第五節(jié)

實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律第八章機(jī)械能守恒定律

目錄素養(yǎng)目標(biāo)01課程導(dǎo)入02新課講解03總結(jié)歸納04課堂練習(xí)05素養(yǎng)目標(biāo)1.理解驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理。會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確定需要測(cè)量的物理量，采用正確的方法測(cè)量相關(guān)的物理量2.能夠控制實(shí)驗(yàn)條件，正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，獲取物體下落高度和速度大小等數(shù)據(jù)，會(huì)分析動(dòng)能增加量小于重力勢(shì)能減少量的原因，并采取相應(yīng)措施，以減小實(shí)驗(yàn)誤差3.樹(shù)立實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神溫故知新

在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體的動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。內(nèi)容：表達(dá)式：適用條件：只有重力做功或彈力做功機(jī)械能守恒定律機(jī)械能守恒的條件是什么？它有哪些表達(dá)形式？1.條件：僅有重力或彈力做功。2.表達(dá)式：（1）守恒的角度：E1

=

E2（2）轉(zhuǎn)化的角度：ΔEk增=ΔEP減（3）轉(zhuǎn)移的角度：ΔEA增=ΔEB減思考本節(jié)課我們通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)和物體沿光滑斜面下滑運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。新課講解實(shí)驗(yàn)思路機(jī)械能守恒定律告訴我們，在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化時(shí)總的機(jī)械能保持不變。如果我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能與重力勢(shì)能的變化，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，那么需要怎樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程才能滿足？1、沿固定光滑斜面下滑的滑塊機(jī)械能守恒嗎？

GFθ沿固定光滑斜面下滑的滑塊機(jī)械能守恒

用細(xì)線懸掛的小球擺動(dòng)時(shí)，細(xì)線的拉力與小球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個(gè)過(guò)程中只有重力做功，也滿足機(jī)械能守恒的條件小球來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，忽略空氣阻力機(jī)械能守恒利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律v1h1h2ABv2質(zhì)量為m的物體從O點(diǎn)自由下落，以地面為零勢(shì)能面，如果忽略空氣阻力，下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)A和B的機(jī)械能守恒，即也可以計(jì)算重物在某兩點(diǎn)間動(dòng)能的增加量是否等于重力勢(shì)能的減少量

為了方便起見(jiàn)，可以直接從下落的初始位置O點(diǎn)來(lái)進(jìn)行研究，此時(shí)初動(dòng)能為0，則從起始點(diǎn)到下落過(guò)程中任意一點(diǎn)有：vhOA任意一點(diǎn)的瞬時(shí)速度v，該點(diǎn)到初始點(diǎn)的高度差h。思考：1.需要測(cè)量哪些物理量？質(zhì)量m呢？不需要2.需要用到哪些實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)測(cè)量下落高度以及任意一點(diǎn)的瞬時(shí)速度？實(shí)驗(yàn)器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、刻度尺、重物、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、交流電源等。夾子打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶重物？鐵架臺(tái)方案一：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物自由下落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（1）物體的質(zhì)量可以用天平測(cè)出。（2）紙帶上某兩點(diǎn)的距離等于物體下落的高度差

Δh，得到物體下落過(guò)程中重力勢(shì)能的變化。（3）物體的瞬時(shí)速度可以從紙帶測(cè)出，從而得到它在各點(diǎn)的動(dòng)能。比較重物在某兩點(diǎn)間動(dòng)能的變化與重力勢(shì)能的變化，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。

紙帶夾子重物實(shí)驗(yàn)步驟1．按圖安裝實(shí)驗(yàn)器材，電源接學(xué)生電源，并將輸出電壓調(diào)至4~6V交流。接通電源前，用手提升紙帶至重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處。2．先接通電源，再松開(kāi)紙帶，讓重物自由下落。關(guān)閉電源，取下紙帶備用。3．重復(fù)步驟2兩次，打出3條紙帶。4．取點(diǎn)跡清晰，且第一、二點(diǎn)距離接近2mm的紙帶進(jìn)行測(cè)量。先將第一點(diǎn)記為O點(diǎn)，然后在紙帶上任取5個(gè)連續(xù)的點(diǎn)。1、選擇重物時(shí)有何要求，為什么？應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力，可使阻力的影響相對(duì)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(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)注意什么問(wèn)題，釋放紙帶時(shí)有什么要求？這樣做的目的是什么?打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要穩(wěn)定固定在鐵架臺(tái)上，同時(shí)伸出桌外，以保證重物有足夠的下落空間。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器平面與紙帶限位孔調(diào)整在豎直方向，同時(shí)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(yùn)動(dòng)物體的紙帶上相鄰的三個(gè)點(diǎn)。根據(jù)學(xué)過(guò)的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可知，物體某段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間內(nèi)的平均速度?！ぁぁぁぁぁBC△t△t△x沿斜面下滑物體的機(jī)械能方案二研究沿氣墊導(dǎo)軌下滑物體的機(jī)械能

