四川省射洪县射洪中学高中物理《实验：验证机械能守恒定律》教案（2） 新人教版必修2

1、9 实验：验证机械能守恒定律文本式教学设计整体设计 通过上一节的学习，学生对机械能守恒定律及其守恒条件有了明确的认识.本节安排在学习了机械能守恒定律之后，使学生不仅从理论上了解机械能守恒定律，而且通过实际观测从感性上增加了认识，深化学生对机械能守恒定律的理解.在这一实验之前学生多次使用过打点计时器，处理纸带的方法并不陌生，实验操作也比较容易，所以要求学生认真看书，完成实验.课文中重点介绍了瞬时速度测量的另一种方法，要求学生明白道理.在前面的实验中，测速度时都是用两点间的平均速度代表其中某点的瞬时速度，本节证明了“做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与它相邻的两点间的平均速度”.前面没有使用

2、这种方法，目的是使学生更多地通过实验认识瞬时速度，同时也是为了避免盲目追求精确度的倾向. 本节实验采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的写法.给教师在课堂操控上很大的自由空间，应指导学生根据课本的思路，设计相应的探究方法，设计方案，完成实验.在实际教学中应该要求学生写好实验报告，教师一定要评阅或组织学生相互交流.学生自己写实验报告是实验能力的一个方面.尤其是对实验结果可靠性的评估，要求学生不但会动手，更要会动脑.教学重点1.验证机械能守恒定律的实验原理.2.实验原理及方法的选择及掌握.教学难点 实验误差分析的方法.课时安排 1课时三维目标知识与技能1.要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的

3、是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律.2.要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，从而使我们对机械能守恒定律的认识，不止停留在理论的推导上，而且还能够通过亲自操作和实际观测，从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解.3.通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力.过程与方法1.要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法.2.通过同学们的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧.3.通过对纸带的处理过程，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法.4.通过实验过程使学生体验实验中理性思

4、维的重要，既要动手，更要动脑.情感态度与价值观1.通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲.2.培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解.课前准备 自制课件、电火花计时器、重物（质量300g±3 g）及纸带、铁架台、烧瓶夹、电源.教学过程导入新课问题导入 十米跳台跳水是种技术性较强的运动.运动员在跳离平台后笔直飞出，如果不计空气阻力，思考：他在下落的过程中运动特点是怎样的？机械能是否守恒？怎样验证？实验导入 请同学们思考，细绳的下端拴一个重球，上端固定在天花板上.把重球从平衡位置B拉到A，放开手，重球就在A、B间往复运动，如果空气阻

5、力可以忽略不计，把铅笔放在B1的位置上，重球将沿怎样的弧线运动？它上升的最高点C1在什么地方？由此同学们得到什么启示？推进新课 通过上一节课的学习，我们知道机械能守恒定律及其表达式以及其在物理学中的重要地位.一个规律的提出，不但要有理论的支持，还要由实验的验证，今天我们就设计实验，来验证机械能守恒定律.问题：1.机械能守恒定律的条件是什么？2.要验证机械能守恒应该创设什么样的问题情景？3.回顾以前学过的运动，哪种运动形式符合验证机械能守恒定律的条件？学生通过讨论，总结：1.机械能守恒定律的条件是：物体系统只有重力或弹力做功.2.要验证机械能守恒定律，应该符合守恒条件：只有重力或弹力做功.3.自

6、由落体运动只受重力，符合验证条件. 这节课我们通过设计实验，通过探究自由落体过程中能量的变化来验证机械能守恒定律. 指导学生阅读课本内容，找出利用自由落体运动验证机械能守恒定律的方法,培养学生的阅读、总结表达能力.方法总结：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相互转化，总的机械能守恒，验证机械能守恒定律只需验证减少的重力势能等于增加的动能即可.问题探究：让学生分组讨论、交流，要完成本实验，应该测量的量有哪些,如何测量,并提出解决方案.明确：测量物体自由下落过程中减少的势能.方法：测量物体的质量m、下降的高度h，利用重力势能的公式计算Ep=mgh;测量自由落体下降h时的速度v,利

7、用动能的公式计算Ek=mv2/2,利用打点计时器处理纸带的方法来求解速度.方法补充：如何利用纸带求解瞬时速度? 指导学生根据匀变速直线运动的运动学规律，推导瞬时速度的求解方法. 学生通过阅读教材，总结推导过程，教师通过大屏幕投影学生的推导过程： 如图所示，由于纸带做匀加速运动，故有A、C之间的平均速度：.根据速度公式有：vB=vA+at，vC=vB+at，故有：vB-vA=vC-vB，即vB=.从而：vB=.总结：匀变速直线运动中，某点的瞬时速度等于以该点为时间中点的两点间的平均速度.解决方案：利用电火花计时器打出纸带，通过处理纸带，既可以求出物体下降的高度，还可以求出某一瞬时的速度，因此电火

