易程教育资源网免费人民教育版物理必修二：7.9-实验：验证机械能守恒定律学案重点分析教学反思设计案例教案教学稿课堂探究探索1实验笔记1、先通电打点，然后松开纸带。2、选取纸带：（1）选取开始段时，需要验证的是=mghn，要保证纸带上第一个点就是静止时松开重物时打点的点，所以前两点距离为h=12gt2=12×10×（0.02）2m=2mm。（2）选取运动中的段时，需要验证的是-=mghmn，纸带的选取不需要满足前两点距离为2mm。 3.计算速度时不能用v=gt或v=2gh，否则就会犯用机械能守恒定律来验证机械能守恒定律的错误。 4.测下落高度时，为减少实验误差，以下各点应远离起点O，测各点到O点的距离时，应用尺从O点开始测量，一次读出各点到O点的距离。 探索2 数据处理 1.计算瞬时速度。利用公式vn=hn+1-hn-12T可计算出重物下落高度h1，h2，h3…所对应的瞬时速度v1，v2，v3…。 2.守恒定律验证方法1：利用起点。利用起点和第n点计算。代入ghn与12v2n。 若在实验误差允许的范围内，ghn=12v2n，则机械能守恒定律得到验证。方法二：取任意两点。
（1）取A、B两点，测得hAB，求出ghAB。 （2）求A、B点的瞬时速度，求出12v2B-12v2A的值。 （3）若ghAB=12v2B-12v2A在实验误差允许范围内，则验证了机械能守恒定律。 方法三：图表法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度v2的平方，然后以12v2为纵轴，h为横轴，根据实验数据画出12v2-h图表。若图表是在误差允许范围内，且斜率为g的过原点的直线，则验证了机械能守恒定律。 探索3 误差分析 1、测长度会带来偶然误差。减少偶然误差的方法： （1）距离测算应从O点开始； (2)取多次测量的平均值； (3)所选计数点应尽量远离O点，以减少相对误差。 2.重物在拖动纸带下落时必然会遇到阻力，主要是点计与纸带之间的摩擦力和空气的阻力。克服这些阻力做功要消耗能量，所以重物动能的增加量ΔEk一定小于重力势能的减少量ΔEp为了测定气垫导轨上滑块的加速度，这是实验设计造成的系统误差。 3.该误差是由于点计的周期性变化引起的。 【例一】（理解实验原理及过程）在验证机械能守恒定律的实验中，有同学按照如下步骤进行实验操作：A.用天平称出重物与夹子的质量。B.固定好点计，将连接在重物上的纸带穿过限位孔，用手握住，手尽量靠近点计。
C.松开纸带，接通电源，开始打点。重复此过程数次，可得到数条打点的纸带。 D.取下纸带，选一条点迹清晰的纸带，记下起点O，在靠近O点处选取若干个连续的计数点（或计时点），计算各点的速度。 E.测量各点到O点的距离，即为落锤的高度。 F.计算mghn和，看二者是否相等。 以上步骤中，不必要的步骤为（填入代表字母）；错误或不恰当的步骤为（填入代表字母）；纠正的为①、②、③、④。 提示：对于物理实验，掌握实验原理与操作方法是最基本的要求，只有掌握了实验原理，才能判断哪些实验步骤是错误的，哪些是必要的；只有认真做，才能正确地按顺序安排实验步骤。 分析：本实验的目的是为了验证机械能守恒定律，也就是比较重物在下落过程中重力势能的减少量ΔEp与动能的增加量ΔEk是否相等。如果操作不当或错误，重物和纸带的阻力都会增大，导致机械能损失过多，达不到实验目的。为了保证实验成功，减少机械能的损失，实验操作时应注意注意事项。因此本题可以按照实验注意事项，围绕减少误差来考虑。因为本实验是通过比较重力势能的减少量ΔEp是否等于动能的增加量ΔEk来验证机械能守恒的，不需要知道动能的具体值，因此不需要测量重物和夹子的质量，所以步骤A是多余的。
