新人教高中物理必修二79实验精品教案.docx

新人教高中物理必修二79实验精品教案.docx

《新人教高中物理必修二79实验精品教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新人教高中物理必修二79实验精品教案.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

新人教高中物理必修二79实验精品教案

79实验：

验证机械能守恒定律

〖精讲细析〗

〖知识精讲〗

知识点：

验证机械能守恒定律实验

（1）实验目的：

验证机械能守恒定律

（2）实验原理：

通过实验，求做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证了机械能守恒定律。

（3）实验器材：

打点计时器及电源、纸带、复写纸片、重物、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线。

（4）实验步骤：

①按图所示装置竖直安装好打点计时器，并用导线将打点计时器接在4-6V的交流电源上；

②将纸带穿过打点计时器，纸带下端用夹子与重物相连，手提纸带使重物静止靠近打点计时器的地方；

③接通电源，松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打下一系列的点；

④换纸带，重做几次上述实验；

⑤在取下的纸带中挑选第一、第二两点间离接近2mm且点迹清楚的纸带进行测量，先记下第一点O的位置，再任意取4个点1、2、3、4，用刻度尺测出距O点的相应距离h1、h2、h3、h4，如图所示；计算相应的重力势能减少量mghn。

⑥用公式v=hn+1-hn-1/2T计算各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4；计算出相应的动能mvn2/2。

⑦比较mvn2/2与mghn是否相等。

（5）实验结论：

在重力作用下，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总的机械能守恒。

（6）注意事项：

①应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力，采取措施有：

a、铁架台竖直安装，可使纸带所受阻力的减小。

b、应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小。

②应先开电源让打点计时器开始打点，再放开纸带让重物自由下落。

③选取纸带原则是：

a、点迹清楚。

b、所打点呈一条直线。

c、第1、2点间距接近2mm。

〖例1〗

在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9。

8m/s2，测得所用的重物的质量为1。

00kg，实验中得到一条点迹清晰的纸带，如图所示，把第一个点记作O，另选选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62。

99cm、70。

18cm、77。

76cm、85。

73cm。

根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于J，动能的增加量等于

J．（取3位有效数字）

〖思路分析〗C点到O点的距离hC=77。

76cm，由此可知重力势能减少量为

mghC=1。

00×9。

80×77。

76×10-2J=7。

62J，但不能错误地认为动能增加量也为7。

62J，需知验证机械能守恒定律的实验中，一不能运用机械能守恒；二即使算得了动能的增量也不一定等于7。

62J，vC可用公式vC=hBD/2T来求，式中hBD=hB-hD=15。

55cm，T=0。

02s，求得vC=3。

89m/s，故动能增量为：

mvC2/2=7。

57J

〖答案〗7。

62；7。

57

〖总结〗1、本实验的基本思路是：

要求用实验的方法分别测量出重物下下降到某一位置时的动能，和重力势能的减少量以此来验证机械能守恒定律是否成立，若解答本题时，把第一空的结果直接填到了第二空中就违背了本实验的目的。

2、该实验中，如果以v2/2为纵轴，以h为横轴，据实验数据作出v2/2-h的图线，应是一条过原点的直线，直线的斜率表示加速度g。

3、本实验还运用到了测匀变速直线运动的某一时刻或某一位置的瞬时速度的方法。

4、由于重物受到空气阻力和纸带的摩擦力，有一小部分重力势能转化内能，故重力势能的减少量要大于动能的增加量，这告诉我们对实验产生的误差，应注意找出原因。

〖变式训练1〗做验证机械能守恒定律的实验，按正确的实验操作得到几条打上点迹的纸带。

通常要求从其中挑选出头两点间距接近2mm的纸带进行测量。

但一位同学未按此要求，却选取了一条操作正确，点迹清楚，但头两点间的距离明显小于2mm的纸带进行标点。

（标出0、1、2…等各实际点迹）、测量（测出各点与第0点的高度差h1、h2、h3…cm），见图，那么能否用它正确计算比较点n位置处的动能与重力势能的对应关系（n=2、3、4…），即能否验证mvn2/2=mghn？