我們利用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄物體沿光滑斜面下滑的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。利用氣墊導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)：氣墊導(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。瞬時(shí)速度的測(cè)定：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d和遮光時(shí)間t，可以算出滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)的速度。遮光條光電門實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)，重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大。測(cè)量滑塊和擋光片的質(zhì)量，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

，就可以驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。不同小組采用不同方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別得出數(shù)據(jù)。測(cè)量點(diǎn)n123456高度hn/m速度vn/m/s勢(shì)能EP/J動(dòng)能EK/J分析論證：（1）用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物自由下落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)中，你可以得到什么結(jié)論？（2）研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能實(shí)驗(yàn)中，你可以得到什么結(jié)論？結(jié)論：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。經(jīng)典例題1.做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)，已有鐵架臺(tái)、鐵夾、電源、紙帶、打點(diǎn)計(jì)時(shí)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dD1.答案：D解析：實(shí)驗(yàn)中需要驗(yàn)證重錘重力勢(shì)能的減小量和動(dòng)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(yīng)選擇b，不需要a；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以直接記錄時(shí)間，不需要秒表；實(shí)驗(yàn)中需要刻度尺測(cè)量點(diǎn)跡間的距離，從而求解瞬時(shí)速度和下降的高度。故實(shí)驗(yàn)還需要重錘b和刻度尺d，D正確，ABC錯(cuò)誤。故選D。經(jīng)典例題2.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是()A.必須要用天平稱出重錘的質(zhì)量B.實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)松開(kāi)紙帶讓重錘下落的同時(shí)，立即接通電源C.開(kāi)始時(shí)用手提著紙帶比用夾子夾著紙帶效果更好D.實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是動(dòng)能的增加量略小于重力勢(shì)能的減小量D經(jīng)典例題2.答案：D解析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理

知，物體的質(zhì)量約掉了，因此不需要測(cè)量重錘的質(zhì)量，則A項(xiàng)錯(cuò)誤;為了保證紙帶記錄重錘的運(yùn)動(dòng)是從靜止開(kāi)始的，則應(yīng)該先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作起來(lái)，再釋放重錘，B項(xiàng)錯(cuò)誤;手提著紙帶時(shí)，可能會(huì)使重錘下落出現(xiàn)一個(gè)初速度，用夾子夾紙帶，在松開(kāi)夾子時(shí)，重錘的初速度為零，效果更好，C項(xiàng)錯(cuò)誤;因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中阻力做負(fù)功，則重力勢(shì)能部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，則重力勢(shì)能的減少量略大于重錘動(dòng)能的增加量，D項(xiàng)正確。3.在用“落體法”做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，為減小阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)兩限位孔在同一水平面上C.釋放紙帶前，手應(yīng)提紙帶上端并使紙帶豎直D.重錘下落過(guò)程中，手始終提住紙帶上端，保持紙帶豎直經(jīng)典例題C經(jīng)典例題3.答案：C解析：為減小阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，應(yīng)選用體積小，密度大的重錘；安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)兩限位孔在同一豎直線上；釋放紙帶前，手應(yīng)提紙帶上端并使紙帶豎直，重錘下落過(guò)程中，手不能提住紙帶上端，應(yīng)讓紙帶隨著重錘自由下落。故選C。經(jīng)典例題4.如圖所示為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。關(guān)于本實(shí)驗(yàn)，下列做法正確的是()A.實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開(kāi)紙帶，再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源B.釋放紙帶時(shí)，重錘應(yīng)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器遠(yuǎn)一些C.重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)時(shí)，重物必須從同一位置開(kāi)始下落D.處理數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)選擇紙帶上距離較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)作為初、末位置D經(jīng)典例題4.答案：D解析：A.為了避免紙帶上出現(xiàn)大量的空白段落，同時(shí)使打第一個(gè)點(diǎn)跡時(shí)速度為0，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源打點(diǎn)，再放開(kāi)紙帶，故A錯(cuò)誤；B.為了避免紙帶上出現(xiàn)大量的空白段落，釋放紙帶時(shí)，重錘應(yīng)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器近一些，故B錯(cuò)誤;C.結(jié)合上述可知，重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)時(shí)，重物釋放位置需要適當(dāng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，但并不需要使重物從同一位置開(kāi)始下落，故C錯(cuò)誤；D.為了減小誤差，處理數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)選擇紙帶上距離較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)作為初、末位置，故D正確。故選D。經(jīng)典例題5.某小組利用圖示裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，小球釋放后，通過(guò)光電門1和2，實(shí)驗(yàn)中不是必須測(cè)量的物理量是()A.小球的質(zhì)量