错误或不恰当的步骤有B、C、D、F，原因及改正方法是：B中的“让手尽量靠近”应改为“让重物尽量靠近打点定时器”，因为打点定时器要从靠近重物的纸带开始打点，以免留下太长的空白纸带。纸带不宜太长，大约40cm就可以了。C中应先通电再放纸带，因为只有当打点定时器正常工作时，才能让重物下落，这样打出第一个点时重物的初速度为零，纸带上的第一个点才是清晰的小点。D中应将“靠近O点”改为“远离O点”，因为取的计时点要尽量真实，打点定时器通电开始工作后，可能不能很快达到稳定状态。 同时前几个点比较密集，会增加长度测量的误差。F应改为“ghn与12v2n”，因为本实验验证的目的是比较重力势能mghn的减少量与重物动能的增加量。对同一研究对象（重物），质量一定，所以只要比较ghn与12v2n即可达到目的。 答：见题后的分析与反思。做一个实验，必须了解它的目的、原理、设备和思路，才能很好地掌握它的过程（步骤）。没必要死记硬背。 【例2】（实验数据的处理）在“验证机械能守恒定律”实验中，计时计时器使用的电源频率为50Hz，当地重力加速度的值为9.80m/s2，测得所用重物的质量为1.0kg。
同学A、B、C利用同一装置打孔冲出三条纸条，每条纸条上第一点与第二点的距离分别为0.18cm、0.18cm、0.25cm。可见其中一位同学一定操作有问题留学之路，问题是____。若按照实验要求正确选择纸条如图所示（相邻计数点的时间间隔为0.02s），则： （1）纸条一端连接重物（填“左”或“右”）； （2）当打点计时器打到计数点B时，重物的速度vB=； （3）重物从起点O到计数点B重力势能的减少量为ΔEp=，此过程中重物动能的增加量为ΔEk=； （4）经计算，所得数值为ΔΔEk（填入“＞” “＝”或“＜”），这是因为。 （5）实验的结论是。
分析：如果重物做自由落体运动，第一点与第二点之间的距离应该接近0.2cm。但C同学的纸带上第一点与第二点之间的距离远大于这个数值，也就是说重物在碰到第一点的时候已经有速度了。所以C同学操作时遇到的问题是，他先松开纸带，再接通电源。 （1）纸带左端相邻两点之间的距离较小，所以纸带左端与重物相连。 （2）B点对应的速度为vB=xAC2T=0.98m/s （3）ΔEp=mghOB=0.49J为了测定气垫导轨上滑块的加速度，ΔEk=0.48J （4）ΔEp>ΔEk，实验中有阻力，重物重力势能不能完全转化为动能。 （5）在实验误差允许的范围内，重物机械能守恒。 答：先松开纸带，再通电源 （1）左边 （2）0.98m/s （3）0.49J 0.48J （4）>实验中存在阻力，重物重力势能不能完全转化为动能 （5）在允许的误差范围内，重物机械能守恒 题后反思 回答此题时，一定不能认为因为机械能守恒，所以动能的增加就直接等于重力势能的减少。因为这道题是需要通过实验来验证机械能守恒定律，所以是否守恒必须通过计算实验数据来说明。 【例三】（创新实验设计）某实验小组利用如图所示的实验装置，验证钩码与滑块组成的系统机械能守恒。 实验前需调整气垫导轨底座，使其水平，用游标卡尺测量遮光条的宽度为d。实验时，将滑块从静止状态松开至图示位置，数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt。
(1)实验前需要调整气垫导轨底座，使其处于水平状态，如何利用现有的设备判断导轨是否水平？ (2)本次实验需要测量的物理量有：挂钩的质量m，和（用文字描述并用相应字母表达）。 (3)本实验通过在实验误差允许的范围内（用所测物理量的符号表达）比较和相等来验证系统机械能守恒。 (4)你估计减少的重力势能和增加的动能哪个更小？你认为造成这种偏差的原因可能是什么？ 分析： (1)打开气源，将滑块放置在气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的（或轻轻推动滑块，滑块能做匀速直线运动）。 （2）本次实验中，钩子所减少的机械能要转化为钩子和滑块的动能，因此需要测量滑块的质量M和钩子下落的高度，也就是滑块上遮光条初始位置到光电门的距离x。（3）此过程中钩子重物所减少的重力势能为mgx，滑块运动到光电门时的速度为v=dΔt。钩子重物和滑块所增加的动能为12(m+M)dΔt2。在实验误差允许的范围内，只要算出mgx等于12(m+M)dΔt2，就验证了系统机械能守恒。（4）运动过程中有摩擦力，定滑轮也有质量。 所以，钩重物减少的重力势能一方面转化为系统（包括定滑轮）的动能，另一方面又要克服摩擦力做功，所以系统增加的动能较小。 答：参见分析题后的思考。 本题为验证性实验题，要求根据物理定律选取所要测量的物理量，用实验方法确定如何减少实验误差。 掌握各种实验方法是解题的关键。 益成教育资源网
