§8.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律目標(biāo)展示目標(biāo)展示〖教學(xué)目標(biāo)〗1．要弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康模緦?shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是利用重物的自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2．要明確實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法與技巧、學(xué)會實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差的分析，深化對機(jī)械能守恒定律的理解。3．通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力?！己诵乃仞B(yǎng)〗【物理觀念】通過同學(xué)們的親自操作和實(shí)際觀測掌握實(shí)驗(yàn)的方法與技巧并構(gòu)建能量觀念。【科學(xué)思維】通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)廈實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力。【科學(xué)探究】通過對紙帶的處理過程培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法。【科學(xué)態(tài)度與責(zé)任】通過實(shí)驗(yàn)及誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生對物理規(guī)律的探知欲?！冀虒W(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)〗重點(diǎn)：1．驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理。2．實(shí)驗(yàn)原理及方法的選擇及掌握。難點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)誤差分析的方法。預(yù)習(xí)案預(yù)習(xí)案使用說明及學(xué)法指導(dǎo)（正確的方法會取得事半功倍的效果！）1．首先明確“知識必備”中的兩個(gè)知識點(diǎn)；然后再通讀教材，查找資料，完成“教材助讀”中的問題；2．完成時(shí)間：20分鐘。知識必備（你準(zhǔn)備好了嗎？）1.機(jī)械能守恒定律2.自由落體運(yùn)動3.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用教材助讀（問題引領(lǐng)方向?。?．理解實(shí)驗(yàn)原理 2．學(xué)會誤差分析和數(shù)據(jù)處理預(yù)習(xí)檢測（檢測有助于查找存在的問題和不足?。?.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)依據(jù)紙帶求得各點(diǎn)的瞬時(shí)速度,以及與此相對應(yīng)的重物下落距離h,以v2為縱軸,以h為橫軸,建立坐標(biāo)系,描點(diǎn)后畫出v2-h圖線,從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。若所有操作均正確,則得到的v2-h圖像可能是 ()2.在做“驗(yàn)證自由落體運(yùn)動中的機(jī)械能守恒”實(shí)驗(yàn)中：(1)下列儀器需要用到的是________.(2)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列說法正確的是________.A.應(yīng)用手托住重物由靜止釋放B.紙帶與重物相連端的點(diǎn)跡較密C.可以取連續(xù)的幾個(gè)點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)(3)如圖所示為實(shí)驗(yàn)時(shí)打出的一條紙帶，則A的速度大小為________m/s(保留3位有效數(shù)字，紙帶上相鄰兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔為0.02s).我的疑問（發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更重要?。┱垖㈩A(yù)習(xí)中未能解決的問題和疑問寫下來，待課堂上與老師和同學(xué)探究解決。探究案探究案質(zhì)疑探究（質(zhì)疑解疑，合作探究）探究點(diǎn)一：研究自由下落物體的機(jī)械能例1.某同學(xué)用如圖4甲所示裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”時(shí)，所用交流電源的頻率為50Hz，得到如圖乙所示的紙帶.選取紙帶上打出的連續(xù)五個(gè)cm，點(diǎn)C、E間的距離為s2＝9.88cm，g取9.8m/s2，測得重物的質(zhì)量為m＝1kg.圖4(1)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺（含鐵夾）、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是______A．交流電源

B．刻度尺

C．天平（含砝碼）(2)下列做法正確的有________.A.重物應(yīng)盡量選質(zhì)量大而體積小的物體B.圖中兩限位孔必須在同一豎直線上C.將連著重物的紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器D.實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開紙帶，再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源E.數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)選擇紙帶上距離較近的兩點(diǎn)作為初、末位置F.紙帶上第1、2兩點(diǎn)間距若不接近2mm，則無論怎樣處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)誤差都一定較大(3)選取O、C兩點(diǎn)為初、末位置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，重物減少的重力勢能是________J，打下C點(diǎn)時(shí)重物的速度大小是________m/s.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(4)經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在誤差允許的范圍內(nèi)，可認(rèn)為機(jī)械能守恒，但是重物減少的重力勢能總是略大于重錘增加的動能，你認(rèn)為主要是因?yàn)開_______________，這屬于本實(shí)驗(yàn)的__________誤差（選填“偶然”或“系統(tǒng)”）。(5)根據(jù)紙帶算出打下各點(diǎn)時(shí)重物的速度v，量出下落距離s，則以eq\f(v2,2)為縱坐標(biāo)、s為橫坐標(biāo)畫出的圖像應(yīng)是下列選項(xiàng)中的________.針對訓(xùn)練1.利用如圖裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)。（1）為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點(diǎn)間的____________。A．動能變化量與勢能變化量

