資源簡介

中小學(xué)教育資源及組卷應(yīng)用平臺
8.5驗證機械能守恒定律
班級 小組 姓名
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.理解驗證機械能守恒定律原理。
2.知道實驗中選取測量點的有關(guān)要求，會測量下落高度和瞬時速度。
3.能正確進(jìn)行實驗操作，分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，能分析產(chǎn)生誤差的原因。
【重點難點】驗證機械能守恒定律的實驗原理。
一、基礎(chǔ)部分（課內(nèi)組內(nèi)對學(xué)、群學(xué)5分鐘——展示、點評2分鐘）
1.實驗思路：機械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件。
2.實驗原理：自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應(yīng)過程動能的增加量，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。
3.實驗器材：打點計時器、交流電源（電火花計時器220V，電磁打點計時器6V）、紙帶、復(fù)寫紙、重物(帶夾子)、刻度尺、鐵架臺(帶鐵夾)、導(dǎo)線。
4.實驗步驟：
（1）在鐵架臺上安裝好打點計時器，用導(dǎo)線接好打點計時器與交流電源。
（2）將紙帶的一端固定在重錘的夾子上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用豎直提起的紙帶使重錘靠在打點計時器附近。
（3）先接通電源，再釋放紙帶，讓重錘自由下落。
（4）換上新紙帶，重復(fù)實驗幾次，得到幾條打好的紙帶。
（5）選擇點跡清晰，且第一、二兩點間距離接近2mm的紙帶，起始點標(biāo)O，依次確定幾個計數(shù)點1．2．3．…
（6）用刻度尺測量下落高度h1．h2．h3．…，計算各計數(shù)點對應(yīng)的重錘的瞬時速度。
（7）計算各計數(shù)點對應(yīng)的勢能減少量和動能增加量，進(jìn)行比較。
5.注意事項：
（1）打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)，以減少摩擦阻力。
（2）實驗中的兩種驗證方法均不需要測量重物的質(zhì)量m，但重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大 的材料。
（3）應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作，后釋放紙帶。
（4）紙帶選取時以第一個點為起點時，要驗證的是mv＝mghn，必須保證紙帶上的第一個點為重物靜止釋放時打的點，所以前兩個點的間距約為h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝2mm。
（5）某時刻的瞬時速度的計算應(yīng)用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt來計算。
二、要點部分（程序：組內(nèi)對學(xué)、群學(xué)8分鐘—老師分配任務(wù)，小組探究3分鐘—展示、點評12分鐘）
【課堂探究】
（一）參考案例一。
1.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，打點計時器所用電源頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹禐?.80 m/s2，測得所用重物的質(zhì)量為1.0 kg.甲、乙、丙三個學(xué)生分別用同一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第1、2兩點間的距離分別為0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一個學(xué)生在操作上出現(xiàn)了問題，出現(xiàn)的問題是先釋放紙帶后接通電源。若按實驗要求正確地選出紙帶如圖所示(相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.02 s)，那么：
(1)紙帶的左(選填“左”或“右”)端與重物相連．
(2)打點計時器打下計數(shù)點B時，重物的速度vB＝0.98m/s.
