2019-2020年高中物理教科版必修2教学案：第四章 实验：验证机械能守恒定律(含解析)

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1、2019-2020年高中物理教科版必修2教学案：第四章实验：验证机械能守恒定律(含解析)一、实验目的1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。2．掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。二、实验原理做自由落体运动的物体，在下落过程中，重力势能减少，动能增加，如果重力势能的减少量等于动能的增加量，就验证了机械能守恒。三、实验器材铁架台(带铁夹)、电火花计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、220V交流电源。四、实验步骤1．安装置：按图1甲把电火花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12．打纸带：在纸带的一端用夹子把重物固

2、定好，另一端穿过计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在计时器附近。先接通电源后放手，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3～5条打好点的纸带。3．选纸带：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……。4．测距离：用刻度尺测出0到1、2、3……的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3……。五、数据处理1．方法一：利用起始点和第n点从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为mvn2，计算ghn和vn2，如果在实验误差允许的范围内ghn＝vn2，则机械能守恒定律得到验

3、证。2．方法二：任取两点A、B从A点到B点，重力势能减少量为mghA－mghB，动能增加量为mvB2－mvA2，计算ghAB和vB2－vA2，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝vB2－vA2，则机械能守恒定律得到验证。3．方法三：图像法计算各计数点v2，以v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2h图线。若在误差许可的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线，如图2所示，则验证了机械能守恒定律。图2六、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计时器的摩擦阻力引起的系统误差。2．测量时采取多次测量求平均值

4、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。七、注意事项1．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＝计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn＝计算瞬时速度。[例1]　在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50Hz，

5、依次打出的点为0,1,2,3，4…n。则：图3(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为__________、____________、__________，必须计算出的物理量为____________、____________，验证的表达式为________________________。(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是________(填写步骤前面的字母)。A．将打点计时器竖直安装在铁架台上B．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸

6、带E．选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落的高度h1，h2，h3…hn，计算出对应的瞬时速度v1，v2，v3…vn。F．分别算出mvn2和mghn，在实验误差范围内看是否相等[解析]　(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度v2和v6，必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第5点到第7点之间的距离h57，机械能守恒的表达式为mgh26＝mv62－mv22。[答案]　(1)第2点到第6点之间的距离h26第1点到第3点之间的距离h13第5点到第7点之间的距离h57第2点的瞬时速度v2　第6

7、点的瞬时速度v6mgh26＝mv62－mv22(2)ADBCEF[例2]　(全国乙卷)某同学用图4(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz。打出纸带的一部分如图(b)所示。图4该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，打出C点时重物下落的速度大小为________，