2021高一物理-4.5.2-實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律-學(xué)案(教科版必修2)

第2課時(shí)試驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律[導(dǎo)學(xué)目標(biāo)]1.要明確選取紙帶及測(cè)量瞬時(shí)速度的簡(jiǎn)潔而精確?????的方法.2.通過(guò)親自操作和實(shí)際觀測(cè)把握試驗(yàn)的方法與技巧.3.通過(guò)對(duì)紙帶的處理過(guò)程，體會(huì)處理問(wèn)題的方法，領(lǐng)悟如何間接測(cè)一些不能直接測(cè)量的物理量的方法．1．機(jī)械能守恒定律的條件是什么？________________________________________________________________________2．回顧以前學(xué)過(guò)的運(yùn)動(dòng)，哪種運(yùn)動(dòng)形式符合驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的條件？________________________________________________________________________3．如何利用紙帶求解瞬時(shí)速度？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________一、試驗(yàn)原理及試驗(yàn)過(guò)程1．試驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定律．2．試驗(yàn)原理做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體下落的高度為h時(shí)速度為v，則物體的重力勢(shì)能削減量為mgh，動(dòng)能增加量為eq\f(1,2)mv2，假如mgh＝eq\f(1,2)mv2，即gh＝eq\f(1,2)v2，就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．3．試驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重錘(帶紙帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓溝通電源(4～6V)．4．試驗(yàn)步驟(1)安裝：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上；用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與低壓溝通電源相連接．(2)接電源，打紙帶：把紙帶的一端在重物上用夾子固定好，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器四周，接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后松開(kāi)紙帶，讓重物自由下落．重復(fù)幾次，打下3～5條紙帶．(3)選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清楚的．選擇紙帶上第一個(gè)點(diǎn)及距離第一個(gè)點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，并依次標(biāo)上0,1,2,3….(4)數(shù)據(jù)測(cè)量：測(cè)出0到點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3…的距離，即為對(duì)應(yīng)的下落高度h1、h2、h3….[問(wèn)題延長(zhǎng)]在本試驗(yàn)操作的具體過(guò)程中會(huì)遇到哪些問(wèn)題？通過(guò)該問(wèn)題的設(shè)置，同學(xué)對(duì)試驗(yàn)中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行猜想，并提出相應(yīng)的解決方法．(1)重物下落的過(guò)程中除受重力外，還受到哪些阻力？怎樣減小這些阻力對(duì)試驗(yàn)的影響？(2)重物下落時(shí)最好選擇哪兩個(gè)位置作為過(guò)程的開(kāi)頭和結(jié)束的位置？(3)本試驗(yàn)中用的重錘，質(zhì)量大一些好還是小一些好？為什么？(4)質(zhì)量是否為本試驗(yàn)必需測(cè)量的量？例1用自由落體驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，就是看eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)是否等于mghn(n為計(jì)時(shí)點(diǎn)的編號(hào)0、1、2…n…)．下列說(shuō)法中正確的是()A．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打第一個(gè)點(diǎn)0時(shí)，物體的速度為零B．hn是計(jì)時(shí)點(diǎn)n到起始點(diǎn)0的距離C．必需要測(cè)量重物的質(zhì)量D．用vn＝gtn計(jì)算vn時(shí)，tn＝(n－1)T(T為打點(diǎn)周期)例2某同學(xué)為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律編排了如下試驗(yàn)步驟：A．用天平稱出重物的質(zhì)量B．把紙帶固定到重物上，并把紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，提升到確定高度C．拆掉導(dǎo)線，整理儀器D．?dāng)嚅_(kāi)電源，調(diào)整紙帶，重做兩次E．用秒表測(cè)出重物下落的時(shí)間F．用毫米刻度尺測(cè)出計(jì)數(shù)點(diǎn)與起點(diǎn)的距離，記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算出結(jié)果，得出結(jié)論G．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到低壓溝通電源上H．接通電源，釋放紙帶I．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到低壓直流電源上J．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定到桌邊的鐵架臺(tái)上上述試驗(yàn)步驟中錯(cuò)誤的是____________，可有可無(wú)的是____________，其余正確且必要的步驟按試驗(yàn)操作挨次排列是____________．(均只需填步驟的代號(hào))二、數(shù)據(jù)處理、誤差分析和留意的問(wèn)題1．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)利用公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2t)，計(jì)算出點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3…的瞬時(shí)速度v1、v2、v3….(2)要驗(yàn)證的是eq\f(1,2)mv2＝mgh或eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝mgΔh，只需驗(yàn)證eq\f(1,2)v2＝gh或eq\f(1,2)veq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,1)＝gΔh，因此不需要測(cè)量重物的質(zhì)量m.驗(yàn)證：通過(guò)計(jì)算，在誤差允許的范圍之內(nèi)驗(yàn)證eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)與ghn是否相等或eq\f(1,2)veq\o\al(2,m)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)與ghmn是否相等．2．誤差分析(1)本試驗(yàn)的誤差主要是由于紙帶測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差．(2)測(cè)量時(shí)實(shí)行多次測(cè)量求平均值來(lái)減小偶然誤差，安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些，體積盡量小些的重物來(lái)減小系統(tǒng)誤差．3．