(3)從起點O到打下計數(shù)點B的過程中重物重力勢能的減少量ΔEp＝0.49J，此過程中重物動能的增加量ΔEk＝0.48J。
(4)通過計算，數(shù)值上ΔEp>(選填“>”“＝”或“<”)ΔEk，這是因為實驗中存在阻力，重力勢能不能完全轉(zhuǎn)化為動能。
(5)實驗的結(jié)論是在實驗誤差范圍內(nèi)，重物的機械能守恒。
2.如圖所示，打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗證機械能守恒定律。
(1)對于該實驗，下列操作中對減小實驗誤差有利的是AB
A.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘
B.兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正
C.精確測量出重物的質(zhì)量
D.用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撒手釋放重物
(2)某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到50Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，圖中有部分未畫出，如圖所示．紙帶上各點是打點計時器打出的計時點，其中O點為紙帶上打出的第一個點．重物下落高度應(yīng)從紙帶上計時點間的距離直接測出，利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有BC
A.OA、AD和EG的長度
B.OC、BC和CD的長度
C.BD、CF和EG的長度
D.AC、BD和EG的長度
（二）參考案例二
1.實驗裝置如圖所示，氣墊導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來的壓縮空氣從小孔噴出，使得滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣層，兩者不會直接接觸。這樣，滑塊運動時受到的阻力很小，實驗的精確度能大大提高。實驗操作中，把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，重力勢能減小，動能增大。測量滑塊和擋光片的質(zhì)量，用光電門測量滑塊的瞬時速度（根據(jù)遮光條的寬度和遮光時間，可以算出滑塊經(jīng)過時的速度）。測量滑塊下降的高度 Δh 和初、末速度 v1 、v2 ，就可以驗證機械能是否守恒。
2. 為了驗證物體沿光滑斜面下滑的過程中機械能守恒，某學(xué)習(xí)小組用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置（包括導(dǎo)軌、氣源、光電門、滑塊、遮光條、數(shù)字毫秒計）進(jìn)行實驗。此外可使用的實驗器材還有：天平、游標(biāo)卡尺、刻度尺。
（1）某同學(xué)設(shè)計了如下的實驗步驟，其中不必要的步驟是②④
①在導(dǎo)軌上選擇兩個適當(dāng)?shù)奈恢肁、B安裝光電門Ⅰ、Ⅱ，并連接數(shù)字毫秒計；
②用天平測量滑塊和遮光條的總質(zhì)量m；
③用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d；
④通過導(dǎo)軌上的標(biāo)尺測出A、B之間的距離l；
⑤調(diào)整好氣墊導(dǎo)軌的傾斜狀態(tài)；
⑥將滑塊從光電門Ⅰ左側(cè)某處，靜止開始釋放，讀出滑塊通過光電門Ⅰ、Ⅱ的時間Δt1、Δt2；
⑦用刻度尺分別測量A、B點到水平桌面的高度h1、h2；
⑧改變氣墊導(dǎo)軌傾斜程度，重復(fù)步驟⑤⑥⑦，完成多次測量。
（2）用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d時，游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖所示，則5.00mm；某次實驗中，測得，則滑塊通過光電門Ⅰ的瞬時速度0.431m/s（保留3位有效數(shù)字）；
（3）在誤差允許范圍內(nèi)，若（用上述必要的實驗步驟直接測量的物理量符號表示，已知重力加速度為g），則認(rèn)為滑塊下滑過程中機械能守恒；
（4）寫出兩點產(chǎn)生誤差的主要原因：滑塊下滑受到空氣阻力；遮光條不夠窄，測量速度不準(zhǔn)確。
三、拓展部分（程序：課內(nèi)獨立完成拓展部分5分鐘——小組交流4分鐘——展示、點評、總結(jié)6分鐘）
1.★在“驗證機械能守恒定律”實驗中，下圖裝置通過研究重物的落體運動來驗證機械能守恒定律。
（1）為完成此實驗，除了圖中所示器材，還必需的器材是 A 。
A．刻度尺 B．秒表 C．天平
（2）實驗中，下列操作中正確的有 BC 。
A．要用秒表測量時間
B．選用重物時，同樣大小、形狀的重物應(yīng)選重一點的比較好
C．先接通電源，后釋放紙帶
D．可以利用公式來求解瞬時速度
（3）若實驗中所用重物質(zhì)量m=0.2kg，打出的紙帶如圖所示，O點為開始下落時打出的第一個點，打點時間間隔為0.02s，g取10m/s2，則打B點時，重錘動能EkB=0.342J，從開始下落起至B點，
重錘的重力勢能減少量是ΔEp=0.365J（結(jié)果均保留3位有效數(shù)字）
2.★利用氣墊導(dǎo)軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意圖如圖所示．
(1)實驗步驟：
①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平；
② 用游標(biāo)卡尺測量擋光條的寬度為L＝9.30 mm.
③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離s＝60.00cm.
