高中物理必修二第8章第5節(jié)實驗：驗證機械能守恒定律教學(xué)設(shè)計

1、21世紀(jì)教育網(wǎng) 精品試卷第 PAGE 2 頁 （共 NUMPAGES 2 頁）人教版高中物理必修2教學(xué)設(shè)計課題 實驗：驗證機械能守恒定律單元8學(xué)科物理年級高一教材分析本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第8章第5節(jié)的內(nèi)容。本課時內(nèi)容是驗證機械能守恒定律，其中核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)處理。本課時是在機械能守恒定律基礎(chǔ)上，進一步研究驗證機械能守恒定律。學(xué)生在掌握機械能守恒定律需要滿足的條件的基礎(chǔ)上，通過對實驗處理，驗證機械能守恒定律。機械能守恒定律在物理學(xué)理論和應(yīng)用方面十分重要，是高中物理的重點內(nèi)容，為今后學(xué)習(xí)動量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用。但這種思想和有關(guān)的概念、規(guī)律，由于

2、其抽象性強，學(xué)生要真正的掌握和靈活運用還是很困難。本節(jié)內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)機械能守恒定律之后，目的是為了使學(xué)生在理論上對機械能守恒定律有所了解的基礎(chǔ)上，通過實驗測量及對實驗數(shù)據(jù)的分析處理，對機械能守恒定律及條件有深刻的認(rèn)識。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一、教學(xué)目標(biāo)1要弄清實驗?zāi)康?，本實驗為驗證性實驗，目的是利用重物的自由下落驗證機械能守恒定律。2要明確實驗原理，掌握實驗的操作方法與技巧、學(xué)會實驗數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進行實驗誤差的分析，深化對機械能守恒定律的理解。3通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及實驗誤差分析的能力。二、核心素養(yǎng)物理觀念：通過同學(xué)們的親自操作和實際觀測掌握實驗的方法與技

3、巧并構(gòu)建能量觀念?？茖W(xué)思維：通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)廈實驗誤差分析的能力?？茖W(xué)探究：通過對紙帶的處理過程培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過實驗及誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生對物理規(guī)律的探知欲。重點1驗證機械能守恒定律的實驗原理。2實驗原理及方法的選擇及掌握。難點實驗誤差分析的方法。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖導(dǎo)入新課知識回顧：機械能守恒定律的內(nèi)容是什么？只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能相互轉(zhuǎn)化時總的機械能保持不變。上節(jié)課我們從理論上學(xué)習(xí)了機械能

4、守恒定律，我們從定律內(nèi)容及守恒條件上初步理解了機械能守恒定律，今天我們通過自己親身實驗從感性上對定律再做進一步的理解。學(xué)生回憶機械能守恒定律的內(nèi)容 溫故而知新為本節(jié)實驗的順利完成作鋪墊講授新課一、實驗思路機械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件。想一想，滿足這一條件的過程有哪些？1.自由落體運動中動能與勢能變化自由落體運動中只有重力做功，滿足機械能守恒的條件。自由落體2.物體沿光滑斜面下滑中動能與勢能變化沿光滑斜面下滑的物體受重力和支持力，但支持力與物體位移方向垂直對物體不做功，這種情況也滿足機械能守恒的條件。3.用細(xì)線懸掛的小球擺動中動能與勢能變化細(xì)線的拉力與

5、小球的運動方向垂直，對物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個過程中只有重力做功，也滿足機械能守恒的條件。以上幾種情況都可以用來驗證機械能守恒定律。二、物理量的測量驗證機械能守恒定律，涉及的物理量有動能和勢能，所以需要測量物體的、以及物體的這三個物理量。答案:質(zhì)量;物體所處位置的高度;運動速度注意：如果實驗要求計算勢能和動能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量；如果只是驗證機械能守恒定律可以不測物體的質(zhì)量。三、數(shù)據(jù)分析根據(jù)選定的實驗方案設(shè)計相應(yīng)的表格記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗中可采用兩種驗證方案來驗證機械能守恒定律。1.計算物體在選定位置上動能與勢能的和是否滿足2.計算重物在某兩點間的動能變化和勢能變化是否

6、滿足本實驗我們提供物體做自由落體運動及沿光滑斜面下滑這兩種方案來驗證機械能守恒定律。實驗一：研究自由下落物體的機械能（一）實驗原理在只有重力做功的自由落體運動中，物體的重力勢能減少，動能增加，如果重力勢能的減少量動能的增加量，就驗證了機械能守恒定律.答案:等于（二）實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(46 V).（三）實驗步驟1.安裝置：將打點計時器固定在鐵架臺上，把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔。2.打紙帶：用手提著紙帶使重物?？吭诖螯c計時器附近。然后先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落。3.更

