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第五節 實驗：驗證機械能守恒定律
第八章 機械能守恒定律
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
素養目標
1.理解驗證機械能守恒定律的原理。會設計實驗方案，確定需要測量的物理量，采用正確的方法測量相關的物理量
2.能夠控制實驗條件，正確進行實驗操作，獲取物體下落高度和速度大小等數據，會分析動能增加量小于重力勢能減少量的原因，并采取相應措施，以減小實驗誤差
3.樹立實事求是的科學態度，培養認真嚴謹的科學精神
溫故知新
在只有重力或彈力做功的物體系統內，物體的動能和勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變。
內容：
表達式：
適用條件：
只有重力做功或彈力做功
機械能守恒定律
機械能守恒的條件是什么？它有哪些表達形式？
1.條件：僅有重力或彈力做功。
2.表達式：
（1）守恒的角度：E1 = E2
（2）轉化的角度： ΔEk增= ΔEP減
（3）轉移的角度： ΔEA增=ΔEB減
思考
本節課我們通過自由落體運動和物體沿光滑斜面下滑運動來驗證機械能守恒定律。
新課講解
實驗思路
機械能守恒定律告訴我們，在只有重力或彈力做功的系統內，動能與勢能相互轉化時總的機械能保持不變。如果我們通過實驗來研究物體運動過程中動能與重力勢能的變化，從而驗證機械能守恒定律，那么需要怎樣的實驗過程才能滿足？
1、沿固定光滑斜面下滑的滑塊機械能守恒嗎？
G
F
θ
沿固定光滑斜面下滑的滑塊機械能守恒
用細線懸掛的小球擺動時，細線的拉力與小球的運動方向垂直，對物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個過程中只有重力做功，也滿足機械能守恒的條件
小球來回擺動時，忽略空氣阻力機械能守恒
利用自由落體運動驗證機械能守恒定律
v1
h1
h2
A
B
v2
質量為m的物體從O點自由下落，以地面為零勢能面，如果忽略空氣阻力，下落過程中任意兩點A和B的機械能守恒，即
也可以計算重物在某兩點間動能的增加量是否等于重力勢能的減少量
為了方便起見，可以直接從下落的初始位置O點來進行研究，此時初動能為0，則從起始點到下落過程中任意一點有：
v
h
O
A
任意一點的瞬時速度v，該點到初始點的高度差h。
思考：
1.需要測量哪些物理量？
質量m呢？
不需要
2.需要用到哪些實驗儀器來測量下落高度以及任意一點的瞬時速度？
實驗器材：
打點計時器、
紙帶、
刻度尺、
重物、
鐵架臺（帶鐵夾）、
交流電源等。
夾子
打點計時器
紙帶
重物
？
鐵架臺
方案一：用打點計時器記錄重物自由下落的運動過程
（1）物體的質量可以用天平測出。
（2）紙帶上某兩點的距離等于物體下落的高度差
Δh，得到物體下落過程中重力勢能的變化。
（3）物體的瞬時速度可以從紙帶測出，從而得到
它在各點的動能。比較重物在某兩點間動能的變化
與重力勢能的變化，就能驗證機械能是否守恒。
紙帶
夾子
重物
實驗步驟
1．按圖安裝實驗器材，電源接學生電源，并將輸出電壓調至4~6V交流。接通電源前，用手提升紙帶至重錘靠近打點計時器處。
2．先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落。關閉電源，取下紙帶備用。
3．重復步驟2兩次，打出3條紙帶。
4．取點跡清晰，且第一、二點距離接近2mm的紙帶進行測量。先將第一點記為O點，然后在紙帶上任取5個連續的點。
1、選擇重物時有何要求，為什么？
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較小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小。
2、安裝打點計時器時，應注意什么問題，釋放紙帶時有什么要求？這樣做的目的是什么
打點計時器要穩定固定在鐵架臺上，同時伸出桌外，以保證重物有足夠的下落空間。打點計時器平面與紙帶限位孔調整在豎直方向，同時需保持紙帶豎直，以減小摩擦阻力，先接通電源，再釋放紙帶。
