一. 教学内容：第九节实验：验证机械能守恒定律第十节能量守恒定律与能源二. 知识要点：1. 会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。

掌握验证机械能守恒定律的实验原理。

通过用纸带与打点计时器来验证机械能守恒定律，体验验证过程和物理学的研究方法。

培养学生的观察和实践能力，培养学生实事求是的科学态度。

2. 理解能量守恒定律，知道能源和能量耗散。

通过对生活中能量转化的实例分析，理解能量守恒定律的确切含义。

三. 重难点解析：1. 实验：验证机械能守恒定律实验目的：验证机械能守恒定律。

实验原理：通过实验，分别求做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量。

若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律：△EP=△EK实验器材打点计时器及电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线。

实验步骤：（1）如图所示装置，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器。

（2）用手握着纸带，让重物静止地靠近打点计时器的地方，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列小点。

（3）从打出的几条纸带中挑选第一、二点间的距离接近2mm且点迹清晰的纸带进行测量，记下第一个点的位置O，并在纸带上从任意点开始依次选取几个计数点1、2、3、4…，并量出各点到O点的距离h1、h2、h3…，计算相应的重力势能减少量，mgh。

如图所示。

（4）依步骤（3）所测的各计数点到O点的距离hl、h2、h3…，根据公式vn=计算物体在打下点l、2…时的即时速度v1、v2…。

计算相应的动能（5）比较实验结论：在重力作用下，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总的机械能守恒。

选取纸带的原则：（1）点迹清晰。

（2）所打点呈一条直线。

（3）第1、2点间距接近2mm。

本实验应注意的几个问题：（1）安装打点计时器时，必须使两个纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力；（2）实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动。

待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证第一点是一个清晰的点；（3）打点计时器必须接50Hz的4V?D6V的交流电；（4）选用纸带时应尽量挑选第一、二点间距接近2mm的点迹清晰且各点呈一条直线的纸带；（5）测量高度h时，应从起始点算起，为了减小h的相对误差，选取的计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可以是6?D8。

（6）因为是通过比较一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量。

如：运动的物体可以推动与其接触的另一个物体一起向前运动，对被推动的物体做功，说明运动的物体具有能量。

又如流动的河水、被举高的重物、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此都具有能量。

能量有各种不同的形式：运动的物体具有动能；被举高的重物具有重力势能；发生弹性形变的物体具有弹性势能；由大量粒子构成的系统具有内能。

另外自然界中还存在如化学能、电能、光能、太阳能、风能、潮汐能、原子能等等不同形式的能。

不同的能与物体的不同运动形式相对应。

如机械能对应机械运动；内能与大量微观粒子的热运动相对应。

能量的转化：各种不同形式的能可以互相转化，在转化过程中总量保持不变。

也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加，且减少量一定等于增加量；当某种形式的能量减少时，一定存在其他形式的能量增加，且减少量一定等于增加量。

功是能量转化的量度不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。

做功的过程就是各种形式的能量之间转化（或转移）的过程。

且做了多少功，就有多少能量发生转化（或转移），因此，功是能量转化的量度。

常见力做功与能量转化的对应关系如下：重力做功：重力势能与其他能相互转化；弹力做功：弹性势能与其他能相互转化；电场力做功：电势能与其他能相互转化；安培力做功：电能与机械能等其他形式的能相互转化等等。

3. 能量守恒定律能量既不会消灭，也不会创生，只会从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，转化或者转移过程中总量不变，这个规律叫做能量守恒定律。

表达式 E初=E末；E增=E减说明：① 该定律是贯穿整个物理学的基本规律之一，是学习物理学的一条主线。

② 要分清系统中有多少种形式的能，发生了哪些转化和转移。

③ 滑动摩擦力与相对距离的乘积在数值上等于系统产生的内能，即Q=注意：① 某种形式的能量减少必然有另一种形式的能量增加，增加量与减少量相等。

② 某个物体能量减少必然有另一个物体的能量增加，增加量与减少量相等。

这也是我们列能量守恒表达式时的两条基本思路。

能源和能量耗散（1）能源是人类社会活动的物质基础。

人类利用能源大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。

（2）能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会自动聚集起来供人类重新利用；电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们也无法把这些内能收集起来重新利用。

这种现象叫做能量的耗散。

能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了。

这是能源危机更深层次的含意，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。

【典型例题[例1] 用如图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，输出电压为6 V的交流电和直流电两种。

重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。

（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：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端上C. 用天平测量出重锤的质量D. 释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带E. 测量打出的纸带上某些点之间的距离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指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并说明其原因。

（2）利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值，如图所示。

根据打出的纸带，选取纸带上打出的连接五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始点O的距离为，点A、C间的距离为s1，点C、E间的距离为s2，使用交流电的频率为f，则根据这些条件计算重锤下落的加速度a的表达式为：a= 。

（3）在验证机械能守恒定律的实验中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤动能的增加，其原因主要是因为在重锤下落过程中存在着阻力的作用，可以通过该实验装置测定该阻力的大小。