；理由是；

列出点n处的瞬时速度的计算式（应用从纸带上读取的数据）vn=。

〖答案〗能；因为运动性质仍然是自由落体运动，只要将n=1的位置除外即可；hn+1-hn-1/2T。

〖难点精析1〗

〖例2〗在做“验证机械能守恒定律”的实验中，若打出的纸带前段不清楚，但从A---E却是清楚的，数据如图所示，单位为cm，你能据此验证重物下落过程中机械能是否守恒吗？

要求：

（1）简述判断方法；

（2）写出运算过程；（3）得出结论。

〖思路分析〗

（1）选定物体自由下落的某段距离△x，算出其重力势能的减少量△EP=mg△x；

再算出下落△x过程中动能的增加量△Ek=m△v2/2，则可验证下落过程中机械能是否守恒。

（2）根据vB=AC/2T=4。

72×10-2/2×0。

02=1。

180m/s

vC=BD/2T=（7。

68-2。

16）×10-2/2×0。

02=1。

380m/s

vD=CE/2T=（11。

04-4。

72）×10-2/2×0。

02=1。

580m/s

若选取BC段，有：

△EP1=mg×BC≈0。

250mJ△Ek1=m（vC2-vB2）/2≈0。

256mJ

可见△EP1≈△Ek1

若选取BD段，有：

△EP2=mg×BD≈0。

540mJ△Ek2=m（vD2-vB2）/2≈0。

550mJ

可见△EP2≈△Ek2

（3）从

（2）中的计算可知：

在实验允许的误差范围内，重物自由下落过程中的重力势能的减少与动能的增加相等，即重物自由下落过程中的机械能守恒。

〖方法总结〗在纸带上选择两点来验证机械能守恒时，可以不选第一个点，而是选择点迹清楚的任意两点，测出两点间的距离，求出两点的速度，根据mgh=mv22/2-mv12/2验证即可。

此例告诉我们验证机械能守恒定律的另一种方法，在纸带前面部分损坏或前面部分点迹不清晰时，只要后面部分点迹清晰，就可以采用此种方法。

〖变式训练2〗某同学做“验证机械能守恒定律”实验时，不慎将一条选择好了的纸带的前面一部分损坏，剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出，如图所示，已知接打点计时器的交流电源频率为50Hz，取重力加速度g=9。

8m/s2，利用这段纸带能否验证机械能守恒定律？

如能验证，说明验证方法。

〖答案〗能验证机械能守恒定律：

选重物从第2点到第5点的过程来研究，重力势能减少量为：

△EP=mgh25=m×9。

80×（3。

2+3。

6+4。

0）×10-2=1。

06mJ

打第2点和第5点时的瞬时速度为：

v2=h13/2T=（2。

8+3。

2）×10-2/2×0。

02=1。

50m/s

v5=h46/2T=（4。

0+4。

3）×10-2/2×0。

02=2。

075m/s

动能的增量为：

△Ek=m（v52-v22）/2=1。

03Mj

在误差允许范围内，可认为△EP=△Ek，机械能守恒。

〖难点精析2〗在“验证机械能守恒定律”的实验中所用的电源的频率为50Hz，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示，（图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点，单位：

