《實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》導(dǎo)學(xué)案

課時(shí)7.9實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1.理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路,明確實(shí)驗(yàn)中需要直接測(cè)量的物理量。2.知道實(shí)驗(yàn)中選取測(cè)量點(diǎn)的有關(guān)要求,會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶測(cè)定物體下落的距離,掌握測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度的方法。3.能正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。4.能定性地分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因,并會(huì)采用相應(yīng)的措施減小實(shí)驗(yàn)誤差。1.必須選擇一個(gè)符合機(jī)械能守恒的運(yùn)動(dòng)模型來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,本實(shí)驗(yàn)選擇自由落體運(yùn)動(dòng)模型來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,是因?yàn)槲矬w在自由落體運(yùn)動(dòng)過程中只有①做功,滿足②。2.按照教材要求,本實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證自由落體軌跡上開始點(diǎn)和其后任意點(diǎn)之間的機(jī)械能守恒,為此必須選擇物體初速度為③的點(diǎn)。為了計(jì)算物體減少的重力勢(shì)能,必須測(cè)量出物體④,對(duì)應(yīng)的測(cè)量器材是⑤。為了計(jì)算出某時(shí)刻物體的動(dòng)能,必須測(cè)量出物體在該時(shí)刻的瞬時(shí)速度,其計(jì)算公式為⑥。為了計(jì)算物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能,按理還需要知道物體的質(zhì)量,但本實(shí)驗(yàn)中可以不測(cè)物體的質(zhì)量,原因是⑦。

3.實(shí)驗(yàn)操作過程中,是先接通電源開始打點(diǎn)還是先放開紙帶?⑧。4.為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,應(yīng)盡量減小重物下落時(shí)紙帶所受的阻力。因此重錘應(yīng)選⑨(填“重”或“輕”)的,紙帶應(yīng)⑩放置。盡管采取了上述措施,但由于阻力還是存在的,所以實(shí)驗(yàn)中重力勢(shì)能的減少量應(yīng)動(dòng)能的增加量,這樣才是符合實(shí)際的。

主題1:實(shí)驗(yàn)方案問題:閱讀教材“實(shí)驗(yàn)方法”部分內(nèi)容,完成下列問題。(1)本實(shí)驗(yàn)需要哪些實(shí)驗(yàn)器材?(2)簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟。(3)本實(shí)驗(yàn)中要不要測(cè)量物體的質(zhì)量?(4)若驗(yàn)證12mv2=mgh,在紙帶上選點(diǎn)有什么要求?若驗(yàn)證12mv22-12mv1(5)利用如圖所示的紙帶及其上面的信息,能夠求出哪個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度?其速度表達(dá)式是怎樣的?主題2:對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的分析以及注意事項(xiàng)問題:圖示是某小組在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中選出的一條紙帶,其中O點(diǎn)為重錘下落的起點(diǎn),A、B、C為三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通以50Hz交流電,用最小刻度為1mm的刻度尺,測(cè)得OA、OB、OC的數(shù)據(jù)如圖所示。在計(jì)數(shù)點(diǎn)A和B之間、B和C之間還各有一個(gè)點(diǎn),重錘的質(zhì)量為1kg,取g=9.8m/s2。(1)根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打到B點(diǎn)時(shí),重錘的重力勢(shì)能比開始下落時(shí)減小了多少?這時(shí)重錘的動(dòng)能是多少?(2)實(shí)驗(yàn)中重物動(dòng)能的增加量稍小于重力勢(shì)能的減少量,即ΔEk<ΔEp,請(qǐng)你分析實(shí)驗(yàn)誤差的主要來源。1.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,下列物理量中需要用工具測(cè)量的有()。A.重錘的質(zhì)量B.重力加速度C.重錘下落的高度 D.與重錘下落高度對(duì)應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度2.下列關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差的說法中,正確的是()。A.重錘質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會(huì)造成較大誤差B.重錘質(zhì)量選用得大些,有利于減小誤差C.重錘質(zhì)量選用得小些,有利于減小誤差D.驗(yàn)證起始點(diǎn)與其后任意點(diǎn)的機(jī)械能守恒時(shí),若紙帶下落比打點(diǎn)早,會(huì)造成較大誤差3.圖示是用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)得到的一條紙帶,我們選N點(diǎn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。下面舉出一些計(jì)算打N點(diǎn)時(shí)紙帶下落速度的方法,其中正確的是(T為打點(diǎn)周期)()。A.N點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn),則vN=gnTB.N點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn),則vN=g(n-1)TC.vN=xD.vN=d4.某同學(xué)為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn):A.用天平稱出重物的質(zhì)量;B.把紙帶固定到重物上,并把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,提升到一定高度;C.拆掉導(dǎo)線,整理儀器;D.斷開電源,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)器接到低壓交流電源上;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。上述實(shí)驗(yàn)步驟中錯(cuò)誤的是,可有可無的是,其余正確且必要的步驟按實(shí)驗(yàn)操作順序排列是。(均只需填步驟的代號(hào))