8、花计时器是重要的实验仪器.原理探究：通过实验，求自由落体的重力势能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.而且，因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值，所以不必测量物体的质量m，而只需验证=ghn就行了，如果要具体计算出重力势能或动能的数值就需要天平.总结：指导学生根据实验原理，写出本实验用到的实验器材:电火花计时器（或电磁打点计时器）；重物（质量300 g±3 g）及纸带；铁架台、夹子、烧瓶夹；电源.问题预测:在本实验操作的具体过程中会遇到哪些问题？通过该问题的设置，学生对实验中可能遇到的问题进行预测，并提出相应的解决方法.1.重物下

9、落的过程中除受重力外，还受到哪些阻力？怎样减小这些阻力对实验的影响?2.重物下落时最好选择哪两个位置作为过程的开始和终结的位置?3.本实验中用的重锤，质量大一些好还是小一些好？为什么？4.质量是否为本实验必须测量的量?参考答案：1.重物下落的过程中，除受重力外，还要受空气阻力和打点计时器给纸带的摩擦力.安装打点计时器时注意保持竖直，重物要选择质量大一些的.2.为减小测量高度h值的相对误差，选取的各计数点要离起始点远一些.要从起始点开始测量出h1、h2，再求出h=h2-h1.3.锤应该选择质量大一些，体积小一些的，可以有效地减小空气阻力的影响.4.质量并非必须测量的量，在需要计算具体的能量数值时

10、，需要天平.步骤整理：教师指导学生根据实验原理、各种器材的注意事项，总结归纳实验步骤：(1)如图所示，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器；打点计时器的两根导线接在6伏交流电源上.(2)用手提着纸带，让重物靠近打点计时器静止，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列点.(3)重复几次，从几条打下点的纸带中挑选第一、二点间距离接近2mm且点迹清楚的纸带进行测量，测出一系列计数点,各点到第一个点的距离d1、d2，d3,dn-1,dn,dn+1,据公式vn=，计算物体在打下点1、2时的即时速度v1、v2计算相应的动能的增加值,填入事先设计好的表格.教师点拨：选第1、2点间距约2

11、mm的纸带意味着纸带是在打第一个点的瞬时开始运动的，根据h=gT2/2=9.8×0.022/2 m=1.961 0-3 m2 mm.在起始点标上0，用刻度尺测量纸带从点0到点1、2之间的距离h1、h2计算出相应减少的重力势能,填入事先设计好的表格.处理数据，得出结论.参考数据：各计数点45678910t(s)0.080.100.120.140.160.180.20h×(10-2 m)2.924.626.709.1812.0315.2818.92v=h/t(m/s)0.9451.141.331.531.72Ek=mv2/20.1340.1950.2650.3510.444Ep

12、=mgh0.1360.1970.2700.3540.450实验结论：在误差允许的范围内，物体减少的重力势能等于增加的动能，机械能守恒.学生分组实验，并处理数据，教师利用实物投影仪展示几组数据，并进行点评.师生根据实际实验中的体会，总结实验注意事项：1.打点计时器安装时，必须使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.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再松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的点.3.选用纸带时应尽量挑选第一、二点间接运2 mm的纸带.4.打点计时器必须接50 Hz交流低压电源.5.测量下落高度时，必须从起始点算起，不能搞错，为了减小测量h值

13、的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60 cm80 cm之内.6.实验中，只要验证gh是否等于v2即可，也可不用测重锤的质量.误差分析：教师指导学生观察表格中的数据，减少的重力势能并不是严格地等于增加的动能，而是稍大于增加的动能，让学生思考其中的原因，并总结归纳.原因：重物和纸带下落过程中要克服阻力，包括空气阻力、纸带与限孔位及纸带与计时器之间的摩擦力.由于摩擦力的存在，减少的重力势能并没有全部转化为动能，有一部分转化为内能.计时器平面不在竖直方向，纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原因.电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器.交流电的频率f不是50 H

14、z也带来误差.f50 Hz,使动能EkEp的误差进一步加大，f50 Hz则可能出现EkEp的结果.因此为了实验的精确性，应该严格按照实验步骤进行. 例题在用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中，得到如图所示的一条纸带.起始点O到A、B、C、D、E各点的距离分别hA、hB、hC、hD、hE.如果重物的质量为m，打点计时器所用电源的频率为f，则在打B、D两点时，重物的速度vB=_，vD=_.如果选择起始点的位置为零势能参考点，则在打B、D两点时重物的机械能EB=_，ED=_，若EB_ED，则说明重物在下落过程中机械能守恒.解析：根据纸带上瞬时速度的计算方法，得vB=·f, vD=