B．速度變化量與勢能變化量

C．速度變化量與高度變化量（2）實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到如圖所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)、、，測得它們到起始點(diǎn)的距離分別為、、。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為。設(shè)重物的質(zhì)量為。從打點(diǎn)到打點(diǎn)的過程中，重物的重力勢能變化量_________，動能變化量_________。（3）某同學(xué)用重錘在OC段的運(yùn)動來驗(yàn)證機(jī)械能守恒，OC距離用h來表示，他用vC=2ghc來計(jì)算與C點(diǎn)對應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度，得到動能的增加量，這種做法______（填“正確”或“（4）某同學(xué)想用下述方法研究機(jī)械能是否守恒，在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測量它們到起始點(diǎn)的距離，計(jì)算對應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度，描繪圖像，并做如下判斷：若圖像是一條過原點(diǎn)的直線，則重物下落過程中機(jī)械能守恒，請你分析論證該同學(xué)的判斷是否正確_____。（5）某同學(xué)想利用該實(shí)驗(yàn)裝置測定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。他打出了一條紙帶后，利用紙帶測量出了各計(jì)數(shù)點(diǎn)到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn)的距離，算出了各計(jì)數(shù)點(diǎn)對應(yīng)的速度，以為橫軸，以為縱軸畫出了如圖所示的圖象。由于圖象沒有過原點(diǎn)，他又檢查了幾遍，發(fā)現(xiàn)測量和計(jì)算都沒問題，原因是先釋放了重物，后接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源。乙同學(xué)測出該圖線的斜率為，如果不計(jì)一切阻力，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萠_________（選填“”、“”或“”）。規(guī)律總結(jié)（知識提煉，濃縮精華）數(shù)據(jù)處理方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn).選擇開始的兩點(diǎn)間距接近2mm的一條紙帶，打的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghn＝eq\f(1,2)mvn2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證.方法二：任取兩點(diǎn)A、B.如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，則機(jī)械守恒定律得到驗(yàn)證.方法三：圖像法(如圖所示).若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.（2）誤差分析：無論做多少次舒顏，重物減少的重力勢能總是略大于重錘增加的動能，這主要是由重物和紙帶運(yùn)動中的空氣阻力及紙帶與限位孔之間的摩擦力引起的系統(tǒng)誤差.（3）注意事項(xiàng)：①打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝時(shí)，要使兩限位孔的中線在同一豎直線上②應(yīng)選用質(zhì)量大而體積小的重物，可使空氣阻力的影響相對減小.③實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.④本實(shí)驗(yàn)中的幾種驗(yàn)證方法均不需要測重物的質(zhì)量m.⑤速度不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)計(jì)算，應(yīng)根據(jù)紙帶上測得的數(shù)據(jù)，利用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)計(jì)算瞬時(shí)速度.⑥紙帶上第1、2兩點(diǎn)間距應(yīng)接近2mm探究點(diǎn)二：研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能例2.某實(shí)驗(yàn)小組在實(shí)驗(yàn)室中利用傾角為的氣墊導(dǎo)軌和兩光電門計(jì)時(shí)器和驗(yàn)證滑塊在氣墊導(dǎo)軌上自由下滑過程中機(jī)械能守恒。已知遮光條的寬度為，先后通過、光電門的時(shí)間分別為、。（已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹椋?）本實(shí)驗(yàn)中還需要測量的物理量有___________（填字母序號）。A．滑塊質(zhì)量B．光電門和的距離C．滑塊釋放點(diǎn)的高度D．遮光條的高度（2）驗(yàn)證本過程機(jī)械能守恒的原理表達(dá)式___________（用已知量和需要測量的量表示）。（3）將滑塊從不同位置釋放，再次測出滑塊通過光電門1和光電門2的速度和。以L為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，把所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)，得到一條斜率為__________，截距為________的圖線，說明機(jī)械能守恒。（4）下列操作中可以減小實(shí)驗(yàn)誤差的是___________（填字母序號）。A．增加遮光條的寬度B．把金屬滑塊換成木質(zhì)滑塊C．減小遮光條的寬度D．增加兩光電門之間距離針對訓(xùn)練2.現(xiàn)利用如圖所示裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”.圖中AB是固定的光滑斜面，斜面的傾角為30°，1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，與它們連接的光電計(jì)時(shí)器都沒有畫出.讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為5.00×10－2s、2.00×10－2s.已知滑塊質(zhì)量為2.00kg，滑塊沿斜面方向的長度為5.00cm，光電門1和2之間的距離為0.54m，g取9.80m/s2，取滑塊經(jīng)過光電門時(shí)的速度為其平均速度.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(1)滑塊通過光電門1時(shí)的速度v1＝________m/s，通過光電門2時(shí)的速度v2＝________m/s.(2)滑塊通過光電門1、2之間的動能增加量為______J，重力勢能的減少量為________J.