7、換紙帶，重復(fù)幾次。3.紙帶的處理方法1：利用起點和距起點較遠(yuǎn)的點從打好點的紙帶中挑選點跡清晰紙帶上的第一個點為計時起點0，且開始的兩點間距接近2mm的一條紙帶，在起始點標(biāo)上0，以后任取間隔相同時間的點依次標(biāo)上1、2、3.用刻度尺測出0到1、2、3的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3.m=0.2992kg g=9.8m/s2計數(shù)點nhn/mVn/ms-1mghn10.144020.17901.860.52480.517630.21842.0650.64040.637940.26162.2580.76710.762750.30872. 4350.90520.888760.35902.6351

8、.05261.038770.4141結(jié)論：在實驗誤差允許范圍內(nèi)重力勢能減少量為mghn動能增加量相等即機械能守恒。出示驗證機械能守恒定律視頻。思考：紙帶上的頭兩個點間的距離為什么應(yīng)接近2mm？因為起始點的速度應(yīng)該為零，t=0.02s，g=10m/s2方法2：任取兩點A、B方法2：任取兩點A、B任取兩點A、B，計算重力勢能的減少量mghA-mghA動能增加量 如果在實驗誤差允許范圍內(nèi)則機械能守恒定律得到驗證。4.整理器材，使器材復(fù)位思考討論1：實驗時，其實可以不測量物體的質(zhì)量。想一想，這是為什么？驗證機械能守恒定律實驗，需要驗證：或只需驗證 或 即可因此可以不測量物體的質(zhì)量。思考討論2：速度能不

9、能用v = gt計算？參考答案：這種方法認(rèn)為加速度為g ，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實際加速度必將小于g，這樣將得到機械能增加的結(jié)論，有阻力作用機械能應(yīng)該是減少的，故這種方法也不能用。思考討論3：如何測量物體的瞬時速度?參考答案：自由落體運動是勻變速直線運動，所以可以根據(jù)學(xué)過的勻變速直線運動的規(guī)律來物體的瞬時速度。做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于相鄰兩點間的平均速度。vB vAC平 均=B 點的瞬時速度等于 A、C 點之間的平均速度（四）實驗中需要注意的問題：1. 重物下落過程中，除了重力外會受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響？阻力主要有空氣阻力、紙帶與計時器間的摩擦阻力等

10、。選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小空氣阻力；安裝打點計時器時，必須使兩紙帶限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。2. 重物下落時，最好選擇哪兩個位置作為過程的開始和結(jié)束的位置？開始點選擇紙帶上的起點，且第1、2兩點間的距離應(yīng)接近2mm。終結(jié)點應(yīng)選擇距起點較遠(yuǎn)的點，這樣測是的相對誤差較小。3.實驗時，應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落。4.實驗中要克服阻力做功，所以動能增加量必定稍小于重力勢能減少量。5.本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的質(zhì)量m。（五）誤差分析本實驗的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差，測量時采取多次測量求平均值的方法來減小偶然誤差。重物和紙帶

11、運動中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.實驗中注意安裝打點計時器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小系統(tǒng)誤差。實驗注意事項1.打點計時器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.2.應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力相對減小.3.實驗時，應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.4.本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的質(zhì)量m。例題“驗證機械能守恒定律”的實驗采用重物自由下落的方法。(1)本實驗中，除鐵架臺、夾子、交流電源、紙帶和重物外，還需選用的儀器是

12、_。A.秒表 B.刻度尺 C.天平 D.打點計時器(2)在驗證機械能守恒定律的實驗中，得到一條紙帶如圖2所示，圖中O點為打點計時器打下的第一點，可以看做重物運動的起點，若重物的質(zhì)量為1 kg，已知相鄰兩點時間間隔為0.02 s，圖中長度單位是cm，g取9.8 m/s2，則打點計時器打下B點時，重物的速度VB= _ m/s。從起點O到打下B點的過程中，重物動能的增加量Ek=_ J，重力勢能的減小量EP= _ J，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)動能的增加量略小于重力勢能的減少量，為什么_ 。(以上計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(1)【答案】BD【解析】根據(jù)實驗原理可知，需要計算重物重力勢能的減少量，所以需要刻度尺測量

13、高度，動能的表達(dá)式中需要有重物的速度，所以需要使用打點計時器打點來計算瞬時速度的大小，方程兩邊都有質(zhì)量，所以不需要天平，綜上本題選BD。(2)【答案】0.97，0.47J ，0.48J，重物克服阻力做功【解析】根據(jù)平均速度等于該段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度可得，vB=xAC/2T=(0.0702-0.0313)/0.04 m)/s=0.97 m/s，重物動能的增加量Ek=1/2 mv20.47J；重力勢能的減小量EP=mgh0.48J，實驗過程中，由于有阻力，所以重物減少的重力勢能會有一部分轉(zhuǎn)變成熱量，所以導(dǎo)致動能的增加量略小于重力勢能的減少量。實驗二：研究沿斜面下滑物體的機械能（一）實驗器材氣