若已知当地重力加速度公认的较准确的值为g，还需要测量的物理量是。

试用这些物理量和纸带上的测量数据表示出重锤下落的过程中受到的平均阻力大小为F= 。

解析：（1）步骤B是错误的，应该接到电源的交流输出端。

步骤D是错误的，应该先接通电源，待打点稳定后再释放纸带。

步骤C不必要，因为根据测量原理，重锤的动能和势能中都包含了质量m，可以约去。

（2）根据匀变速直线运动规律△s=aT2，有a===（3）根据牛顿第二定律有mg－F=ma，得F=mg－ma=m[g－]故需要测量的物理量为重锤的质量m。

[例2] 实验室为你准备了下列主要的实验器材：a. 带孔的金属小球；b. 光电门和光电计时器。

试设计一个实验，验证机械能守恒定律要求：① 说明实验方法和原理以及还需要的测量工具和器材。

② 说明实验的步骤和测量的物理量。

③ 说明数据的处理和验证的具体方法。

④ 说明误差产生的原因和消除的方法。

解析：（1）用细线拴一小球，让其从某一高度由静止释放，小球在向下摆动的过程中，线的拉力与球运动方向垂直，不做功。

因小球运动的速度不太大，空气阻力可以忽略，所以小球在下摆的过程中认为机械能守恒，设小球的质量为m，用直尺测出某过程小球下落的高度，用光电门和光电计时器测出小球通过最低点时的速度，便可验证球下摆的过程机械能是否守恒。

还需要的器材有：细线、刻度尺、铁架台、卡尺等。

实验装置如图所示。

（2）实验步骤：① 用长约1 m的细线将金属球悬挂在铁架台的支架上，测量出悬点到球心的距离L，并用卡尺测出小球的直径d；② 将光电门安装在悬点正下方小球恰好经过的位置，并将光电门与光电计时器相连接；③ 在小球的释放点立一长直尺，记录小球释放点的高度h；④ 将小球由静止释放，记录小球在最低点处穿过光电门用的时间△t；⑤ 改变小球释放的高度，重复上述实验，测出几组数据。

（3）产生误差的主要原因是：小球释放点高度的测量和摆线长度的测量不准而导致小球下落的高度差△h测量不准。

改进的方法是设置一个竖直的平面，记录悬点的位置和过悬点的竖直线，让小球在竖直平面内运动，这样便于记录小球的释放位置和下落高度。

（4）数据的处理方法是：① 测出由悬点到小球释放点的高度h，算出小球下落高度Δh=L－h和小球重力势能的变化△Ep=mg（L－h）。

② 由小球的直径d和小球通过光电门的时间算出小球在最低点时的速度v和相应动能增量△Ek=比较△Ek和△Ep的大小，便可验证此过程机械能是否守恒。

点评：本题旨在考查学生根据实验目的和器材构思实验方案的能力，考查学生实验操作的技能和减小测量误差的能力。

[例3] 如图所示，传送带保持v=4m/s的速度水平匀速运动，将质量为l kg的物块无初速地放在A端，若物块与皮带间动摩擦因数为0.2，A、B两端相距6m，则物块从A到B的过程中，皮带摩擦力对物块所做的功为多少？产生的摩擦热又是多少?（g=10m／s2）解析：木块与皮带间的摩擦力Ff=μmg=2N，木块滑动的加速度为a，则由牛顿第二定律得Ff=ma，∴ a=2m/s2。

设木块位移为s时速度达到4m／s则由v2=2as1，得s1=4m相对位移s相=v?－sl=4m产生的焦耳热Q热=mgμs相=8J[例4] 风能和水能是以下哪一种能的间接形式（）A. 核能B. 电能C. 太阳能D. 地热能答案：C[例5] 太阳能的储存一直是个难题。

科学家发现，盐水湖被太阳晒久了，湖底的温度会越来越高，并难以通过湖水的对流将热散发出去，而淡水湖不具备这一特点。

根据这一特点，可以利用盐水湖来储存太阳能。

你能分析这是为什么吗？你能根据这一规律设计出一种储存太阳能的具体方案吗?（提示：盐水湖中含盐量高的湖水密度大，总是留在湖底不会上浮）解析：在含盐量高的湖水的表面吸收了太阳能之后，部分水分被蒸发，使湖水表面水层含盐量变大且温度也随之升高。

由于含盐量高的湖水密度大，所以这部分密度大、温度高的表层湖水就会在重力作用下下沉，将所吸收的部分太阳能带到湖底，使湖底温度越来越高。

由于湖底盐水密度大于上部湖水密度，因此湖底的盐水不会再向上运动而将热量散失，这就使得太阳能得到储存。

建造一个具有一定深度的浓度足够高的盐水池，使其具有很好的保温性能，并且在水池底部安装热传导装置，就可以实现利用盐水储存太阳能并且利用这部分储存的太阳能为生产生活服务。