B.小球的直徑C.兩光電門間的距離

D.小球分別通過(guò)兩光電門的時(shí)間A

物體在擺動(dòng)過(guò)程中的重力勢(shì)能和動(dòng)能可以互相轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能守恒。設(shè)物體自高為h處釋放，擺至最低點(diǎn)時(shí)的速度為v

。利用光電門測(cè)出物體在最低點(diǎn)的速度，即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。在圖示的擺球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最低點(diǎn)處固定一光電門，仔細(xì)調(diào)整光電門的高低位置，使得擺球通過(guò)光電門時(shí)恰好擺球中心水平直徑擋光。單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律拓展

即擋光長(zhǎng)度為擺球d，在數(shù)字計(jì)時(shí)器上讀出擋光時(shí)間t，可計(jì)算出擺球通過(guò)光電門時(shí)的速度為，求出動(dòng)能Ek

；測(cè)出擺球釋放點(diǎn)距擺球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最低點(diǎn)的垂直距h，以最低點(diǎn)為參考平面，分別計(jì)算兩側(cè)最高點(diǎn)的重力勢(shì)能Ep

，比較Ek

和Ep

是否相等，驗(yàn)證機(jī)械能守恒。單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律創(chuàng)設(shè)情景提出問(wèn)題制訂方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分組實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)分析論證得出結(jié)論應(yīng)用規(guī)律反思改進(jìn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，需要測(cè)量哪些物理量用什么樣的裝置來(lái)進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物自由下落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能記錄物體運(yùn)動(dòng)的高度、速度計(jì)算重力勢(shì)能的減少量和動(dòng)能的增加量在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變應(yīng)用規(guī)律解決問(wèn)題如何減小誤差1.小華同學(xué)利用如圖所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。下列說(shuō)法正確的是()A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí)使用直流電源B.實(shí)驗(yàn)中必須用天平測(cè)出重物的質(zhì)量C.實(shí)驗(yàn)中所測(cè)重物動(dòng)能的增加量通常比其重力勢(shì)能的減少量稍小D.實(shí)驗(yàn)中求重物在某點(diǎn)的速度可以根據(jù)

或

求解C答案：C解析：A.電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作電壓為交流220V，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作電壓約為交流8V，都是使用交流電，故A錯(cuò)誤；B.根據(jù)機(jī)械能守恒定律有

即驗(yàn)證

即可，故不用測(cè)量重物的質(zhì)量，故B錯(cuò)誤；C.重物帶動(dòng)紙帶下落過(guò)程中，除了受到重力還受到阻力，從能量轉(zhuǎn)化的角度，由于阻力對(duì)重物做功，重物減少的重力勢(shì)能部分轉(zhuǎn)化為重物與空氣摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能，因此實(shí)驗(yàn)中所測(cè)重物動(dòng)能的增加量通常比其重力勢(shì)能的減少量稍小，故C正確；D.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中求重物在某點(diǎn)的速度和對(duì)應(yīng)的重物下落的高度都是由紙帶上打點(diǎn)的數(shù)據(jù)而得，而

或

是根據(jù)機(jī)械能守恒定律直接或間接推導(dǎo)得到的，而實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故不能據(jù)

或

求某點(diǎn)的速度，故D錯(cuò)誤。2.利用如圖所示的實(shí)驗(yàn)器材，不能完成的實(shí)驗(yàn)是()

A.驗(yàn)證牛頓第二定律 B.研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律C.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 D.測(cè)量重力加速度的大小A3.某同學(xué)利用利用重錘和打點(diǎn)計(jì)