④將滑塊移至光電門1左側(cè)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通過光電門2；
⑤從數(shù)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的時間Δt1和Δt2；
⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)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(dá)式；
①滑塊通過光電門1和光電門2時瞬時速度分別為v1＝, v2＝
②當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1＝，Ek2＝
③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)勢能的減少量ΔEp＝mgs(重力加速度g)。
(3)如果ΔEp＝Ek2-Ek1，則可認(rèn)為驗證了機械能守恒定律。
【學(xué)后反思】
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8.5驗證機械能守恒定律
班級 小組 姓名
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.理解驗證機械能守恒定律原理。
2.知道實驗中選取測量點的有關(guān)要求，會測量下落高度和瞬時速度。
3.能正確進(jìn)行實驗操作，分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，能分析產(chǎn)生誤差的原因。
【重點難點】驗證機械能守恒定律的實驗原理。
一、基礎(chǔ)部分（課內(nèi)組內(nèi)對學(xué)、群學(xué)5分鐘——展示、點評2分鐘）
1.實驗思路：機械能守恒的前提是“只有 或 做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件。
2.實驗原理：自由落體運動物體的 的減少量和相應(yīng)過程 的增加量，若二者 ，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。
3.實驗器材：打點計時器、交流電源（電火花計時器 V，電磁打點計時器 V）、紙帶、復(fù)寫紙、重物(帶夾子)、刻度尺、鐵架臺(帶鐵夾)、導(dǎo)線。
4.實驗步驟：
（1）在鐵架臺上安裝好 ，用導(dǎo)線接好打點計時器與 。
（2）將紙帶的一端固定在重錘的夾子上，另一端穿過打點計時器的 ，用豎直提起的紙帶使重錘靠在 附近。
（3）先 ，再 ，讓重錘自由下落。
（4）換上 ，重復(fù) ，得到幾條打好的紙帶。
（5）選擇點跡清晰，且第一、二兩點間距離接近 的紙帶，起始點標(biāo)O，依次確定幾個計數(shù)點1．2．3．…
（6）用刻度尺測量下落高度h1．h2．h3．…，計算各計數(shù)點對應(yīng)的重錘的瞬時 。
（7）計算各計數(shù)點對應(yīng)的勢能 量和動能 量，進(jìn)行比較。
5.注意事項：
（1）打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一 平面內(nèi)，以減少摩擦阻力。
（2）實驗中的兩種驗證方法均 需要測量重物的質(zhì)量m，但重物應(yīng)選用質(zhì)量 、體積小、密度 的材料。
（3）應(yīng)先 ，讓打點計時器正常工作，后 。
（4）紙帶選取時以第一個點為起點時，要驗證的是mv＝mghn，必須保證紙帶上的第一個點為重物靜止釋放時打的點，所以前兩個點的間距約為h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝2mm。
（5）某時刻的瞬時速度的計算應(yīng)用vn＝ ，不能用vn＝或vn＝gt來計算。
二、要點部分（程序：組內(nèi)對學(xué)、群學(xué)8分鐘—老師分配任務(wù)，小組探究3分鐘—展示、點評12分鐘）
【課堂探究】
（一）參考案例一。
1.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，打點計時器所用電源頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹禐?.80 m/s2，測得所用重物的質(zhì)量為1.0 kg.甲、乙、丙三個學(xué)生分別用同一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第1、2兩點間的距離分別為0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一個學(xué)生在操作上出現(xiàn)了問題，出現(xiàn)的問題是 。若按實驗要求正確地選出紙帶如圖所示(相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.02 s)，那么：
(1)紙帶的 (選填“左”或“右”)端與重物相連．
(2)打點計時器打下計數(shù)點B時，重物的速度vB＝ m/s.
