2013-2014高中物理4.2 研究机械能守恒定律(二) ――实验探究：验证机械能守恒定律 课件(

学案3学案2研究机械能守恒定律(二)——实验探究：验证机械能守恒定律[学习目标定位]1.理解实验的设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量.2.知道实验中选取测量点的有关要求，会根据纸带测定物体下落的高度，掌握测量瞬时速度的方法.3.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性地分析产生误差的原因．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区知识·储备区学案31．机械能守恒定律的表达式：Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2、ΔEk增＝、ΔEA增＝2．机械能守恒的条件：．3．在匀变速直线运动中，某段时间内的平均速度等于该段时间内时刻的瞬时速度，即v＝vt2.ΔEp减ΔEB减.系统内只有重力或弹力做功中间本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3一、用单摆和DIS装置验证机械能守恒1．实验原理如图1所示，用单摆和DIS装置验证机械能守恒，将DIS装置的光电门先后放在A、B、C、D各点，测出摆球经过各点时的速度．测量出各点对D的高度，运用所得数据验证机械能是否守恒．2．实验器材铁架台、摆球、铅笔、DISLab实验仪一套、贴有方格纸的木板、刻度尺．图1本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案33．实验步骤(1)在铁架台上端用铁夹悬挂一个摆球(如图2)．(2)在方格纸上确定4至5个点作为测量点．(3)分别安装光电传感器，并使之与数据采集器相连接．(4)让摆球从某一高度向下摆动．分别测定摆球在摆动过程中任意时刻的动能和重力势能．(5)研究每一个测量点上机械能的总量的特点．图2本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案34．误差分析(1)本实验中摆球在运动过程中受到阻力作用，引起实验中动能的增加量小于重力势能的减少量．(2)光电传感器的灵敏度对实验结果也有影响．5．注意事项(1)摆球运动时，应使其轨迹在一竖直面内，避免做圆锥摆运动．(2)调整带方格纸的木板，应使其竖线在竖直方向上．(3)为准确测定摆球在各位置的瞬时速度，可在摆球下部安置一块挡光片，并确保挡光片在竖直面内．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3二、用自由落下的重物和打点计时器验证机械能守恒1．实验步骤(1)按图3甲把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好．图3本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3(2)把纸带的一端在重物上用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．(3)先接通电源后放手，让重物拉着纸带自由下落．(4)重复几次，得到3～5条打好点的纸带．(5)从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3……，用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3……(如图乙所示)．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案32．数据处理(1)利用公式vn＝hn＋1－hn－12t，计算出点1、点2、点3…的瞬时速度v1、v2、v3….(2)要验证的是12mv2＝mgh或12mv22－12mv21＝mgΔh，方程两边都有质量，故不需要测量重物的质量m，在实验误差允许范围内，比较12v2与gh(或12v22－12v21与gΔh)是否相等．3．误差分析(1)本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3(2)测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差，安装打点计时器使两限位孔中线竖直，并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差．4．实验注意事项(1)打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一竖直线上，以减小摩擦阻力．(2)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，可使空气阻力相对减小．(3)实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落．(4)本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m.(5)速度不能用v＝gt或v＝2gh计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn＝hn＋1－hn－12T计算瞬时速度．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3例1如图4所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带夹子的重锤、天平．回答下列问题：(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有________．(填入正确选项前的字母)A．毫米刻度尺B．秒表C．0～12V的直流电源D．0～12V的交流电源(2)实验中误差产生的原因有______________________．(写出两个原因)图4本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3解析(1)用毫米刻度尺测量长度，交流电源供打点计时器使用．(2)纸带与打点计时器之间有摩擦；用毫米刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取的始末两点距离过近；交流电频率不稳定．答案(1)AD(2)纸带与打点计时器之间有摩擦；用毫米刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取的始末两点距离过近；交流电频率不稳定．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3例2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，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5所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D分别是每打两个点取的计数点．则重物由O点运动到B点时(重物质量为mkg)图5(1)重力势能的减少量是________J．动能的增加量是________J.本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3(2)根据计算的数据得出的结论：________________________.解析(1)重力势能的减少量为ΔEp＝mghOB＝m×9.8×0.195J＝1.911mJ.重物下落到B点时的速度为vB＝hAC4T≈1.944m/s所以重物从开始下落到B点增加的动能为ΔEk＝12mv2B≈1.89mJ.(2)从以上计算的数据得出在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，即机械能守恒．答案(1)1.911m1.89m(2)在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，即机械能守恒．本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3例3利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图6所示．图6(1)实验步骤：①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l＝9.30mm.本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝________cm.④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式：①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________.本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝__________和Ek2＝________.③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp＝________(重力加速度为g)．(3)如果ΔEp＝________，则可认为验证了机械能守恒定律．解析(1)读出两个光电门处标尺(要估读)的示数，相减便是距离s，即s＝60.00cm(59.96cm～60.04cm之间均正确)．(2)由于挡光条宽度很小，因此可将挡光条通过光电门时的平均速度当作瞬时速度，有v1＝lΔt1、v2＝lΔt2；结合运动学规律可算得Ek1＝12(M＋m)(lΔt1)2、Ek2＝12(M＋m)(lΔt2)2、ΔEp＝mgs.本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区学习·探究区学案3(3)重力势能的减少量，在误差允许范围内应等于动能的增加量，即ΔEp＝Ek2－Ek1.答案(1)③60.00(在59.96～60.04之间均正确)(2)①lΔt1lΔt2②12(M＋m)(lΔt1)212(M＋m)(lΔt2)2③mgs(3)Ek2－Ek1本学案栏目开关知识·储备区学习·探究区