验证机械能守恒定律

【教学目标】

1、利用重物的下落运动，验证机械能守恒定律。

2、通过实验进一步理解机械能守恒定律的内容，学会用实践去检验理论的思维方法。

【教学过程】

机械能守恒定律内容：在只有重力或弹簧弹力做功的系统内，动能与势能可相互转化，但总机械能保持不变。

表达式：或

以自由落体运动为例，按照机械能守恒的条件，理论上机械能守恒的，今天我们要通过双手来验证一下自由落体运动过程中，机械能是否守恒。

一、 目的：验证

二、 设计：

研究对象----重锤（质量大、体积小）

思考：选一个具有什么特征的物体由静止释放才可以看成是自由落体运动？说明道理（知识回顾）

测量-----重锤质量m、下降高度h、末速度v

思考1：实际操作过程中，质量是否有必要测量？

思考2：怎样才能测出重锤下降的高度，并且能够得出这一下降过程的末速度？回顾以前的实验，我们借助于什么装置实现的？

解决方法-----打点计时器：把纸带与物体栓在一起，运动的物体带动纸带一起运动，于是打点计时器在纸带上留下一系列点。点与点之间的距离就表示重锤相应时间内运动的距离。（知识回顾：利用打点计时的仪器）

摆放----⑴打点计时器摆放时应有什么特点？为什么？

思考：如果是学生实验，请问小作者在摆放打点计时器时应考虑什么？（最好有实物“打点计时器”和“纸带”引导学生回答）

⑵纸带摆放应注意什么？

操作----先通电源打点，后放纸带

如何做到初速度为零

检验：在实验时，虽然我们知道应该怎样操作，但在具体操作时，还是会出现一些偶然因素；例如：纸带并没有竖直放置，打点计时器的两个限位孔并没有完全处于竖直，振针与纸带的距离过近等，造成重锤的运动不能看成是自由落体运动，那么，在这种情况下，所得出的纸带并不是重锤做自由落体运动打出来的，当然是无效的纸带。为此，我们在处理纸带之前，还有必要先判断一下----此时的纸带是否是在自由落体运动的情况下打出来的。那么，怎样根据纸带来判断一下：此时重锤确实可以近似看作为自由落体运动呢？提示：如果是自由落体运动，点0和点1之间的距离有什么特点？

处理纸带：取较远的一点P（例如：第5个点）-------- 测量误差小；

1、重力势能减小量 mgh5 （直尺）

2、vB=（hBC+hAB）/2T 理论依据：v中间时刻=v平均

动能增加量（算出）

思考两个问题：

△Ek=0.782m （J）

△Ep=0.786m （J）

问题一：为什么总会出现这样的情况？为什么减小的重力势能不能完全转化为动能呢？

可以这样说，在误差允许范围内，机械能守恒。

图象如何？

问题二：如果纸带被破坏，纸带能否用来验证机械能守恒？

问题三：能否用纸袋上的数据测量g后，求mgh？

例题：

1、在验证机械能守恒定律的实验中,要验证的是重锤重力势能的减少等于它动能的增加,以下步骤中仅是实验中的一部分,在这些步骤中多余的或错误的有______(填代号)

A、用天平称出重锤的质量

B、把打点计时器固定在铁架台上,并用导线把它和低压交流电源连接起来.

C、把纸带的一端固定在重锤上,另一端穿过打点计时器的限位孔,把重锤提升到一定的高度.

D、接通电源,释放纸带

E、用秒表测出重锤下落的时间

2、验证“机械能守恒定律”的实验采用重物自由下落的方法：

(1)用公式mυ2=mgh时对纸带上起点的要求是 ；为此目的，所选择的纸带第一、二两点间距应接近 .

(2)若实验中所用重锤质量m=1kg,打点纸带如下图所示，打点时间间隔为0.02s，则记录B点时，重锤的速度υB= ，重锤动能Ekb= .从开始下落起至B点，重锤的重力势能减少量是 ，因此可得出的结论是 .

(3)根据纸带算出相关各点的速度υ，量出下落距离h,则以为纵轴，以h为横轴画出的图线应是如下图中的 。图线的斜率表示 。

3、在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如右。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点.该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离,并记录在图中（单位cm）。

⑴这三个数据中不符合有效数字读数要求的是_____ ,应记作_______cm。

⑵该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g=9.80m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势能的减少量为_______，而动能的增加量为________，（均保留3位有效数字，重锤质量用m表示）。这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量_______动能的增加量，原因是______________ ___。

⑶另一位同学根据同一条纸带，同一组数据，也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，不过他数了一下：从打点计时器打下的第一个点O数起，图中的B是打点计时器打下的第9个点。因此他用vB=gt计算跟B点对应的物体的即时速度，得到动能的增加量为__ ____，这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量_______动能的增加量,原因是 _ ______ 。

4．某同学在做“测定匀变速直线运动的加速度”实验时，从打下的若干纸带中选出了如图所示的一条（每两点间还有4个点没有画出来），图中上部的数字为相邻两个计数点间的距离。打点计时器打出两个相邻的点的时间是0.02s。

由这些已知数据计算：①与纸带上D点相对应的瞬时速度v=__________ m/s.②该匀变速直线运动的加速度a=___________m/s2。（答案均要求保留3位有效数字）

机械能守恒实验