mm）

根据纸带要求计算：

（1）重锤下落的加速度。

（2）若重锤的质量为m，则重锤从开始下落到打B点时，减少的重力势能。

（3）重锤下落到打B点时增加的动能。

（4）从

（2）（3）数据可得出什么结论？

产生误差的主要原因是什么？

〖思路分析〗纸带上各点之间的距离对应重锤下落的高度，进而可以计算出势能的减少量，本实验的关键是由纸带数据计算各点的瞬时速度，以求得动能的改变量。

（1）根据逐差法求加速度：

hAB=OB-OA=195。

0-125。

0=70。

0mm=0。

07m

hBC=OC-OB=280。

5-195。

0=85。

5mm=0。

0855m

hCD=OD-OC=381。

5-280。

5=101。

0mm=0。

101m

hDE=OE-OD=498。

0-381。

5=116。

5mm=0。

1165m

a1=（hCD-hAB）/2Ta2=（hDE-hBC）/2T

a=（a1+a2）/2=（hCD+hDE-hAB-hBC）/4T2=（0。

101+0。

1165-0。

07-0。

0855）/4×0。

042

=9。

688m/s2即重锤下落的加速度为9。

688m/s2

（2）重锤从开始下落到打B点时减少的重力势能为：

△EP=mgOB=9。

688×0。

1950mJ=1。

8892mJ

（3）重锤下落到打B点时的速度为：

v=（hAB+hBC）/2T=（0。

07+0。

0855）/2×0。

04=1。

944m/s

则物体从开始下落到打B点时增加的动能为：

△Ek=mvB2/2=m（1。

944）2/2=1。

899mJ

（4）从

（2）和（3）问中可以得出在实验误差允许范围内重锤重力势能的减少量等于其动能的增加量，机械能守恒。

重锤减少的重力势能略大于其增加的动能的原因是：

重锤在下落时要受到阻力的作用（打点计时器对纸带的摩擦阻力、空气阻力等）。

重锤克服阻力做功要损失一部分机械能。

〖答案〗

（1）下落的加速度为9。

688m/s2

（2）减少的重力势能为1。

8892mJ

（3）打B点时的速度为1。

944m/s

（4）结论：

在实验误差允许范围内重锤重力势能的减少量等于其动能的增加量，机械能守恒。

产生误差的原因：

重锤在下落时要受到阻力的作用。

重锤克服阻力做功要损失一部分机械能。

〖方法总结〗

（1）可用该实验测当地重力加速度。

（2）在计算减少的重力势能时，要用当地的重力加速度。

（3）下落高度h和速度只能用实际测量值，不能用理论计算值。

〖变式训练3〗在利用打点计时器等器材验证自由下落的物体的机械能是否守恒时，打点计时器的电源频率是50Hz，某同学先后打出两条纸带，纸带Ⅰ上第1、2两点，第2、3两点，第3、4两点，第4、5两点间的距离依次为1。

9mm、6。

0mm、10。

0mm、14。

0mm；纸带Ⅱ上第1、2两点，第2、3两点，第3、4两点，第4、5两点间的距离依次为2。

5mm、6。

0mm、10。

0mm、14。

0mm。

那么应该选用纸带进行测量和计算。

根据你所选用的纸带，利用第2、3点间的距离和第4、5点间的距离，可以计算出当地的重力加速度的大小为。

在打第3点时，重物的瞬时速度为m/s。

为了验证机械能守恒定律，应该计算出打第2、3、4点时重物减少的和增加的

。

然后比较它们的数值在允许的误差范围内是近似相等。

〖答案〗纸带Ⅰ；10m/s2；0。

4；重力势能；动能。

〖难点精析3〗

〖例3〗在“验证机械能守恒定律”的实验中：

（1）某同学用如图甲所示的装置进行实验，得到如图乙所示的纸带，测得点A、C间的距离为14。

77cm，点C、E间的距离为16。

33cm，已知当地重力加速度为9。

8m/s2，重锤的质量为m=1。

0kg，则重锤在下落过程中受到的平均阻力大小为；（交流电频率为50Hz）

（2）某同学上交的实验报告显示重锤增加的动能略大于重锤减少的重力势能，则出现这一问题的原因可能是（填序号）

A、重锤的质量测量错误。

B、该同学自编了实验数据。

C、交流电源的频率不等于50Hz。

D、重锤下落时受到的阻力过大。

〖思路分析〗

（1）由a=△s/t2得a=CE-AC/（2T）2=9。

75m/s2由牛顿第二定律得mg-F=ma

所以平均阻力F=m（g-a）=0。

05N

（2）由题意知mv2/2>mgh,即v2/2>gh,与m无关,故A错误,

因阻力是难免的,只会是mv2/2

因计算速度的公式为v=sn+sn+1/2T=f（sn+sn+1）/2，如果打点计时器打点频率小于50Hz时，而计算时若仍按50Hz计算，则会使速度偏大，造成增加的动能大于减少的势能的结果，故C正确。