14、墊導(dǎo)軌、數(shù)字計時器、滑塊研究沿斜面下滑物體的機械能的實驗裝置思考討論1：為什么利用氣墊導(dǎo)軌可以提高實驗的精確度？參考答案：因為氣墊導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來的壓縮空氣從小孔噴出，使得滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣層，兩者不會直接接觸。這樣，滑塊運動時受到的阻力很小，實驗的精確度能大大提高。思考討論2：你知道數(shù)字計時器是如何計時的嗎？參考答案：計時系統(tǒng)的工作要借助于光源和光敏管（統(tǒng)稱光電門）。光源與光敏管相對，它射出的光使光敏管感光。當(dāng)滑塊經(jīng)過時，其上的遮光條把光遮住，與光敏管相連的電子電路自動記錄遮光時間，通過數(shù)碼屏顯示出來。根據(jù)遮光條的寬度和遮光時間，可以算出滑塊經(jīng)過時的速度。因為這樣的計時

15、系統(tǒng)可以測出 0.001 s 的時間，并且能直接以數(shù)字顯示，所以又叫數(shù)字毫秒計。（二）實驗步驟：1.把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，重力勢能減小，動能增大。2. 用光電門測量滑塊的瞬時速度。測量滑塊下降的高度 h 和初、末速度 v1 、v23.如果在實驗誤差允許范圍內(nèi)則機械能守恒定律得到驗證。課堂練習(xí)1. 在做驗證機械能守恒定律實驗時，發(fā)現(xiàn)重物減少的勢能總是大于重物增加的動能,造成這種現(xiàn)象的主要原因是() A. 選用的重物質(zhì)量過大 B. 空氣對重物的阻力和打點計時器對紙帶的阻力 C.選用的重物質(zhì)量過小 D. 實驗時操作不太仔細(xì),實驗數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確 答案:B2. 某位同學(xué)做“

16、驗證機械能守恒定律”實驗，下列操作步驟中錯誤的是() A. 把電磁打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線連接到低壓交流電源上 B. 將連有重物的紙帶穿過限位孔，將紙帶和重物提升到一定高度 C. 更換紙帶,重復(fù)實驗,根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù) D.先釋放紙帶，再接通電源答案:D3. 驗證動量守恒定律的實驗中，關(guān)于入射小球在斜槽上釋放點的高低對實驗影響，下列說法正確的是 () A. 釋放點越低,小球受阻力越小，入射小球速度越小，誤差越小 B. 釋放點越低,兩球碰后水平位移越小，水平位移測量的相對誤差越小，兩球速度的測量越準(zhǔn)確 C. 釋放點越高，兩球相碰時，相互作用的內(nèi)力越大，碰撞前后動量之差越小,誤差越小 D.

17、釋放點越高，入射小球?qū)Ρ慌鲂∏虻淖饔昧υ酱螅壍缹π∏虻淖枇υ叫?。 答案: C4.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,下列說法正確的是()A.重錘的質(zhì)量相等時,密度大的好B.必須用天平稱出重錘的質(zhì)量，以便計算重錘的重力勢能和動能C.為了減小實驗誤差,重錘的質(zhì)量要適當(dāng)大一些D.重錘下落的瞬時速度可用v=gt求出答案: AC拓展提高1. 驗證機械能守恒定律可以采用研究自由落體運動的方法，也可以采用研究物體從斜面上自由下滑運動的方法，但后者誤差較大，其原因是_。為了減小誤差，提出如下措施：A.減小物體的質(zhì)量 B.增大物體的質(zhì)量 C.減小斜面的傾角 D.增大斜面的傾角 E.用小車代替滑塊 F.給物體一

18、定的初速度合理的措施是：。【答案】摩擦阻力的影響; DE2. 如圖是用自由落體法驗證機械能守恒定律時得到的一條紙帶，有關(guān)尺寸在圖中已注明，我們選中n點來驗證機械能守恒定律，下面舉一些計n點速度的方法,其中正確的是 ()A.n點是第n個點,則vn=gnTB.n點是第n個點,則vn=g(n-1)TC.vn=(xn+xn+1）/2TD.vn=(hn+1- hn- 1)/2T【答案】C3. 用自由落體法驗證機械能守恒定律的實驗中,根據(jù)紙帶算出相關(guān)的速度v,量出下落距離h,則以v22為縱軸,以h為橫軸,畫出的圖像應(yīng)是下圖中的()A. B. C. D. 【答案】C閱讀課文總結(jié)實驗思路閱讀課文掌握驗證機械能守恒定律需要測量的物理量閱讀課文知道驗證機械能守恒定律的方案。學(xué)生掌握實驗原理實驗器材組裝實驗儀器學(xué)生閱讀實驗步驟掌握操作過程并動手進行實驗操作在教師的引導(dǎo)下學(xué)生學(xué)習(xí)怎樣處理數(shù)據(jù)驗證機械能守恒學(xué)生思考討論并回答學(xué)生動手測量數(shù)據(jù)并計算學(xué)生思考討論并回答