2016年春人教版物理必修2第7章第9节 验证机械能守恒定律 教案

第9节 实验：验证机械能守恒定律
适用年级： 高一 ，所需课时： 1课时 。
作者姓名：渐怀起 ，单位： 枣庄八中南校 。
【教学目标】
（介绍本课时内容在本章中的作用，主要 ( http: / / www.21cnjy.com )学习内容，具体细化的三维学习目标，重点、难点，学习本节学生的优势和不足，主要学习活动和预期学生表现性成果。）
本节在本章中的作用：
　本实验属验证性学生实验，要掌握实验方法和 ( http: / / www.21cnjy.com )技巧、实验数据的采集与处理，分析实验误差，从而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认识，深化对机械能守恒定律的理解。教材中介绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法，要明白其道理。然而作为教者，却不能生硬对教材“惟命是从”，实际操作中可对装置中计时器的安装稍作改进──降低计时器高度，这样一来虽然纸带的利用率降低，但其有效长度的利用仍然是足够的。本节课通过实验经历了一次科学探究的全过程，会体会到发现、创造和成功的乐趣,对机械能守恒定律及条件有了深刻认识。
【三维学习目标】
知识与技能
1、掌握验证机械能守恒定律的实验原理、实验方案以及设计思路。
2、会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。
过程与方法
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。
情感、态度与价值观
通过实验验证，体会学习的快乐，激发学习的兴 ( http: / / www.21cnjy.com )趣；通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观。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。
【教学重点】
掌握验证机械能守恒定律的实验原理。
【教学难点】
验证机械能守恒定律的误差分析及如何减小实验误差的方法。
【教学方法】
探究、讲授、讨论、学生分组实验、练习。
学习本节学生的优势和不足
本节教材虽然没有给出实验思 ( http: / / www.21cnjy.com )路但是前面实验的延续，其中的一些关键环节如打点计时器的用法、纸带的处理等都是我们已经接触的，学生设计和应用起来比较顺手。由于教材没有给出具体的实验原理及方案对于部分学生而言进一步想清楚有些难度。
主要学习活动和预期学生表现性成果
1.能根据具体的物体运动模型，能设计验证实验方案。
2.能根据实验方案，进行实验操作、记录及数据处理并得出实验结论。
学情分析：
由于本节实验安排在机械能守恒定律学习之 ( http: / / www.21cnjy.com )后进行的，学生对实验的方案及思路比较清晰很容易引导到位。对实验的一些具体注意事项也有一定的经验，但很难想的全面，因此课堂上以思考题的形式给出，这样学生在实验中可以较好的注意到。对数据的处理及实验结论的得出也可以进一步开阔学生的视野,提高科学素养等方面都会产生积极的影响。
所需教学资源(列出学习过程中所需的各种支持资源)
【教学用具】
　学案、多媒体课件（配套设备）、电火花计时器、重物、纸带、复写纸片、铁架台、烧瓶夹、电源、刻度尺。
教学支持环境：带有多媒体的实验室。
【评价设计】
通过活动1、活动2使学生明确实验的目的、原理及使用的器材
完成对自主学习P82第5题（1）的达成。
通过活动3使学生在做实验前明确实验的步骤及注意事项。
通过活动4、活动5使学生亲自体验实 ( http: / / www.21cnjy.com )验操作，培养学生团结合作、分工协作配合的能力 和处理实验数据的能力。完成对自主学习P82第5题（2）的达成。
通过活动6 根据提示尝试用图像法处理数据，培养学生掌握用数学知识处理物理问题。
通过活动7使学生思考巩固实验知识练习
学习活动设计(针对本课时选择的活动形式及过程)
活动顺序及时间安排 学生活动 教师活动 设计意图
课时29 活动1（5分钟） 学生认真阅读教材并思考：1、明确本实验要验证的表达式，(O为起始点)式中h是物体从O点下落至A点的高度，vA是物体在A点的瞬时速度。2、不一定，若不测量物体的质量 m，而只需验证就行了。 教师利用学案引导学生认真阅读课本P79完成下列问题：（多媒体投影） 1、据图7.9-1的重物下落的运动模型推导出机械能守恒定律在本实验中的具体表达式。 2、该实验中是否一定需要测量重物的质量？为什么？ 3、据图7.9-2如何求出B点的瞬时速度？(根据做匀加速运动的物体在某一段时间t内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度可求出B点的瞬时速度。) 课堂问题引入，创设情景,有目的激发学生探究的欲望和热情。
活动2（2分钟） 明确本实验的目的和原理。明确器材包括：电火花计时器、重物、纸带、复写纸片、铁架台、烧瓶夹、交流电源、刻度尺。 　一、实验介绍 1．实验目的：验证机械能守恒定律。 2．实验原理：本实验验证极其简单情形下的机械能守恒──自由落体运动。而且，针对的是及其特殊的过程──从释放点到某位置。 计量重力势能的改变时，只要测量出 ( http: / / www.21cnjy.com )过程越过的高度，结合当地的重力加速度即可。计量动能改变时，启用了打点计时器──根据打出的纸带求末状态的瞬时速度（依据“匀变速运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”）。3、实验器材：据图7.9-1引导学生结合实验原理明确这个实验需要什么器材 明确实验目的、原理、需要的器材。从而据原理得出需要测量的量。
