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8.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第8章第5節(jié)的內(nèi)容。本課時(shí)內(nèi)容是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)處理。
本課時(shí)是在機(jī)械能守恒定律基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。學(xué)生在掌握機(jī)械能守恒定律需要滿足的條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)處理，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。
機(jī)械能守恒定律在物理學(xué)理論和應(yīng)用方面十分重要，是高中物理的重點(diǎn)內(nèi)容，為今后學(xué)習(xí)動(dòng)量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用。但這種思想和有關(guān)的概念、規(guī)律，由于其抽象性強(qiáng)，學(xué)生要真正的掌握和靈活運(yùn)用還是很困難。
本節(jié)內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律之后，目的是為了使學(xué)生在理論上對(duì)機(jī)械能守恒定律有所了解的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，對(duì)機(jī)械能守恒定律及條件有深刻的認(rèn)識(shí)。
一、學(xué)習(xí)目標(biāo)
1．要弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康模緦?shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是利用重物的自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。
2．要明確實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法與技巧、學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差的分析，深化對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解。
3．通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力。
物理觀念：通過(guò)同學(xué)們的親自操作和實(shí)際觀測(cè)掌握實(shí)驗(yàn)的方法與技巧并構(gòu)建能量觀念。
科學(xué)思維：通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)廈實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力。
科學(xué)探究：通過(guò)對(duì)紙帶的處理過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會(huì)處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測(cè)一些不能直接測(cè)量的物理量的方法。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過(guò)實(shí)驗(yàn)及誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的探知欲
二、評(píng)價(jià)任務(wù)
1．驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理。
2．實(shí)驗(yàn)原理及方法的選擇及掌握實(shí)驗(yàn)誤差分析的方法。
三 學(xué)習(xí)過(guò)程
任務(wù)一、借助自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
實(shí)驗(yàn)原理和器材：
（1）選擇開始的兩點(diǎn)間距接近2 mm的一條紙帶，打的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghn＝mvn2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．
（2）. 數(shù)據(jù)處理
(1)選紙帶 ①以第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是 mv＝mghn，必須保證紙帶上開始的兩點(diǎn)間距接近2 mm.
②以下落中某點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是 mv－mv＝mghmn，這時(shí)選擇紙帶不需要滿足開始的兩點(diǎn)間距為2 mm.
(2)測(cè)距離 測(cè)量下落高度時(shí)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，后邊的點(diǎn)應(yīng)距起點(diǎn)O較遠(yuǎn)，在測(cè)量各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離時(shí)，應(yīng)當(dāng)用刻度尺從 O 點(diǎn)量起，一次性讀出各點(diǎn)到 O 點(diǎn)的距離．
(3)記數(shù)據(jù) ①計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：記下第1個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上從離O點(diǎn)適當(dāng)距離開始選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3…并測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h1、h2、h3…，再根據(jù)公式vn＝，計(jì)算出1、2、3、4、…n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、v4、…vn.
思考：計(jì)算速度時(shí)能不能用v＝gt或v＝？為什么？
②請(qǐng)將相關(guān)數(shù)據(jù)填入下表．
計(jì)數(shù)點(diǎn)n 1 2 3 4 5 6
h/10－2 m
x/10－2 m
v＝
ΔEk＝mv2
ΔEp＝mgh
①機(jī)械能守恒驗(yàn)證一般有哪些方法？
②你的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是_____________________________________________．
（3）通過(guò)圖像：若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，圖線是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．
實(shí)驗(yàn)誤差分析：
本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是紙帶測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差．
3、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：
(1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，要使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．
(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物．
(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落．
(4)本實(shí)驗(yàn)中的幾種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m.
(5)速度不能用v＝gt或v＝計(jì)算，應(yīng)根據(jù)紙帶上測(cè)得的數(shù)據(jù)，用vn＝計(jì)算瞬時(shí)速度．
【例1】 某同學(xué)利用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”．
(1)請(qǐng)指出該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作中存在的兩處錯(cuò)誤：_________________________________
___________________________________
(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(tái)(含鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的器材是________
A.刻度尺　　　B. 天平(含砝碼)
(3)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹禐?.80 m/s2，測(cè)得所用重物的質(zhì)量為1.0 kg，從起點(diǎn)O到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的過(guò)程中重物重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝________J，此過(guò)程中重物動(dòng)能的增加量ΔEk＝________J。
ΔEp________(選填“＞”“＝”或“＜”)ΔEk，這是因?yàn)開_____________________。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是_____________________________________________。
若實(shí)驗(yàn)中所用電源的頻率f<50 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)受到什么影響？________。
（4）根據(jù)以下方法研究機(jī)械能是否守恒：在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h，計(jì)算對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度v，描繪v2－h(huán)圖像，并做如下判斷：若圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，則重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒.請(qǐng)你分析論證該同學(xué)的判斷依據(jù)是否正確.