（5）A、B、C 是記錄做勻加速直線運動物體的紙帶上相鄰的三個點。根據學過的勻變速直線運動的規律可知，物體某段時間中間時刻的瞬時速度等于這段時間內的平均速度。
· · · · · ·
A B C
△t
△t
△x
沿斜面下滑物體的機械能
方案二 研究沿氣墊導軌下滑物體的機械能
我們利用氣墊導軌和數字計時器記錄物體沿光滑斜面下滑的運動過程。
利用氣墊導軌的優點：氣墊導軌上有很多小孔，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。
瞬時速度的測定：計時系統的工作要
借助于光源和光敏管（統稱光電門）。
光源與光敏管相對，它射出的光使光敏
管感光。當滑塊經過時，其上的遮光條
把光遮住，與光敏管相連的電子電路自
動記錄遮光時間，通過數碼屏顯示出來。根據遮光條的寬度d和遮光時間t，可以算出滑塊經過時的速度。
遮光條
光電門
實驗裝置如圖所示。實驗操作中，把氣墊導軌調成傾斜狀態，滑塊沿傾斜的氣墊導軌下滑時，重力勢能減小，動能增大。測量滑塊和擋光片的質量，用光電門測量滑塊的瞬時速度。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。
不同小組采用不同方案進行實驗，分別得出數據。
測量點n 1 2 3 4 5 6
高度hn/m
速度vn/m/s
勢能EP/J
動能EK/J
分析論證：
（1）用打點計時器記錄重物自由下落的運動過程實驗中，你可以得到什么結論？
（2）研究沿斜面下滑物體的機械能實驗中，你可以得到什么結論？
結論：在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能與勢能可以互相轉化，而總的機械能保持不變。
經典例題
1.做“驗證機械能守恒定律”的實驗，已有鐵架臺、鐵夾、電源、紙帶、打點計時器，還必須選取的器材是圖中的( )
A.a和c B.a和d C.b和c D.b和d
D
1.答案：D
解析：實驗中需要驗證重錘重力勢能的減小量和動能的增加量是否相等，所以需要重錘，且能夠夾住紙帶，b為重錘，a為砝碼，應選擇b，不需要a；打點計時器可以直接記錄時間，不需要秒表；實驗中需要刻度尺測量點跡間的距離，從而求解瞬時速度和下降的高度。故實驗還需要重錘b和刻度尺d，D正確，ABC錯誤。
故選D。
經典例題
2.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列說法正確的是( )
A.必須要用天平稱出重錘的質量
B.實驗時，當松開紙帶讓重錘下落的同時，立即接通電源
C.開始時用手提著紙帶比用夾子夾著紙帶效果更好
D.實驗結果應該是動能的增加量略小于重力勢能的減小量
D
經典例題
2.答案：D
解析：根據實驗原理 知，物體的質量約掉了，因此不需要測量重錘的質量，則A項錯誤;為了保證紙帶記錄重錘的運動是從靜止開始的，則應該先接通電源，讓打點計時器工作起來，再釋放重錘，B項錯誤;手提著紙帶時，可能會使重錘下落出現一個初速度，用夾子夾紙帶，在松開夾子時，重錘的初速度為零，效果更好，C項錯誤;因為這個過程中阻力做負功，則重力勢能部分轉化為動能，則重力勢能的減少量略大于重錘動能的增加量，D項正確。
3.在用“落體法”做“驗證機械能守恒定律”的實驗時，為減小阻力對實驗的影響，下列操作可行的是( )
A.選用體積大的重錘
B.安裝打點計時器時兩限位孔在同一水平面上
C.釋放紙帶前，手應提紙帶上端并使紙帶豎直
D.重錘下落過程中，手始終提住紙帶上端，保持紙帶豎直
經典例題
C
經典例題
3.答案：C
解析：為減小阻力對實驗的影響，應選用體積小，密度大的重錘；安裝打點計時器時兩限位孔在同一豎直線上；釋放紙帶前，手應提紙帶上端并使紙帶豎直，重錘下落過程中，手不能提住紙帶上端，應讓紙帶隨著重錘自由下落。
故選C。
經典例題
4.如圖所示為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖。關于本實驗，下列做法正確的是( )
A.實驗時，先放開紙帶，再接通打點計時器的電源
B.釋放紙帶時，重錘應離打點計時器遠一些
C.重復多次實驗時，重物必須從同一位置開始下落
D.處理數據時，應選擇紙帶上距離較遠的兩點作為初、末位置
D
經典例題
4.答案：D
