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1、实验：验证机械能守恒定律（公开课教案）授课时间：2012年6月5日授课人：宋大荣●实验目的和原理该实验的目的是验证物体只有重力做功时，机械能守恒.当物体做自由落体运动时,只有重力做功,增加的动能应等于减少的重力势能,即验证
2、ΔEk
3、=
4、ΔEp
5、.●实验装置及要求实验装置如图6-5-1所示，因实验中要测重锤下落的高度h和下落过程中的速度v,故采用“留迹法”记录下重锤下落过程中的各个位置，打点计时器、纸带等装置作用即在此,因该实验中比较的是重锤自由落下一定高度时的ΔEk和ΔEp的大小关系,因而需要记下重锤下落
6、的初始位置.实验时先用手提着纸带,使重物静止在靠近打点计时器的地方,然后给打点计时器接通电源,待振动稳定时再放开纸带.●数据处理为使实验原理更简单,让振针打第一个计数点的初速度为零，须挑选纸带上第一、二两点间的距离接近2mm,使,在纸带上记下该点的位置O，并在纸带上从离位置O较远处开始依次选取几个连续的点1、2、3……并用刻度尺依次测出各点到位置O的距离.如图所示，这些距离就是重锤从静止开始运动到点1、2、3……时下落的高度h1、h2、h3……利用匀变速直线运动的物体中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均
7、速度求出各点对应的重锤速度，比较重锤下落各不同高度时增加的动能mvn2和减少的重力势能mghn是否相等，从而验证机械能是否守恒.●误差分析因重锤自由下落时忽略阻力作用，所以在实验中应尽量减小由于纸带的阻力产生的系统误差.实验中，应选用密度较大些的重锤以减小空气对纸带的阻力，打点计时器应竖直架稳固定,纸带竖直拿高以减小限位孔对纸带的阻力，复写纸应放在纸带的上面使振针间接接触纸带,以减小振针对纸带的阻力，有条件的最好选用电火花计时器.另外g要取当地的重力加速度，若未指明,则g取9.8m/s2.由于测量长度带来
8、的是偶然误差，减小该误差的办法是在测量下落高度时，一是选取的各计数点要离起始点O远些，可减小由于测物体下落高度h带来的相对误差；二是多测几次取平均值.●注意事项1.由于式中都含有m，因此本实验中不需要测重锤的质量m.2.实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源，让打点计时器工作正常后才松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的小点.3.因重物自由下落时的加速度较大，每两个计数点间的时间间隔不一定取连打5个点的时间间隔为计时单位.●重点、难点、疑点剖析【例1】在“验证机械能守恒定律”的实验中，所用电源的
9、频率为50Hz，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量各计数点对应刻度尺上的读数如图所示.(图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点)根据纸带要求计算：(1)若重锤的质量为m，则重锤从开始下落到打B点时，减少的重力势能是多少?(2)重锤下落到打B点时增加的动能为多大?(3)从上述数据可得出什么结论?解析:(1)重锤从开始下落到打B点时减少的重力势能为：ΔEp减=mgh=mgOB=9.8×0.1950mJ=1.911mJ.(2)重锤下落到打B点时的速度为vB=(S
10、AB+SBC)/2T=(0.2805-0.1250)/(2×0.04)m/s=1.9438m/s则物体从开始下落到打B点增加的动能为ΔEk增=mvB2/2=(1.9438)2m/2J= 1.889mJ.(3)在实验误差允许的范围内重锤重力势能的减少量等于其动能的增加量，故重锤机械能守恒.归纳:重锤减少的重力势能略大于其增加的动能的原因是：重锤在下落时要受到阻力的作用(打点计时器对纸带的摩擦阻力,空气阻力等),重锤克服阻力做功要损失一部分机械能.●变式实验【例2】利用如图6-5-4所示的装置做“验证机械能守
11、恒定律”的实验，按正确的实验操作得到几条纸带.一位同学选取了一条头两点间的距离明显小于2mm的纸带进行标点（标出0、1、2、3……各实际点迹），测出各点与0点的高度差h1、h2、h3……那么能否用它正确计算比较点n位置处的动能与重力势能的对应关系（n＝2,3，4……），即能否验证？为什么？若不能验证，则应如何改进？解析:实验时先接通电源,在纸带上记下初始位置，然后放开纸带.最理想的情况是在振针刚好打在纸带上的一瞬间释放纸带，纸带上的头两点的间隔就是自由落体在第一个0.02s内下落的位移，即，但这种情况很少
12、，通常是在振针两次敲击纸带之间的某个时刻松手，虽重锤做自由落体，但头两点间的距离h1所经历的时间小于0.02s，所以h1＜2mm，即等效为振针打首点的速度不为零，不能验证。故首点不能从第0点开始，如从第3点开始到n点之间的纸带也能验证机械能是否守恒，即只要验证即可.归纳:（1）实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源，让打点计时器工作正常后才松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的小点.挑选第一、二两点间的距离接近2mm
