1、第八章机械能守恒定律 5 5实验：验证机械能守恒定律实验：验证机械能守恒定律 1.理解验证机械能守恒定律的原理。会设计实验方案， 采用正确的方法测量相关的物理量。 2.能够控制实验条件，正确进行实验操作，获取实验数 据，会分析误差原因，并采取相应措施，以减小实验 误差。 学习目标 复习引入 知识回顾：机械能守恒定律的内容是什么？ 只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保 持不变。 下面我们通过实验来研究物体运动过 程中动能与重力势能的变化，从而验 证机械能守恒定律。 一、实验思路 机械能守恒的前提是“_”，因此研究过程一定要 满足这一条件。想一想，满足这一条件的过程有哪些？
2、 自由落体运动中只有_做功，满足 _的条件。 1. 1.自由落体运动中动能与势能变化自由落体运动中动能与势能变化 自学感知 梳理教材夯实基础 自由落体闪光照片自由落体闪光照片 只有重力或弹力做功 重力 机械能守恒 2. 2.物体沿光滑斜面下滑中动能与势能变化物体沿光滑斜面下滑中动能与势能变化 沿光滑斜面下滑的物体受重力和支持力，但支持 力与物体位移方向_对物体不做功，这种情况 也满足机械能守恒的条件。 3.3.用细线悬挂的小球摆动中动能与势能变化用细线悬挂的小球摆动中动能与势能变化 细线的拉力与小球的运动方向_，对物体不做 功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有_做 功，也满足机械能守恒的条件。
3、 A C B v 在设计实验时还应考虑：有哪些方法可以减小阻力的影响？在设计实验时还应考虑：有哪些方法可以减小阻力的影响？ 自学感知 梳理教材夯实基础 垂直 垂直 重力 二、物理量的测量 验证机械能守恒定律，涉及的物理量有_和_，所以需要 测量物体的、以及物体的 这三个物理量。 质量物体所处位置的高度 运动速度 三、数据分析 根据选定的实验方案设计相应的_记录实验数据。实验中可采用 _种验证方案来验证机械能守恒定律。 自学感知 梳理教材夯实基础 动能势能 表格 两 1.计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足 2.计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足 1 2 12 2 2 mgh+
4、mv 2 1 =mgh+mv 2 1 21 2 1 2 2 mgh-mgh=mv 2 1 -mv 2 1 本实验我们提供物体做自由落体运动及沿光滑斜面下滑这两种方 案。 实验一：研究自由下落物体的机械能 （二）实验器材 （一）实验原理 在自由落体运动中，如果重力势能的减少量等于动能的增加量，就 验证了机械能守恒定律. 铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子) 、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流 电源(46 V). 新知讲解 答疑解惑 （三）实验步骤 按照如图所示装置安装打点计时器 将纸带穿过计时器，下端与重物相连 接通电源，待计时器工作稳定后释放纸带 及时切断电源，取下纸带，标
5、上纸带号 更换纸带，重复以上步骤 整理器材，使器材复位 新知讲解 答疑解惑 四.纸带的处理（有两种方案） 方案方案1：利用利用起点起点和距起点和距起点较远的较远的点点，挑选，挑选点迹点迹清晰且清晰且开始的开始的两点两点 间距接近间距接近2mm的一条纸带的一条纸带，在在实验误差允许范围内实验误差允许范围内验证验证 即即 可。可。 1 2 3 4 5 6 70 方案方案2：任取两点任取两点A、B,不不需要需要挑选开始的挑选开始的两点间距接近两点间距接近2mm的的纸带。纸带。 AB h 计算计算重力势能的减少量重力势能的减少量mghA-mghB动能动能增加量增加量 2 A 2 B mv 2 1 -m
6、v 2 1 即可。即可。在在实验误差允许范围实验误差允许范围内验证内验证 新知讲解 答疑解惑 mm2=m002. 0=s02. 0m/s10 2 1 =gt 2 1 =h 222 2 . 1 ）（ 因为起始点的速度应该为零，t=0.02s，g=10m/s2 起始点 2mm 探究解惑 注重过程提高能力 探究一、为什么纸带上的头两个点间的距离应接近2mm？ 或 实验实验需要验证：需要验证： gh=v 2 1 2 21 2 1 2 2 mgh-mgh=mv 2 1 -mv 2 1 或 只需验证只需验证 mgh=mv 2 1 2 21 2 1 2 2 gh-gh=v 2 1 -v 2 1 因此因此可以
7、不测量物体的质量。可以不测量物体的质量。 即可即可 探究解惑 注重过程提高能力 探究二、实验时，为什么可以不测量物体的质量？ B 点的瞬时速度等于 A、C 点之间的平均速度 t2 x vB vAC平 均= 探究解惑 注重过程提高能力 探究三、如何测量物体的瞬时速度? 五、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？对实验的影响？ 答：阻力主要有空气阻力、纸带与计时器间的摩擦阻力等。 选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小空气阻力； 安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，
8、以减小 摩擦阻力。 新知讲解 答疑解惑 2. 2. 重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置？重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置？ 开始点开始点选择纸带上的选择纸带上的起点起点，且第，且第1 1、2 2两点间的距离两点间的距离应接近应接近2mm2mm。终结点终结点 应选择应选择距起点较远的点距起点较远的点，这样，这样测量的测量的相对误差较小。相对误差较小。 3.3.实验时，应先接通实验时，应先接通电源待打点稳定后，再电源待打点稳定后，再松开纸带让重物下落。松开纸带让重物下落。 4.4.实验实验中动能中动能增加量必定稍小于重力势能减少增加量必定稍小于重力势能