解析：A.為了避免紙帶上出現大量的空白段落，同時使打第一個點跡時速度為0，實驗時，先接通打點計時器的電源打點，再放開紙帶，故A錯誤；B.為了避免紙帶上出現大量的空白段落，釋放紙帶時，重錘應離打點計時器近一些，故B錯誤;C.結合上述可知，重復多次實驗時，重物釋放位置需要適當靠近打點計時器，但并不需要使重物從同一位置開始下落，故C錯誤；D.為了減小誤差，處理數據時，應選擇紙帶上距離較遠的兩點作為初、末位置，故D正確。故選D。
經典例題
5.某小組利用圖示裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗，小球釋放后，通過光電門1和2，實驗中不是必須測量的物理量是( )
A.小球的質量
B.小球的直徑
C.兩光電門間的距離
D.小球分別通過兩光電門的時間
A
物體在擺動過程中的重力勢能和動能可以互相
轉化，但總的機械能守恒。設物體自高為h處釋放，
擺至最低點時的速度為v 。利用光電門測出物體在
最低點的速度，即可驗證機械能是否守恒。在圖示
的擺球運動過程中的最低點處固定一光電門，仔細調整光電門的高低位置，使得擺球通過光電門時恰好擺球中心水平直徑擋光。
單擺驗證機械能守恒定律
拓展
即擋光長度為擺球d，在數字計時器上讀出擋光時間t，可計算出擺球通過光電門時的速度為，求出動能Ek ；測出擺球釋放點距擺球運動過程中最低點的垂直距h，以最低點為參考平面，分別計算兩側最高點的重力勢能Ep ，比較Ek 和Ep 是否相等，驗證機械能守恒。
單擺驗證機械能守恒定律
實驗：驗證機械能守恒定律
創設情景
提出問題
制訂方案設計實驗
分組實驗采集數據
分析論證得出結論
應用規律反思改進
驗證機械能守恒定律，需要測量哪些物理量
用什么樣的裝置來進行自由落體運動
用打點計時器記錄重物自由下落的運動過程
研究沿斜面下滑物體的機械能
記錄物體運動的高度、速度
計算重力勢能的減少量和動能的增加量
在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能與勢能可以互相轉化，而總的機械能保持不變
應用規律解決問題
如何減小誤差
1.小華同學利用如圖所示的裝置“驗證機械能守恒定律”。
下列說法正確的是( )
A.打點計時器工作時使用直流電源
B.實驗中必須用天平測出重物的質量
C.實驗中所測重物動能的增加量通常比其重力勢能的減少量稍小
D.實驗中求重物在某點的速度可以根據 或 求解
C
答案：C
解析：A.電火花打點計時器工作電壓為交流220V，電磁打點計時器工作電壓約為交流8V，都是使用交流電，故A錯誤；
B.根據機械能守恒定律有 即驗證 即可，故不用測量重物的質量，故B錯誤；
C.重物帶動紙帶下落過程中，除了受到重力還受到阻力，從能量轉化的角度，由于阻力對重物做功，重物減少的重力勢能部分轉化為重物與空氣摩擦產生的內能，因此實驗中所測重物動能的增加量通常比其重力勢能的減少量稍小，故C正確；
D.因為實驗中求重物在某點的速度和對應的重物下落的高度都是由紙帶上打點的數據而得，而 或 是根據機械能守恒定律直接或間接推導得到的，而實驗的目的是驗證機械能守恒定律，故不能據 或 求某點的速度，故D錯誤。
2.利用如圖所示的實驗器材，不能完成的實驗是( )
A.驗證牛頓第二定律 B.研究自由落體運動規律
C.驗證機械能守恒定律 D.測量重力加速度的大小
A
3.某同學利用利用重錘和打點計時器做“驗證機械能守恒定律”實驗，請回答下列問題。如圖，釋放紙帶前的瞬間，重錘和手的位置合理的是( )
A. B. C. D.
C
4.某同學用如圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。
(1)關于該實驗，下列說法正確的是__________。
A.打點計時器應使用直流電源
B.打點計時器的兩個限位孔應保持在豎直方向
C.實驗時應先接通打點計時器電源，再釋放重物
D.該實驗中需要用秒表測量重物下落的時間
BC
4.某同學用如圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。
0.41
0.39

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