15、3;f，打B点时，重物的动能和重力势能分别为：EkB=,EpB=-mghB.此时重物的机械能EB=EkB+EpB=mf2(hC-hA)2-mghB.同理EkD=mf2（hE-hC)2,EpD=-mghD,ED=mf2(hE-hC)2-mghD.如果EB=ED，则说明重物在下落过程中机械能守恒.方法总结：实际上，重物拖着纸带在下落过程中，受到阻力作用，机械能在不断减小，故有EB>ED.又因为在初始点时重物的机械能为0，所以有0>EB>ED,mvB2-mghB<0, -mghD<0,说明重物在实际下落过程中，重力势能的减少量大于动能的增加量.课堂训练（1）为进行“验证

16、机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选用：铁架台、打点计时器、复写纸、纸带、秒表、低压直流电源、导线、电键、天平.其中不必要的器材有：_；缺少的器材是_.（2）在验证机械能守恒定律时，如果以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线应是_，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于_的数值.（3）在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出纸带如图所示，其中A点为打下的第一个点，0、1、2为连续的计数点.现测得两相邻计数点之间的距离分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为T.根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加

17、速度大小表达式为_.在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为_.要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第_号和第_号计数点之间的过程为研究对象.（4）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6 V、50 Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8 m/s2.若重锤质量为1 kg.打点计时器打出B点时，重锤下落的速度vB=_m/s，重锤的动能EkB=_J.从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减少量为_J.根据纸带提供的数据，在误差允许的范围

18、内，重锤从静止开始到打出B点的过程中，得到的结论是_.参考答案：（1）不必要的器材有：秒表、低压直流电源、天平.缺少的器材是低压交流电源、重锤、刻度尺（2）通过原点的直线 g（3）（s6+ s5+ s4- s3- s2-s1）/9T2 （s5+s6）/2T 1 5（4）1.175 0.69 0.69 机械能守恒思维拓展 处理纸带的时候速度能不能用v=或v=gt计算？参考解答：v=是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用. v=gt认为加速度为g，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，故这种方法也不能用.课堂小结本节课主要学习了：1.实验目的：用自

19、由落体运动验证机械能守恒.2.纸带的选取及重物速度的测量方法.3.实验的误差来源及注意事项.布置作业1.教材“问题与练习”第1、2题.2.自己设计方案,验证机械能守恒,自由选择实验仪器,写出操作步骤及实验报告.板书设计9 实验:验证机械能守恒定律一、实验方法二、速度测量：中间时刻的瞬时速度与这一段的平均速度大小相等三、注意事项活动与探究课题：对验证机械能守恒定律实验器材的改进目的：通过对本实验器材的改进，加深实验内容的理解，培养学生动手动脑的能力.内容：1.器材：铁架台一个，圆柱棒一根(约30 cm长的橡胶棒)，玩具车马达一个(转速为1 440 r/min)，毛笔一只，白纸，细线，颜料若干.2

20、.制作方法(1)将铁架台放于水平桌面上，再将约30 cm长的橡胶棒的一端钻一个孔，旋上一螺丝用于系上细线，再将白纸涂上胶水包在圆柱棒上，并把它悬挂在铁架台上方.(2)再将马达安装在铁架台的中间偏下，把毛笔固定在马达上，调整笔尖在棒的下端位置，笔尖与棒面略微接触就可以了.3.操作方法(1)如上图所示，将包有白纸的圆柱棒代替纸带和重物，蘸有颜料的毛笔固定在马达上并随之转动，使之替代打点计时器，当烧断悬挂圆柱棒的线后，圆柱棒竖直自由落下，毛笔就在圆柱棒面上的纸上画出记号，记下了相应的位置.(2)替换白纸后，再给毛笔重新添加颜料重做上述实验过程，可做三次以上.4.实验结论马达的转速为：n=1 440r

21、/min=24 r/s,所以周期为：T=(1/24)s=0.042 s.因为马达每转一圈，毛笔随之在圆柱棒上的纸带面上画下一些间断的螺旋线，毛笔所画的旋线之间时间间隔T=0.024 s；所以，旋线之间的距离的大小，就记录圆棒下落的快慢.因为圆柱棒做自由落体运动，由匀变速直线运动规律所知： 某一段时间内的平均速度等于该段时间内中间时刻的瞬时速度,即v中间时刻=v平均. 所以可以计算出各记号点的瞬时速度，也就可以计算各记号点之间的动能变化，测出记号点之间的距离，就可以算出重力势能的变化.因此在误差允许范围内，动能的变化等于重力势能的变化，就验证了棒在下落过程中的机械能守恒.习题详解1.解答：（1）从状态甲至状态丙的过程中，弹性势能逐渐减少，动能和重力势能逐渐增大，当弹簧对小球向上的弹力大小与重力大小相等时，物体的动能达到最大.之后，弹性势能和动能逐渐减小，重力势能逐渐增大，当弹簧恢复到自然长度时，弹性势能为零.之后，重力势能仍逐渐增大，动能逐渐减小，到达C点时，动能减少到零，重力势能达到最大.小球从状态甲运动到状态丙的过程中，机械能守恒，弹簧的弹性