試驗(yàn)留意事項(xiàng)(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減?。?3)試驗(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(kāi)紙帶讓重物下落．(4)本試驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)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)依據(jù)紙帶上測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算瞬時(shí)速度．例3(1)從下列器材中選出做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律試驗(yàn)時(shí)所必需的器材，其編號(hào)為_(kāi)_______．A．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(包括紙帶)B．重物C．天平D．毫米刻度尺E．秒表F．運(yùn)動(dòng)小車(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的安裝放置要求為_(kāi)_______；開(kāi)頭打點(diǎn)計(jì)時(shí)的時(shí)候，應(yīng)先________，然后________．(3)試驗(yàn)中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的緣由主要是________________，使重物獲得的動(dòng)能往往________．為減小誤差，懸掛在紙帶下的重物應(yīng)選擇________．(4)假如以v2/2為縱軸，以h為橫軸，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2/2－h(huán)圖線是________，該線的斜率等于________．例4在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的試驗(yàn)中，某同學(xué)試驗(yàn)時(shí)，手總是抖動(dòng)，找不出一條起始點(diǎn)跡清楚的紙帶，該同學(xué)便選取一段紙帶進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示，A、B、C、D、E、F都是以2個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)為1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果是AB＝4.53cm，AC＝10.58cm，AD＝18.17cm，AE＝27.29cm，AF＝37.94圖1(1)若重錘質(zhì)量為m，從B到E重力勢(shì)能削減了多少？(2)從B到E動(dòng)能增加了多少？(3)試對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析．第2課時(shí)試驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課前預(yù)備區(qū)1．機(jī)械能守恒定律的條件是：物體系統(tǒng)內(nèi)只有重力或彈力做功．2．自由落體運(yùn)動(dòng)只受重力，符合驗(yàn)證條件．3．如圖所示，由于紙帶做勻加速運(yùn)動(dòng)，故有A、C之間的平均速度：eq\x\to(v)AC＝eq\f(vA＋vC,2)依據(jù)速度公式有：vB＝vA＋aΔt，vC＝vB＋aΔt故有：vB－vA＝vC－vB即vB＝eq\f(vA＋vC,2)從而vB＝eq\x\to(v)AC.課堂活動(dòng)區(qū)核心學(xué)問(wèn)探究一、[問(wèn)題延長(zhǎng)](1)重物下落的過(guò)程中，除受重力外，還要受空氣阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的摩擦力．安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)留意保持豎直，重物要選擇質(zhì)量大一些的．(2)為減小測(cè)量高度h值的相對(duì)誤差，選取的各計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)遠(yuǎn)一些．要從起始點(diǎn)開(kāi)頭測(cè)量出h1、h2，再求出Δh＝h2－h(huán)1.(3)重錘應(yīng)當(dāng)選擇質(zhì)量大一些、體積小一些的，可以有效地減小空氣阻力的影響．(4)質(zhì)量并非必需測(cè)量的量，在需要計(jì)算具體的能量數(shù)值時(shí)才需要測(cè)量．例1AB[本試驗(yàn)的原理就是利用重物的自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．因此打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的第一個(gè)點(diǎn)，重物運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)為零．hn與vn分別表示打第n個(gè)點(diǎn)時(shí)重物下落的高度和對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度．本試驗(yàn)中，不需要測(cè)量重物的質(zhì)量．由于公式mgh＝eq\f(1,2)mv2的兩邊都有m，故只要gh＝eq\f(1,2)v2成立，mgh＝eq\f(1,2)mv2就成立，機(jī)械能守恒定律也就被驗(yàn)證了．]例2E、IAJGBHDCF解析對(duì)于物理試驗(yàn)，把握試驗(yàn)原理和操作方法是最基本的要求．只有把握了試驗(yàn)原理，才能推斷出試驗(yàn)步驟中哪些是錯(cuò)誤的，哪些是必要的；只有親自動(dòng)手進(jìn)行認(rèn)真的操作，才能正確地對(duì)試驗(yàn)步驟按序排列．上述試驗(yàn)步驟中錯(cuò)誤的是E和I，由于試驗(yàn)中不需要測(cè)定時(shí)間，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用低壓溝通電源．可有可無(wú)的試驗(yàn)步驟是A.其余正確且必要的步驟按試驗(yàn)操作挨次排列是：JGBHDCF.二、例3(1)ABD(2)底板要豎直接通電源放下重物(3)紙帶通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)受到摩擦阻力小于它所削減的重力勢(shì)能質(zhì)量大一些的(4)通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線重力加速度解析(1)選出的器材有：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(包括紙帶)、重物、毫米刻度尺，編號(hào)分別為A、B、D.留意因mgh＝eq\f(1,2)mv2，故m可約去，不需要用天平．(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝時(shí)，底板要豎直，這樣才能使重物在自由落下時(shí)，受到的阻力較?。_(kāi)頭記錄時(shí)，應(yīng)先給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電打點(diǎn)，然后再放下重物，讓它帶著紙帶一同落下．(3)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要緣由是紙帶通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)受到摩擦阻力，使重物獲得的動(dòng)能小于它所削減的重力勢(shì)能．為減小誤差，重物的質(zhì)量應(yīng)選大一些的．(4)描繪出來(lái)的eq\f(v2,2)－h(huán)圖線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線，它的斜率即為重力加速度．例4見(jiàn)解析解析(1)由ΔEp＝mgΔh＝mg·BE＝m×9.8×(27.29－4.53)×10－2m2/s2≈2.23mm2(2)由勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，有vB＝eq\x\to(v)AC＝eq\f(AC,2t)＝eq\f(10.58×10－2,2×0.04)m/s≈1.32m/s，vE＝eq\x\to(v)DF＝eq\f(DF,2t)＝eq\f(37.94－18.17×10－2,2×0.04)≈2.47m/s，又依據(jù)Ek＝eq\f(1,2)mv2有EkB＝eq