高中人教版 (2019)5 实验：验证机械能守恒定律学案

这是一份高中人教版 (2019)5 实验：验证机械能守恒定律学案，共5页。学案主要包含了实验目的，实验器材，实验原理与设计，实验过程，思考·讨论，解题探究等内容，欢迎下载使用。

【实验目的】
学会用打点计时器验证机械能守恒定律的实验方法和技能。
【实验器材】
铁架台(含铁夹),打点计时器,学生电源,纸带,复写纸,导线,毫米刻度尺,重物(纸带夹)。
【实验原理与设计】
1.实验的基本思想——验证性实验:
验证在自由落体运动中,物体下落过程减少的重力势能和增加的动能相等。实验原理:
(1)在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能和动能互相转化,但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v,下落高度为h,则重力势能的减少量为mgh,动能的增加量为 mv2,看它们在实验误差允许的范围内是否相等,若相等则验证了机械能守恒定律。
(2)计算打第n个点速度的方法:测出第n个点与相邻前后点间的距离xn和xn+1,由公式vn=_____或vn=_____算出,如图所示:
2.实验设计——两个物理量的测量方法:
(1)高度h的测量
用刻度尺测量物体下落过程的高度h。
(2)速度v的测量
利用匀变速直线运动中某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度,来求某点的瞬时速度。
关键能力·素养形成
【实验过程】
一、实验步骤
1.安装置:按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。
2.打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。
3.选纸带:
(1)用_____=mghn验证时,应选点迹清晰,且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带。若1、2两点间的距离大于2 mm,这是由于先释放纸带、后接通电源造成的。这样纸带上的第1个点就不是运动的起始点了,这样的纸带不能选。
(2)用 _____=mgΔh验证时,由于重力势能的相对性,处理纸带时,选择适当的点为基准点,这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了,所以只要后面的点迹清晰就可选用。
【思考·讨论】
(1)实验过程中应注意哪几个方面的操作安全问题? (科学态度与责任)
提示:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。
(2)使用打点计时器应注意什么?
提示: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。
实验研析·素养迁移
类型一 实验操作
【典例1】某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为6 V的交流电和直流电,交流电的频率为50 Hz。重锤从高处由静止开始下落,重锤拖着的纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律。
(1)他进行了下面几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器件;
B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;
C.用天平测出重锤的质量;
D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;
E.测量纸带上某些点间的距离;
F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。
其中没有必要进行的步骤是__________________,操作不当的步骤是_______________。
(2)这位同学进行正确操作后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示。其中O点为起始点,A、B、C、D、E、F为六个计数点。根据纸带上的测量数据,当打B点时重锤的速度为____________m/s。(保留3位有效数字)
(3)他继续根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、以h为横轴画出图像,应是图丙中的____________。
类型二 数据处理
【典例2】用如图1实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落,m1上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,即可验证机械能守恒定律。图2给出的是实验中获取的一条纸带:0是打下的第一个点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),计数点间的距离如图2所示。已知m1=50 g、m2=150 g,m2下落距离为h,则(结果保留两位有效数字):
(1)在纸带上打下记数点5时的速度v=______m/s。
(2)在0～5过程中系统动能的增量ΔEk=________J,系统势能的减少量ΔEp=_______J(计算时g取10 m/s2)。由此得出的结论是:_____________。
(3)若某同学作出 -h图像如图3,则当地的重力加速度g=____________m/s2。
【解题探究】
(1)如何求计数点5的瞬时速度大小?
提示:根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度,可以求出打下记数点5时的速度大小。