資源簡介

8.5實驗：驗證機械能守恒定律的教案
【教學目標】
1．理解實驗的設計思路，明確實驗中需要測量的物理量。
2．知道實驗中選取測量點的有關要求，會根據實驗中打出的紙帶測定物體下落的距離，掌握測量物體運動的瞬時速度的方法。
3．能正確進行實驗操作，能夠根據實驗數據的分析中得出實驗結論。
4．能定性地分析產生實驗誤差的原因，并會采取相應的措施減小實驗誤差。
【教學重難點】
教學重點：1. 理解用落體法驗證機械能守恒定律；
2. 理解用光滑斜面法驗證機械能守恒定律。
教學難點：1. 學會用平均速度法求解瞬時速度；
2. 學會用圖像法處理實驗數據并運用所學知識處理實驗誤差。
【新課導入】
上節課我們學習了機械能守恒定律，掌握了機械能守恒定律的條件和公式。
思考：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：△Ek增= △Ep減
（3）轉移的角度：△EA增：=△EB減
思考：我們熟知的運動中，哪些運動滿足僅有重力做功？
這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一下機械能守恒定律。
【新課講解】
實驗思路
實驗原理
物體做自由落體運動，只有重力做功，物體的重力勢能與動能相互轉化，但總的機械能不變。若物體的某一時刻的瞬時速度是v，下落高度是h,則有mgh = mv2/2
本實驗需要的器材
（1） 電火花計時器（2） 學生電源 （3） 紙帶（4）鐵架臺（帶鐵夾）（5）重物（6）刻度尺
簡述實驗步驟
（1）、將打點計時器固定在鐵架臺上，把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔。
（2）、用手提著紙帶使重物停靠在打點計時器附近。然后先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落。
（3）、更換紙帶，重復幾次。
（4）、選擇合適的紙帶，處理數據。
（5）設計表格記錄實驗數據，實驗操作完成后，進行數據處理，計算gh 和 v2/2，判斷是否在實驗的誤差允許范圍內是否近似相等，
給出實驗結論。
實驗創新與改進
課本上這個實驗，步驟簡單、方便，但紙帶與打點計時器的限位孔之間、紙帶與振針之間存在摩擦，有沒有改進方法？
氣墊導軌和光電門驗證機械能守恒定律
物理量的測量
實驗步驟
（1）儀器安裝:按圖示裝置豎直架穩打點計時器，并用導線將打點計時器接在電源上。
（2）打紙帶:將長約1m的紙帶用小夾子固定在重物上后穿過打點計時器，用手提著紙帶，使重錘靜止在靠近打點計時器的地方。接通電源，松開紙帶，讓重錘自由下落，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點。
（3）換幾條紙帶，重復上面的實驗。
2、數據處理
（1）求瞬時速度
在取下的紙帶中挑選第1、2兩點間距離接近2mm且點跡清晰的紙帶進行測量。記下第1個點的位置O，在紙帶上從離O點適當距離開始選取幾個計數點0、1、2、3、…、n+1并測量出各計數點到O點的距離h0、h1、h2、h3、…、hn+1，再根據公式，計算出1、2、3、…、n點的瞬時速度v1、v2、v3、…、vn。
（2）機械能守恒驗證
方法一：利用起始點和第n點
從起始點到第n個計數點，重力勢能減少量為mghn，動能增加量為mv，如果在實驗誤差允許的范圍內mv＝mghn，即v＝ghn成立，則機械能守恒定律得到驗證。
方法二:任取兩點
①任取兩點A,B，測出hAB，求出ghAB。
②分別求出A、B兩點的瞬時速度vA、vB，求出mv－mv的值。
③如果在實驗誤差允許的范圍內v－v＝ghAB，就證明機械能是守恒的。
方法三：圖像法
計算各計數點的v2，以v2為縱軸，以各計數點到第一個點的距離h為橫軸，根據實驗數據繪出v2 h圖線。若在實驗誤差允許的范圍內，圖像是一條過原點且斜率為g的直線，如圖所示，則驗證了機械能守恒定律。
（3）誤差分析
①本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力做功，故動能的增加量ΔEk稍小于重力勢能的減少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp，這屬于系統誤差。改進的辦法是調整器材的安裝和選用質量和密度較大的重物，盡可能地減小阻力的影響。
②本實驗的偶然誤差主要來源于長度的測量。減小誤差的辦法是測下落距離時都從O點量起，一次將各計數點對應的下落高度測量完，或者多次測量取平均值。
用氣墊導軌驗證沿斜面下滑物體的機械能守恒
1、實驗步驟
（1）器材安裝: 按圖示安裝器材，調節氣墊導軌至傾斜狀態，測出兩光電門所在位置的高度差Δh。
（2）實驗測速：連通進氣裝置，使氣墊導軌開始工作，從靜止釋放滑塊，分別側出滑塊經過兩個光電門的遮光時間Δt1、Δt2。
（3）重復實驗：從不同的位置釋放滑塊，分別測出遮光時間。
2、數據處理
（1）速度的測量：用游標卡尺測出滑塊上遮光片的寬度d，讀出遮光條通過光電門的遮光時間，則滑片通過光電門的速度。
（2）驗證關系式
方式1（兩個光電門）：分別測出滑塊經過兩個光電門的速度和，用刻度尺測出兩光電門的高度差Δh，驗證在誤差范圍內是否滿足。
方式2（一個光電門）：讓滑塊從光電門上方某一位置由靜止釋放，測出該點到光電門的高度差△h和滑塊經過光電門的速度，驗證在誤差范圍內成立。
（一）數據分析
數據分析
【教師引導】根據選定的實驗方案設計相應的表格記錄實驗數據。計算物體在選定位置上動能與勢能的和是否滿足mv＋mgh2＝mv＋mgh1
也可以計算重物在某兩點間的動能變化和勢能變化是否滿足mv-mv＝mgh1-mgh2
本實驗我們提供物體做自由落體運動及沿光滑斜面下滑這兩種方案。
【教師補充】用落體法驗證機械能守恒定律
【板書】
8.5 實驗：驗證機械能守恒定律
一、實驗思路
二、物理量的測量
三、數據分析

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