任務(wù)二、研究沿斜面下滑物體的運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
（一）實(shí)驗(yàn)器材
氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、滑塊
研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能的實(shí)驗(yàn)裝置
思考討論1：為什么利用氣墊導(dǎo)軌可以提高實(shí)驗(yàn)的精確度？
參考答案：因?yàn)闅鈮|導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來(lái)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(huì)直接接觸。這樣，滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力很小，實(shí)驗(yàn)的精確度能大大提高。
思考討論2：你知道數(shù)字計(jì)時(shí)器是如何計(jì)時(shí)的嗎？
參考答案：計(jì)時(shí)系統(tǒng)的工作要借助于光源和光敏管（統(tǒng)稱光電門）。光源與光敏管相對(duì)，它射出的光使光敏管感光。
當(dāng)滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)，其上的遮光條把光遮住，與光敏管相連的電子電路自動(dòng)記錄遮光時(shí)間，通過(guò)數(shù)碼屏顯示出來(lái)。根據(jù)遮光條的寬度和遮光時(shí)間，可以算出滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)的速度。因?yàn)檫@樣的計(jì)時(shí)系統(tǒng)可以測(cè)出 0.001 s 的時(shí)間，并且能直接以數(shù)字顯示，所以又叫數(shù)字毫秒計(jì)。
（二）實(shí)驗(yàn)步驟：
1.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(shí)，重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大。
2. 用光電門測(cè)量滑塊的瞬時(shí)速度。測(cè)量滑塊下降的高度 Δh 和初、末速度 v1 、v2
3.如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。
課堂練習(xí)
1. 小明用如圖所示裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)．已知遮光條的寬度為d，鉤碼質(zhì)量為m，帶遮光條的滑塊總質(zhì)量為M，重力加速度為g.
(1)該實(shí)驗(yàn)中M________(選填“必須”或“無(wú)須”)遠(yuǎn)大于m.
(2)打開氣泵，待氣流穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，直至看到導(dǎo)軌上的滑塊能在短時(shí)間內(nèi)保持靜止，其目的是_______________________________________________
_________________________．
(3)將滑塊移至圖示位置，測(cè)出遮光條到光電門的距離L，然后開啟氣泵，由靜止釋放滑塊，讀出遮光條通過(guò)光電門的擋光時(shí)間t，則滑塊從靜止釋放運(yùn)動(dòng)到光電門的過(guò)程中，若滿足關(guān)系式________________(用題中給出的字母表示)，則系統(tǒng)機(jī)械能守恒．
(4)若氣墊導(dǎo)軌左端的滑輪調(diào)節(jié)過(guò)高，使得拉動(dòng)滑塊的繩子與氣墊軌道之間存在夾角，不考慮其他影響，滑塊仍在導(dǎo)軌平面滑行，則滑塊由靜止釋放運(yùn)動(dòng)到光電門的過(guò)程中，系統(tǒng)動(dòng)能增加量的測(cè)量值________(選填“大于”“小于”或“等于”)真實(shí)值．
2. 某位同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，下列操作步驟中錯(cuò)誤的是(　　)
A. 把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線連接到低壓交流電源上
B. 將連有重物的紙帶穿過(guò)限位孔，將紙帶和重物提升到一定高度
C. 更換紙帶,重復(fù)實(shí)驗(yàn),根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)
D.先釋放紙帶，再接通電源
【檢測(cè)與作業(yè)】
1．用如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖給出的是實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示。已知m1＝50 g，m2＝150 g，則：(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
(1)從紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v＝________m/s。
(2)從打下第“0”點(diǎn)到打下第“5”點(diǎn)的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增加量ΔEk＝________J，系統(tǒng)勢(shì)能的減少量ΔEp＝________J。(當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取10 m/s2.)
(3)若某同學(xué)作出v2 h圖像如圖所示，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝________m/s2.
2. 小華利用傾斜氣墊導(dǎo)軌做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示．其主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：
①用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光條的寬度l；
②讀出導(dǎo)軌標(biāo)尺的總長(zhǎng)L0，并用直尺測(cè)出導(dǎo)軌標(biāo)尺兩端在豎直方向的高度差H0；
③讀出滑塊釋放處擋光條與光電門中心之間的距離s；
④由靜止釋放滑塊，從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖甲中未畫出)上讀出擋光條通過(guò)光電門的時(shí)間為t.
(1)本實(shí)驗(yàn)________(選填“有”或“沒有”)必要用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量．
(2)由實(shí)驗(yàn)步驟②可知?dú)鈮|導(dǎo)軌與水平面間夾角的正弦值為________．
(3)多次改變光電門位置，即改變距離s，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，作出 隨s的變化圖像，如圖乙所示，當(dāng)已知量t0、s0、l、L0、H0和當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭滿足表達(dá)式 ________時(shí)，可判斷滑塊下滑過(guò)程中機(jī)械能守恒．
【學(xué)后反思】
1、自主設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，梳理本節(jié)課學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容，學(xué)會(huì)、分析、判斷機(jī)械能守恒。
2、梳理本節(jié)課的物理思想和方法。
3、總結(jié)在學(xué)習(xí)中需要求助的困惑與分享自己如何學(xué)會(huì)的經(jīng)驗(yàn)。

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