拓展一、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理1.某同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí),不慎將已選好的紙帶的前面一部分破壞了,剩下的一段紙帶上各相鄰點(diǎn)間的距離已測(cè)出并標(biāo)在圖上。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50Hz,重力加速度g取9.80m/s2,利用這段紙帶能否驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律?如何驗(yàn)證?拓展二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)甲2.現(xiàn)要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示:水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌,導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊,其總質(zhì)量為M,左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連;遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直;導(dǎo)軌上B點(diǎn)有一光電門,可以測(cè)量遮光片經(jīng)過光電門時(shí)的擋光時(shí)間t,用d表示A點(diǎn)到導(dǎo)軌底端C點(diǎn)的距離,h表示A與C的高度差,b表示遮光片的寬度,s表示A、B兩點(diǎn)間的距離,將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和畫圖。(1)若將滑塊自A點(diǎn)由靜止釋放,則在滑塊A運(yùn)動(dòng)至B的過程中,滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)的重力勢(shì)能的減少量可表示為,動(dòng)能的增加量可表示為。若在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒,1t2與s的關(guān)系式為1(2)多次改變光電門的位置,每次均令滑塊自同一點(diǎn)(A點(diǎn))下滑,測(cè)量相應(yīng)的s與t值,結(jié)果如下表示。12345s/m0.6000.8001.0001.2001.400t/ms8.227.176.445.855.431t2/(×104s1.481.952.412.923.39以s為橫坐標(biāo),1t2為縱坐標(biāo),在圖乙所示的坐標(biāo)紙中描出第1和第5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);根據(jù)這5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)畫直線,求得該直線的斜率k=×104。(乙由測(cè)得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出1t2-s直線的斜率k',將k和k'進(jìn)行比較,若其差值在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)方法答案課時(shí)7.9實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律知識(shí)體系梳理①重力②機(jī)械能守恒③零④下落的高度h⑤毫米刻度尺⑥vn=hn+1-hn-12T⑦驗(yàn)證的式子兩邊均有重物的質(zhì)量m,因而可不具體測(cè)出m的大小,而將m重點(diǎn)難點(diǎn)探究主題1:(1)鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;重錘(帶紙帶夾);紙帶(數(shù)條)、復(fù)寫紙片、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源。(2)實(shí)驗(yàn)步驟如下。①按照教材所示裝置安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;②將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,下端與重物相連;③先接通電源后釋放紙帶;④更換紙帶重復(fù)以上步驟;⑤選擇紙帶處理數(shù)據(jù)。(3)本實(shí)驗(yàn)可以不測(cè)量重物的質(zhì)量。因?yàn)轵?yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式12mv2=mgh和12mvB2-12mvA2=mg(4)驗(yàn)證12mv2=mgh時(shí),需要從重物下落的起始點(diǎn)開始算起,這時(shí)需要挑選第1、2點(diǎn)間距離接近2mm,驗(yàn)證12mv22-12mv12(5)可求出B點(diǎn)的瞬時(shí)速度,即vB=v-AC=主題2:(1)由功的公式可得,打到B點(diǎn)時(shí)重錘重力勢(shì)能減小了ΔEpB=mgOB=1×9.8×17.69×10-2J=1.734J由平均速度的定義可得B點(diǎn)瞬時(shí)速度為vB=(25這時(shí)動(dòng)能為12mvB2=12×1×1.8462J(2)實(shí)驗(yàn)誤差分析:①本實(shí)驗(yàn)中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(如空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器阻力)做功,故動(dòng)能的增加量ΔEk稍小于重力勢(shì)能的減少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,這屬于系統(tǒng)誤差。改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝,盡可能地減小阻力。②本實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)誤差來源于長(zhǎng)度的測(cè)量,屬偶然誤差。減小誤差的辦法是測(cè)下落距離時(shí)都從O點(diǎn)量起,一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測(cè)量完;或者多次測(cè)量取平均值來減小誤差?；A(chǔ)智能檢測(cè)1.C2.BD3.C4.E、IAJ、G、B、H、D、C、F全新視角拓展1.見解析【解析】能利用這段紙帶驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。方法:以重物從3號(hào)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到6號(hào)點(diǎn)為研究過程,物體對(duì)應(yīng)于3、6兩點(diǎn)的速度分別為:v3=x242tv6=x572t重物從3號(hào)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到6號(hào)點(diǎn)動(dòng)能的增加量為:ΔEk=12mv62-12mv32=12m×1.732-12m×1.重物從3號(hào)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到6號(hào)點(diǎn)重力勢(shì)能的減少量為:ΔEp=mgh36=m×9.80×(2.49+2.81+3.26)×10-2≈0.839mJ比較ΔEk和ΔEp可知,重物動(dòng)能的