阻力过大只会出现动能的增加量小于势能的减少量，故D错误。

〖答案〗

（1）0。

05N

（2）BC

〖方法总结〗在“验证机械能守恒定律”的实验中，重锤在下落时受到的阻力主要来自两个方面：

一是纸带与限位孔和振针间的摩擦力；二是下落过程中受到的空气阻力，故重锤下落时的加速度应小于重力加速度，我们通过实验数据可以求出平均阻力的大小。

〖变式训练4〗在做“验证机械能守恒定律”的实验时，发现重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，造成这种现象的原因是：

A、选用的重锤质量过大。

B、选用的重锤质量过小。

C、空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力。

D、实验时操作不过细，实验数据测量不准确。

〖答案〗C

〖综合拓展〗验证机械能守恒定律是大纲中所要求的内容，虽然近几年高考试题中并未出现，但却不可忽视，考查时，多以填空或者实验题出现，难度不大。

本实验还可以用图象法验证

机械守恒定律

〖例4〗在“验证机械能守恒定律”的实验中，如果以v2/2为纵轴，以下落高度h为横轴，根据实验描出的v2/2-h图线应该是怎样的曲线才能验证机械能守恒定律？

图线斜率的物理意义是什么？

〖思路分析〗假定机械能是守恒的，则应有mv2/2=mgh,即v2/2与h成正比，故图线应是一条过原点的倾斜直线。

由mv2/2=mgh知直线斜率k=g，表示当地的重力加速度的值。

〖答案〗图线应是一条过原点的倾斜直线，图线的斜率表示当地重力加速度。

〖方法总结〗虽然本题较易解答，但是这种方法给予我们很重要的两点启示：

（1）对于实验数据的处理，不但可以用公式法，而且可以用图象法，并且用图象法处理实验数据误差更小，它可以尽可能地减小偶然误差，把远离直线的点舍去。

（2）为我们提供了一个测量重力加速度的方法，高考实验题就是这样命题的：

用学过的实验方法解决新的问题，以考查我们知识和方法的迁移能力。

〖活学活练〗

〖基础达标〗

1、在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列物理量中需要用工具测量的是有（），通过计算得到的有（）：

A、重锤的质量B、重力加速度

C、重锤下落的高度D、与重锤下落高度对应的重锤的瞬时速度

2、在“验证机械能守恒定律”的实验中，需要直接测量和间接测量的数据是重物的：

A、质量B、下落时间C、下落高度D、瞬时速度

3、下列关于“验证机械能守恒定律”实验的实验误差的说法中，正确的是：

A、重物质量的称量不准会造成较大的误差

B、重物质量选用得大些，有利于减小误差

C、重物质量选用得较小些，有利于减小误差。

D、先释放纸带后接通电源会造成较大误差

4、在做“验证机械能守恒定律”的实验时，总是从几条纸带中选取一条来进行测量，关于纸带的选择，以下表述正确的是：

A、应选择点迹清晰，特别是第一点没有拉成短线的纸带

B、若用数点来求时间，再用公式vn=g（n-1）T来求速度时，才需选用第1、2点间距接近2mm的纸带

C、必须选用第1、2点间距接近2mm的纸带

D、用刻度尺测某一点A到下一点B的距离△h，则重力势能减少量△EP=mg△h；再计算现打A、B两点时的速度vA、vB，则物体动能增加量△Ek=mvB2/2-mvA2/2，最后比较△EP与

