《驗證機械能守恒實驗》教學設計

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1、《驗證機械能守恒實驗》教學設計●實驗目的和原理（開門見山教師直接引出）該實驗的目的是驗證物體只有重力做功時，機械能守恒.當物體做自由落體運動時,只有重力做功,增加的動能應等于減少的重力勢能,即驗證

2、ΔEk

3、=

4、ΔEp

5、.mv2=mgh.●實驗裝置及要求實驗裝置，因?qū)嶒炛幸獪y重錘下落的高度h和下落過程中的速度v,故采用“留跡法”記錄下重錘下落過程中的各個位置，打點計時器、紙帶等裝置作用即在此,因該實驗中比較的是重錘自由落下一定高度時的ΔEk和ΔEp的大小關系,因而需要記下重錘下落的初始位置.實驗時先用手提著紙帶,使重物靜止在靠近打點計時器的地方,然

6、后給打點計時器接通電源,待振動穩(wěn)定時再為使實驗原理更簡單,讓振針打第一個計數(shù)點的初速度為零，須挑選紙帶上第一、二兩點間的距離接近2mm,使ΔEk=mv2-0,在紙帶上記下該點的位置O，并在紙帶上從離位置O較遠處開始依次選取幾個連續(xù)的點1、2、3……并用刻度尺依次測出各點到位置O的距離.如圖6-5-2所示，這些距離就是重錘從靜止開始運動到點1、2、3……時下落的高度h1、h2、h3……利用勻變速直線運動的物體中間時刻的瞬時速度等于該段時間內(nèi)的平均速度求出各點對應的重錘速度vn=，比較重錘下落各不同高度時增加的動能mvn2和減少的重力勢能mghn是否

7、相等，從而驗證機械能是否守恒.?誤差分析：因重錘自由下落時忽略阻力作用，所以在實驗中應盡量減小由于紙帶的阻力產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差.實驗中，應選用密度較大些的重錘以減小空氣對紙帶的阻力，打點計時器應豎直架穩(wěn)固定,紙帶豎直拿高以減小限位孔對紙帶的阻力，復寫紙應放在紙帶的上面使振針間接接觸紙帶,以減小振針對紙帶的阻力，有條件的最好選用電火花計時器.另外g要取當?shù)氐闹亓铀俣?，若未指?則g取9.8m/s2.由于測量長度帶來的是偶然誤差，減小該誤差的辦法是在測量下落高度時，一是選取的各計數(shù)點要離起始點O遠些，可減小由于測物體下落高度h帶來的相對誤差；二是多測幾

8、次取平均值.●注意事項1.由于mvn2=mghn式中都含有m，因此本實驗中不需要測重錘的質(zhì)量m.（學生討論得出）2.實驗時，需保持提紙帶的手不動，待接通電源，讓打點計時器工作正常后才松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個點是一個清晰的小點.（實驗過程中始終堅持新課程標準要求,注重過程,培養(yǎng)學生思考能力）3.因重物自由下落時的加速度較大，每兩個計數(shù)點間的時間間隔不一定取連打5個點的時間間隔為計時單位.（可以設問是否一定要取連打5個點的時間間隔為計時單位呢）●重點、難點、疑點剖析【例1】在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，所用電源的頻率為50Hz，某同學選擇

9、了一條理想的紙帶，用刻度尺測量各計數(shù)點對應刻度尺上的讀數(shù)如課本圖6-5-3所示.(圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D、E分別是每打兩個點取出的計數(shù)根據(jù)紙帶要求計算：（教師演算,解答.）(1)若重錘的質(zhì)量為m，則重錘從開始下落到打B點時，減少的重力勢能是多少?(2)重錘下落到打B點時增加的動能為多大?(3)從上述數(shù)據(jù)可得出什么結(jié)論?解析:(1)重錘從開始下落到打B點時減少的重力勢能為：ΔEp減=mgh=mg=9.8×0.1950mJ=1.911mJ.(2)重錘下落到打B點時的速度為vB=(sAB+sBC)/2T=(0.2805-0.

10、1250)/(2×0.04)m/s=1.9438m/s則物體從開始下落到打B點增加的動能為ΔEk增=mvB2/2=(1.9438)2m/2J=?1.889mJ.(3)在實驗誤差允許的范圍內(nèi)重錘重力勢能的減少量等于其動能的增加量，故重錘機械能守恒.（這一步可以在學生討論后給出.）歸納:重錘減少的重力勢能略大于其增加的動能的原因是：重錘在下落時要受到阻力的作用(打點計時器對紙帶的摩擦阻力,空氣阻力等),重錘克服阻力做功要損失一部分機械能.（此過程可以叫學生們自己討論）●變式實驗（啟發(fā)學生自行設計另外一種方案驗證機械能守恒定律.）【例2】利用課本圖6-

11、5-4所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗，按正確的實驗操作得到幾條紙帶.一位同學選取了一條頭兩點間的距離明顯小于2mm的紙帶進行標點（標出0、1、2、3……各實際點跡），測出各點與0點的高度差h1、h2、h3……那么能否用它正確計算比較點n位置處的動能與重力勢能的對應關系（n＝2,3，4……），即能否驗證mvn2=mghn？為什么？若不能驗證，則應如何解析:實驗時先接通電源,在紙帶上記下初始位置，然后放開紙帶.最理想的情況是在振針剛好打在紙帶上的一瞬間釋放紙帶，紙帶上的頭兩點的間隔就是自由落體在第一個0.02s內(nèi)下落的位移，即h1=gt2=

12、×9.8×(0.02)2m=1.96mm≈2mm.但這種情況很少，通常是在振針兩次敲擊紙帶之間的某個時刻松手，雖重錘做自由落體，但頭兩點