(3)從起點O到打下計數(shù)點B的過程中重物重力勢能的減少量ΔEp＝ J，此過程中重物動能的增加量ΔEk＝ J。
(4)通過計算，數(shù)值上ΔEp (選填“>”“＝”或“<”)ΔEk，這是因為 。
(5)實驗的結(jié)論是 。
2.如圖所示，打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗證機械能守恒定律。
(1)對于該實驗，下列操作中對減小實驗誤差有利的是
A.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘
B.兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正
C.精確測量出重物的質(zhì)量
D.用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撒手釋放重物
(2)某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到50Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，圖中有部分未畫出，如圖所示．紙帶上各點是打點計時器打出的計時點，其中O點為紙帶上打出的第一個點．重物下落高度應(yīng)從紙帶上計時點間的距離直接測出，利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有
A.OA、AD和EG的長度
B.OC、BC和CD的長度
C.BD、CF和EG的長度
D.AC、BD和EG的長度
（二）參考案例二
1.實驗裝置如圖所示，氣墊導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來的壓縮空氣從小孔噴出，使得滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣層，兩者不會直接接觸。這樣，滑塊運動時受到的阻力很小，實驗的精確度能大大提高。實驗操作中，把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，重力勢能減小，動能增大。測量滑塊和擋光片的質(zhì)量，用光電門測量滑塊的瞬時速度（根據(jù)遮光條的寬度和遮光時間，可以算出滑塊經(jīng)過時的速度）。測量滑塊下降的高度 Δh 和初、末速度 v1 、v2 ，就可以驗證機械能是否守恒。
2. 為了驗證物體沿光滑斜面下滑的過程中機械能守恒，某學(xué)習(xí)小組用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置（包括導(dǎo)軌、氣源、光電門、滑塊、遮光條、數(shù)字毫秒計）進(jìn)行實驗。此外可使用的實驗器材還有：天平、游標(biāo)卡尺、刻度尺。
（1）某同學(xué)設(shè)計了如下的實驗步驟，其中不必要的步驟是
①在導(dǎo)軌上選擇兩個適當(dāng)?shù)奈恢肁、B安裝光電門Ⅰ、Ⅱ，并連接數(shù)字毫秒計；
②用天平測量滑塊和遮光條的總質(zhì)量m；
③用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d；
④通過導(dǎo)軌上的標(biāo)尺測出A、B之間的距離l；
⑤調(diào)整好氣墊導(dǎo)軌的傾斜狀態(tài)；
⑥將滑塊從光電門Ⅰ左側(cè)某處，靜止開始釋放，讀出滑塊通過光電門Ⅰ、Ⅱ的時間Δt1、Δt2；
⑦用刻度尺分別測量A、B點到水平桌面的高度h1、h2；
⑧改變氣墊導(dǎo)軌傾斜程度，重復(fù)步驟⑤⑥⑦，完成多次測量。
（2）用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d時，游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖所示，則 ；某次實驗中，測得，則滑塊通過光電門Ⅰ的瞬時速度 （保留3位有效數(shù)字）；
（3）在誤差允許范圍內(nèi)，若 （用上述必要的實驗步驟直接測量的物理量符號表示，已知重力加速度為g），則認(rèn)為滑塊下滑過程中機械能守恒；
（4）寫出兩點產(chǎn)生誤差的主要原因： 。
三、拓展部分（程序：課內(nèi)獨立完成拓展部分5分鐘——小組交流4分鐘——展示、點評、總結(jié)6分鐘）
1.★在“驗證機械能守恒定律”實驗中，下圖裝置通過研究重物的落體運動來驗證機械能守恒定律。
（1）為完成此實驗，除了圖中所示器材，還必需的器材是 。
A．刻度尺 B．秒表 C．天平
（2）實驗中，下列操作中正確的有 。
A．要用秒表測量時間
B．選用重物時，同樣大小、形狀的重物應(yīng)選重一點的比較好
C．先接通電源，后釋放紙帶
D．可以利用公式來求解瞬時速度
（3）若實驗中所用重物質(zhì)量m=0.2kg，打出的紙帶如圖所示，O點為開始下落時打出的第一個點，打點時間間隔為0.02s，g取10m/s2，則打B點時，重錘動能EkB= J，從開始下落起至B點，
重錘的重力勢能減少量是ΔEp= J（結(jié)果均保留3位有效數(shù)字）
2.★利用氣墊導(dǎo)軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意圖如圖所示．
(1)實驗步驟：
①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平；
② 用游標(biāo)卡尺測量擋光條的寬度為L＝9.30 mm.
③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離s＝ cm.
④將滑塊移至光電門1左側(cè)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通過光電門2；
⑤從數(shù)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的時間Δt1和Δt2；
⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)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(dá)式；
①滑塊通過光電門1和光電門2時瞬時速度分別為v1＝ v2＝
②當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1＝ 和Ek2＝
③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)勢能的減少量ΔEp＝ (重力加速度g)。
(3)如果ΔEp＝ ，則可認(rèn)為驗證了機械能守恒定律。
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