(3)實(shí)驗(yàn)可以得出的結(jié)論：____________________________.例3.某同學(xué)用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。在氣墊導(dǎo)軌某刻度處安裝了一個(gè)光電門，滑塊上固定一寬度為d的遮光條，滑塊用細(xì)線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與鉤碼連接。用天平分別稱出滑塊及遮光條的總質(zhì)量為M，鉤碼的質(zhì)量為m。（1）關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的條件及操作，不必要的一項(xiàng)是______（請?zhí)顚戇x項(xiàng)前對應(yīng)的字母序號）。A．實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平狀態(tài)B．滑塊釋放的位置與光電門間的距離適當(dāng)大些C．實(shí)驗(yàn)中選用輕質(zhì)不易拉長的細(xì)線連接滑塊和鉤碼。D．應(yīng)使滑塊及遮光條的總質(zhì)量M遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量m（2）在某次實(shí)驗(yàn)操作中，滑塊在氣墊導(dǎo)軌某位置由靜止釋放時(shí)，測得遮光條中心與光電門中心之間的距離為L，遮光條通過光電門的時(shí)間為t，此過程中滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減少量為______，動能的增加量為______，若兩者近似相等，則說明___________。（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)保持滑塊及遮光條的總質(zhì)量M、鉤碼質(zhì)量m均不變，改變滑塊在氣墊導(dǎo)軌上由靜止釋放的位置，測出對應(yīng)的遮光條與光電門中心之間的距離L和遮光條通過光電門的時(shí)間t，通過描點(diǎn)作出圖像如圖乙所示，已知圖乙中直線的斜率為k，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣瓤梢员硎緸開_____（用題目中給定的字母表示）。針對訓(xùn)練3.用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖2給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，所用電源的頻率為50Hz，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖2所示。已知m1＝50g、m2＝150g，則：（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5＝______m/s；(2)在打下第0點(diǎn)到打下第5點(diǎn)的過程中系統(tǒng)動能的增量ΔEk＝____J，系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp＝______J；（取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝10m/s2）(3)若某同學(xué)作出v2－h(huán)圖象如圖3所示，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝________m/s2。探究點(diǎn)三：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)例4.為了驗(yàn)證小球在豎直平面內(nèi)擺動過程的機(jī)械能是否守恒，利用如圖（a）裝置，不可伸長的輕繩一端系住一小球，另一端連接力傳感器，小球質(zhì)量為m，球心到懸掛點(diǎn)的距離為L，小球釋放的位置到最低點(diǎn)的高度差為h，實(shí)驗(yàn)記錄輕繩拉力大小隨時(shí)間的變化如圖（b），其中Fm是實(shí)驗(yàn)中測得的最大拉力值，重力加速度為g，請回答以下問題：(1)小球第一次運(yùn)動至最低點(diǎn)的過程，重力勢能的減少量△Ep=___________，動能的增加量△Ek=___________。（均用題中所給字母表示）(2)觀察圖（b）中拉力峰值隨時(shí)間變化規(guī)律，試分析造成這一結(jié)果的主要原因：___________。(3)為減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)選用密度___________（選填“較大”或“較小”）的小球。例5.某同學(xué)利用頻閃照片驗(yàn)證小鐵球豎直上拋過程中機(jī)械能守恒．已知頻閃儀每隔0.05s閃光一次，通過對頻閃照片的測量與分析已得到照片中小鐵球各位置間實(shí)際距離并已標(biāo)出．已知小鐵球質(zhì)量為0.1kg，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.8m/s2。（計(jì)算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字）（1）由頻閃照片上的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出t2時(shí)刻小球的速度v2=______m/s；t6時(shí)刻小球的速度v6=______m/s。（2）從t2到t6時(shí)間內(nèi)，小鐵球重力勢能的增加量△Ep=_______J,動能的減少量△Ek=_____J。（3）在誤差允許的范圍內(nèi)，若△Ep與△Ek近似相等，則可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．由上述數(shù)據(jù)可得△Ep______（填“＞”：＜或“=”）△Ek，造成這種結(jié)果的主要原因是________。例6.某同學(xué)利用圖所示裝置“驗(yàn)證小球擺動過程中機(jī)械能守恒”，實(shí)驗(yàn)中小球擺到最低點(diǎn)時(shí)恰好與桌面接觸但沒有彈力，D處(箭頭所指處)放一鋒利的刀片，細(xì)線到達(dá)豎直位置時(shí)能被割斷，小球做平拋運(yùn)動落到地面，P是一刻度尺.該同學(xué)方案的優(yōu)點(diǎn)是只需利用刻度尺測量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平拋運(yùn)動的水平位移x即可.(1)測量A位置到桌面的高度H應(yīng)從________(填“球的上邊沿”“球心”或“球的下邊沿”)開始測.(2)實(shí)驗(yàn)中多次改變H值并測量與之對應(yīng)的x值，利用作圖像的方法去驗(yàn)證.為了直觀地表述H和x的關(guān)系(圖線為直線)，若用橫軸表示H，則縱軸應(yīng)表示________.(填“x”“x2”或“eq\r(x)”)(3)若小球下擺過程中機(jī)械能守恒，則h、H和x的關(guān)系為H＝________.例7.為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)利用透明直尺和光電計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，如圖所示.當(dāng)有不透光物體從光電門間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示物體