点计时器要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以尽量减少重物带着纸带下落时所受到的阻力作用．
（3）必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落．
学生分组进行试验，教师巡回指导
三、整理、分析数据
教师活动：怎样选取合适的纸带呢？
学生活动：甲：选择点迹最为清晰的纸带，以便于取点计算分析
乙：因为是自由落体运动，因此打第一个点时的速度必须为零，与第二个点之
间的距离应为2mm ．
教师活动：测量下落高度时，某同学认为都必须从起始点算起，不能弄错．他的看法正确
吗？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适当远些好，还是近些好？
学生活动：这个同学的看法是正确的．为了减小测量 h 值的相对误差，选取的各个计数点
要离起始点适当远些好．
由图表可见：mgh 总是近似等于22
mv ． 提出问题：大家有没有发现虽然mgh 总是近似等于
221mv ，但是mgh 总是略大于221mv ，也就是说重物减少的重力势能要略大于物体增大的动能．大家能分析一下这个
现象吗？
学生活动：分组讨论，并派代表回答
学生甲： 重物下落过程中要受到空气阻力作用，有一部分重力势能要转化为内能，所以
重物减少的重力势能要略大于物体增大的动能．
学生乙：纸带与限位孔之间可能也或多或少存在一些摩擦
教师活动：大家分析得很对，为了减小实验误差，应尽量减小重物下落时纸带所受的阻力．因此我们对重物的选择就有一定的要求了，最好选择质量大，体积小的重
物，以减小空气阻力对实验的影响，但是，空气阻力总还是存在的，所以，所
以实验中重力势能的减小量应总大于动能的增加量，这样才是符合实际的四、得出结论：
学生活动：在只有重力做功的情况下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械能的总量保持不变．
【课堂小结】
本节课我们通过对自由落体的研究，验证了在只有重力做功的情况下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械能的总量保持不变．在该实验中，我们都是从起点开始测物体下落的距离，从而进行验证．如果某同学不慎将纸带开始的一部分撕坏了，那么可以用该纸带来进行数据处理，从而进行验证吗？这个问题留给大家课后思考．
课后提升
1．在“验证机械能守恒定律”的实验中，需要直接测量和间接测量的数据是重物的( ) A．质量B．下落时间C．下落高度D．瞬时速度
2．选择纸带时，较为理想的是( )
A．点迹小而清晰的B．点迹粗的
C．第一、二点距离接近2mm的D．纸带长度较长的(40---50cm)
3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，有下列器材可供选择：
铁架台（含夹子）、打点计时器、复写纸、低压直流电源、天平、秒表、导线、开关．其中不必要的器材是__________．缺少的器材是__________．
4．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应是，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于的数值．
5．下列实验步骤中，合理的顺序是
A．把重物系在夹子上，纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系重物的夹子，让夹子靠近打点计时器．
B．把打点计时器接入学生电源交流输出端，输出电压调在6V．
C．把打点计时器固定在铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上．
D．拆下导线，整理器材．
E．接通电源，释放纸带．
F．断开电源，更换纸带．再进行两次实验．
G．在三条纸带中选取最合适的一条，再纸带上选几个点，进行数据处理．
6．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s1、s2、s3、s4、s5、s6，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．
7．在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9．80m/s2．某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时计数点对应刻度尺上的读数如图所示．图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D分别是每打两个点取出的计数点．根据以上数据，可知重物由O点运动到B点时：
(1)重力势能的减少量为多少?
(2)动能的增加量是多少?
(3)根据计算的数据可得出什么结论?产生误差的主要原因是什么?
教学反思
参考答案
7.7验证机械能守恒定律实验
课后提升
1.CD
2.AC
3.不必要的有：天平、秒表、低压直流电源；缺少的有：低压交流电或220V
交流电、刻度尺．4.过原点的倾斜直线，g 5.CABEFDG
6.
2
1
2
3
4
5
6
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+
=，
T s
s v
26
5+
=， 1 5
7．(1) 重力势能的减少量为1.911m
(2)动能的增加量是1.865m
(3)根据计算的数据可得：在误差允许的范围内，物体的机械能守恒；产生误差的主要原因为：重物实际上除了受重力之外，还受空气阻力的作用．