9、减少量量( (要克服阻力做功要克服阻力做功) )。 5 5. .两种两种验证验证方案均方案均不需要测重物的质量不需要测重物的质量m m。 新知讲解 答疑解惑 实验二：研究沿斜面下滑物体的机械能 （一）实验器材 气垫导轨、数字计时器、滑块 研究沿斜面下滑物体的机械能的实验装置 新知讲解 答疑解惑 2. 用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 h 和初、末 速度 v1 、v2 hg=v 2 1 -v 2 1 2 1 2 23.如果在实验误差允许范围内 则机械能守恒定律得到 验证。 （二）实验步骤： 1.把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势 能减小，动能增大。 新知讲解
10、 答疑解惑 问题1：为什么利用气垫导轨可以提高实验的精确度？ 答：因为气垫导轨上有很多_，气泵送来的_从小孔喷出 ，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的_，两者不会直接接触。 这样，滑块运动时受到的_很小，实验的_能大大提高。 问题2：你知道数字计时器是如何计时的吗？ 答：计时系统的工作要借助于_和_（统称光电门）。光源 与光敏管_，它射出的光使光敏管_。 自学感知 梳理教材夯实基础 小孔 压缩空气 空气层 阻力 精确度 光源光敏管 相对感光 当滑块经过时，其上的遮光条把光遮住，与光敏管相连的电 子电路自动记录_，通过数码屏显示出来。根据遮光 条的_和遮光时间，可以算出滑块经过时的_。因为 这样的计
11、时系统可以测出 0.001 s 的时间，并且能直接以_ 显示，所以又叫_。 遮光时间 宽度 速度 数字 数字毫秒计 自学感知 梳理教材夯实基础 【例例1】某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验 所用的电源为学生电源所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为可以提供输出电压为6 V的交流电和直流电的交流电和直流电,交交 流电的频率为流电的频率为50 Hz。重锤从高处由静止开始下落。重锤从高处由静止开始下落,重锤拖着的纸带上重锤拖着的纸带上 打出一系列的点打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析对纸带上的点测量并分析,即可验证即可验证机
12、械能守恒定律。机械能守恒定律。 (1)(1)这位同学进行正确操作这位同学进行正确操作 后挑选出一条点迹清晰的纸后挑选出一条点迹清晰的纸 带进行测量分析带进行测量分析, ,如图乙所如图乙所 示。其中示。其中O O点为起始点点为起始点,A,A、B B、 C C、D D、E E、F F为六个计数点。为六个计数点。 根据纸带上的测量数据根据纸带上的测量数据, ,当当 打打B B点时重锤的速度为点时重锤的速度为 _m/s_m/s。( (保留保留3 3 位有效数字位有效数字) (2)(2)他继续根据纸带算出各点的速度他继续根据纸带算出各点的速度v,v,量出下落距离量出下落距离h h, ,并并以以 为纵轴、
13、为纵轴、 以以h h为横轴画出图像为横轴画出图像, ,应是图丙中应是图丙中的的_。 2 v 2 【解析】(1)匀变速直线运动中某段时间中间时刻的瞬时速度等于该过 程中的平均速度,由此可以求出B点的速度大小为: AC AC x0.216 80.143 1 m/s t2 0.02 =1.84 m/s VB= (2)他继续根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离h,并以 为纵轴、 以h为横轴画出的图像,根据 v2=gh, 与h的图像是一条倾斜的直线, 所以应是图丙中的C。 答案答案: :(1)C(1)CB B(2)1.84(2)1.84(3)C(3)C 2 v 2 1 2 2 v 2 【例例2】利用气
14、垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置示意图如图所示。 (1)实验步骤: 将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m,将导轨调至水平。 用游标卡尺测出挡光条的宽度l=9.30 mm。 由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s=cm。 将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止时,释放滑块,要求砝码落地 前挡光条已通过光电门2。 从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门 2所用的时间t1和t2。 用天平称出滑块和挡光条的总质量m1,再称出托盘和砝码的总质量m2。 (2)用直接测量出的物理量的字母写出下列物理量的表达式。 滑块通过光电门1和光电门2时,瞬时速度分别为v1=和 v2=。
15、 当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和 砝码)的总动能分别为Ek1=和Ek2=。 在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统重力势能的减少量 Ep=(重力加速度为g)。 (3)如果Ep=,则可认为验证了机械能守恒定律。 解析:(1)距离s=80.30 cm-20.30 cm=60.00 cm。 (2)由于挡光条宽度很小,因此可以将挡光条通过光电门时的平均速度 当成瞬时速度,挡光条的宽度l可用游标卡尺测量,挡光时间t可从数字计 时器上读出。因此,滑块通过光电门1和光电门2 当滑块通过光电门1和光电门2时,系统的总动能分别为 在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统重力势能的减少量 Ep=m2gs。 (3)如果在误差允许的范围内Ep=Ek2-Ek1,则可认为验证了机械能守恒定律。 课堂小结课堂小结 1.实验方法 2.速度测量：中间时刻的瞬时速度与这一段的平均速度大小相等。 3.注意事项（1）实验时，应先接通电源待打点稳定后，再松开纸带 让重物下落。；（2）重物的质量不必测量（3）实验中动能增加量 必定稍小于重力势能减少量(要克服阻力做功)。 （1）利用第一个点为计时起点在实验误差允许范围内验证 （2）任取两点A、B在实验误差允许范围内验证