△Ek。

用该方法时可以不考虑第1点和第2点间距离是否接近2mm。

5、如图所示是验证机械能守恒定律实验时得到的一条纸带，有关尺寸在图中已经标明，我们选是中N点来验证机械能守恒定律，关于计算N点速度的方法正确的是：

A、若N点是第n个点，则vN=gnT

B、若N点是第n个点，则vN=g（n-1）T

C、vN=sn+sn+1/2T

D、vN=dn+1-dn-1/2T

6、在验证机械能守恒定律实验中，下列说法或做法正确的是：

A、选用质量大的重锤可减小实验误差

B、实验结果总是动能的增加量略大于重力势能的减小量

C、固定好打点计时器，用手拿住穿过限位孔的纸带的一端，手应静止靠近打点计时器处

D、先松开纸带，再接通电源，重物自由下落时纸带上就能打出一系列的点，重复做几次

7、在验证机械能守恒定律实验中，需特别注意的是：

A、称出重锤的质量

B、手提纸带，先接通电源再松开纸带让重锤落下

C、取下纸带，可不考虑前面较密集的点，选某个清晰的点作为起始点来处理纸带，验证

mv2/2=mgh各式

D、必须选取第1、2点间距接近2mm的纸带，从第1点算起处理纸带，验证mv2/2=mgh各式

8、在验证机械能守恒定律实验中，某同学打出3条纸带A、B、C，打点计时器周期为0。

02s，其中第1点到第2点之间的距离分别为1。

0mm；1。

8mm；2。

4mm。

你认为应选

条纸带进行数据处理较理想。

9、某同学在做验证机械能守恒定律实验时，采用了以下步骤：

A、选用低压交流电源，调整好工作电压，安装固定打点计时器；

B、先松开纸带，然后接通电源，在重物自由下落时，在纸带上打下一系列的点；

C、换上纸带，重复几次；

D、在取下的纸带中挑选第1、2点间的距离接近2mm年点迹清晰的纸带进行分析，选取定计数点；

E、设重物质量为m，由纸带上的计数点求出vn和hn，依据mvn2/2与mghn是否相等进行验证（在实验误差允许范围内）。

（1）上述操作步骤中错误的是（填字母代号）。

（2）实验数据要求从第1、2点间距接近2mm的纸带中选取的原因是。

1、在验证机械能守恒定律实验中，重物质量m=1kg，纸带上打的点如图所示，打点计时器外接50Hz的低压交流电源，

（1）纸带的哪一端与重物相连？

；

（2）打点计时器打下B点时重物的速度vB=。

（3）若当地的重力加速度9。

8m/s2，则从起点O到打B点过程中动能的增加量

△Ek=J；重力势能减小量△EP=J。

（4）实验结论是。

2、利用打点计时器验证机械能守恒定律，让重锤自由下落，在纸带上打出一系列点，舍去前面密集看不清的点，取O为起始点，各点间距已标在纸带上，如图所示，所用交流电频率为50Hz，重锤质量为mkg。

（1）打出A点时，重锤下落的速度vA=，动能EKA=；

（2）打出F点时，重锤下落的速度vF=，动能EKF=；

（3）从打A点到打F点，重锤的动能增加了，

重力势能减小了；

（4）据上述计算结果，在实验误差允许的范围内，从A到F的过程中，得到的结论是

。

〖基础达标答案〗

1、C2、CD3、BD4、AD5、CD6、A7、BD8、B

9、

（1）B

（2）若重物从静止开始下落，在0。

02s内下落的距离为2mm。

10、

（1）左端

（2）0。

98（3）0。

48，0。

49（4）在实验误差允许范围内可认为

△EP=△Ek，机械能守恒。

11、

（1）1。

30m/s，0。

84m

（2）2。

27m/s，2。

57m（3）1。

73m/s，1。

75m

（4）机械能守恒。

〖能力提升〗

1、有位同学用落体法做“验证机械能守恒定律”的实验。

他挑选一条第1、2点间距最接近2mm的纸带进行处理，设第一个点为A，第n个点为B，测量出AB之间的距离为h，因为从开始下落到B点经过打点计时器的时间是（n-1）×0。

02s，所以根据自由落体运动的规律得vB=gt=0。

02g（n-1），如果有mgh=mvB2/2，即可认为验证了机械能守恒定律，这位同学的验证思路对吗？

2、设计性实验：

给你一架天平和一只秒表，你如何用实验来估测用手急速竖直上抛小球时，手对小球做的功？

（要求：

写出你准备测定的物理量及相关的测量工具，并列出计算时所需的关系式）

3、在利用重物做自由落体运动“验证机械能守恒定律”的实验中：

（1）下列操作步骤中不必要的和错误的是（）

A、电火花计时器接到220V的交流电源上

B、用天平测出重物的质量

C、在释放纸带的同时接通电源开关使纸带上打出点子

D、根据测量结果，计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能

（2）利用这个实验也可以测出重锤下落的加速度a，如图所示，根据纸带，选取连续打出的5个点A、B、C、D、E，测出点A距起始点O的距离为s0，点A和点C间的距离为s1，点C和点E间的距离为s2，使用的交流电频率为f，则根据已知的数据和条件，可求得加速度a=；

（3）在“验证机械能守恒定律”的实验中发现，重锤重力势能的减少量总是大于其动能的增加量，主要原因是因为重锤在下落过程中存在着阻力作用，若已知当地重力加速度值为g，为求受到的阻力的大小，还需测量的物理量是，试用题中的已知数据和还需测量的物理量表示重锤在下落过程中受到的平均阻力的大小。

4、用落体法验证机械能守恒定律的实验中：

（1）运用公式mv2/2=mgh时，对纸带起点的要求是。

为此目的，所选用纸带的第1、2点间距最接近mm。

（2）若在实验中所用重锤的质量m=1kg，所用交流电频率为50Hz，则记录B点时重锤速度vB=m/s，其动能EKB=J，从开始下落到B点，重锤的重力势能减少量△EP=J。

由此可得结论。

（3）根据纸带可求出各点的速度v，量出下落距离h，则以v2/2为纵轴，以h为横轴画出图象应是以下各图中哪一个（）

5、在利用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中：

（1）打点计时器使用交流电的频率为50Hz，纸带甲第1、2点间距离为1。

9mm，纸带乙

第1、2点间距离为1。

7mm，应选用纸带好；

（2）若通过测量纸带上某两点距离来计算瞬时速度，设已测得点2到点4距离为s1，点

0到点3的距离为s2，打点周期为T，为验证重物开始下落到打点计时器打下点3这段时间内机械能守恒，实验后，s1、s2和T应满足的关系为T=。

〖能力提升答案〗

1、位同学用vB=gt来计算通过B点时重物的速度是不妥当的，因为从这个速度公式可以直接导出机械能守恒的结论。

设重物在t时间内的平均速度v=vB/2，vB=gt=gh/v=2gh/vB，所以vB2/2=gh即mvB2/2=mgh。

在验证某一个物理定律的实验中，用到一个可直接推导出该物理规律（即和该物理定律等价）的公式在逻辑上是不恰当的。

而根据匀变速直线运动某一段时间上的平均速度等于这段时间的中间时刻的瞬时速度这一规律计算各点对应的瞬时速度，没有用到重力加速度g，所以在比较vB2/2和gh的大小时，不存在逻辑上的问题。

2、需要测量的物理量为小球的质量m，小球落回原处的时间t。

小球的质量可用天平测出小球自抛出到落回原处的时间t可用秒表测出，则手对小球做的功W=mv2/2，根据机械能守恒定律mv2/2=mgh=mg×g（t/2）2/2=mg2t2/8，因此W=mg2t2/8。

3、

（1）B没有必要，因为不需要计算出机械能的具体数值，只要vB2/2=gh成立，就可验证机械能守恒；C错误，应先接通电源，后放纸带，要待打点计时器工作稳定后放开纸带

（2）（s2-s1）f2/4

（3）重锤的质量m；设受到的平均阻力为F，由牛顿第二定律得mg-Fma所以得F=m（g-a）=m[g-（s2-s1）f2/4]

4、

（1）重锤自由下落的起点；2

（2）0。

590。

1740。

175在实验误差允许范围内可认为△EP=△Ek，机械能守恒。

（3）C

5、

（1）甲

（2）s1（1/2gs2）1/2/2