活动3（10分钟） 1、思考讨论明确实验步骤1．按图安装实验器材，接通电源前，用手提升纸 ( http: / / www.21cnjy.com )带至重锤靠近打点计时器处。（纸带上端最好不要悬空提着，而要用手按在墙上，这样可保证下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。）2．先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点．关闭电源，取下纸带备用。3．重复步骤2两次，打出3条纸带。4．取点迹清晰的纸带，然后 ( http: / / www.21cnjy.com )在纸带上任取5个连续的点（或间隔点数相同的点）1．　2．　3．　4．　5 ，（为了减小测量值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远些，纸带也不宜过长，约40cm即可）如下图所示。5．验证O点到2点过程机械能守恒的方程为：mgh2 =m，其中T为1点到2点（或2点到3点）之间的时间间隔，如果在误差允许的范围内等式成立，试验就是成功的。同理，可以验证O点到3点过程、O点到4点过程的机械能是否守恒。 　6．拆下器材，放回原处。2、思考老师的问题，讨论、交流。选出代表发表见解。1、因为打点计时器每隔0.02 s打点一次，在最初的0.02 s内物体下落距离约为0.002 m，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近2 mm 的纸带进行测量；:21世纪教育网]2、打点计时器要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以尽量减少重物带着纸带下落时所受到的阻力作用。3、必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落。4、这个同学的看法是不正确的。可以用下面的公式解决。为了减小测量 h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好。 二、实验步骤：据教材引导学生确定实验步骤。找学生回答。（多媒体投影）据实验步骤提出问题：1、如何确定起点O （O点的速度应为零）怎样判别呢？2、在架设打点计时器时应注意什么？为什么？3、实验时，为什么先接通 ( http: / / www.21cnjy.com )电源和释放纸带的顺序怎样？来源4、测量下落高度时，某同学认为必须从起始点算起，不能弄错。他的看法正确吗？为了减小测量 h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好，还是近些好？ 培养学生发散思维能力，明确实验注意事项。培养学生全面思考问题的能力，确定实验步骤，
活动4（15分钟） 在学生实验小组分工明确的前提下开始分组实验。把实验中得到的数据填入学案中的表格 通过学案要求学生分组讨论确定实验的步骤，巡回指导，帮助能力较差的学生完成实验。点评在实验过程中表现突出的小组，要求将记录的数据保存好。 使学生亲身体验动手操作学生实验。
课时29 活动5（5分钟） 1．用公式，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……2．计算各点的重力势能的减少量mgh。和动能的增加量，并进行比较．看是否相等。处理实验数据并能尊重事实发布报告。小组内讨论明确只要认为加速度为g，机械能就守恒，相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律。 三、数据处理投影学生的报告，明确应是在误差允许的范围内机械能守恒。引导学生分析实验误差产生的原因：阻力影响。保括空气阻力、纸带与计时器间阻力。读数误差。进一步提出问题：能否用v=gt或v=计算速度。 激发学生探究实验的乐趣，引发学生分析数据的兴趣
活动6（3分钟） 根据提示尝试用图像法处理数据。 问题：能否用其他方法比如图像法验证结论。（提示：如果以v2／2为纵轴，以h为横轴）投影学生的图像，引导学生确定实验数据绘出的图线应是过原点的直线，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于g的数值 培养学生掌握用数学知识处理物理问题
活动7（5分钟） 学生思考并完成巩固练习 　利用自主学习P82第5题完成巩固练习指点部分学生有疑惑的地方 锻炼学生应用知识能力
教学评价
可评价的学习要素
1．活动1、2、3、学生的参与度
评价方法：教师现场评价
评价指标：学生能否积极思考问题，回答问题是否正确和全面，语言表达是否清晰条理。
2．活动4、5、6小组合作探究试验
评价方法：使用量规（自评+小组内互评+师评）
评价指标：小组内积极参与，能主动交流，亲自动手做一做试验，得出正确合理的结论，表述准确简洁。
3．学生能发布活动7的结果
评价方法：教师现场评价，学生互评
评价指标：思路清晰度、语言组织能力、正确度和概括能力
教学材料
验证机械能守恒定律实验的几种常见设计
在不涉及弹性势能时，机械能守恒的条件是 ( http: / / www.21cnjy.com )，在物体系统的运动过程中只有重力做功。这时只是重力势能与动能的相互转化，系统增加（或减小）的重力势能等于减少（或增加）的动能。要用实验验证这一关系，需测出运动过程中物体系统内各物体的高度变化，从而计算系统重力势能的变化量，这可以用刻度尺测量。测需要测出系统中各物体的初、末速度，从而计算系统动能的变化量，这可以用打点计时器、光电门、速度传感器等测量，也可以利用其它物理规律测量。
完成此实验，一是机械能守恒条件的创设，即让无弹性形变的物体系统只受重力这一外力的作用，或虽有非重力作用，但它们不做功；二是测算出运动过程中两个状态间系统减少的重力势能与增加的动能；三是比较与在误差范围内是否相等。由于空气阻力及摩擦力的不可避免，总有>。
一、利用打点计时器进行验证
1．物体做自由落运动
一般以重锤从自由落体运动开始时刻（纸带上的第一个点）到此后的某一适当时刻（纸带上最后一个点之前的某点）进行研究。实验时，先接通打点计时器电源再释放纸带，在打出的纸带中，选取第一、二点间距最接近2mm的纸带进行测量。测出第0点到第n点的距离L，则重锤重力势能的减少量为；打出这两点的时间间隔为t=n/f（f是交流电的频率），由匀变速直线运动平均速度的推论、平均速度的定义式及，可知打第n点时重锤的瞬时速度为，重锤动能的增量为。由于要比较是否相等的与都是m的倍数，所以本实验不需要测量重锤的质量。
例1．某同学用图1（a）所示的实验装 ( http: / / www.21cnjy.com )置验证机械能守恒定律。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地重力加速度为g=9.80m/s2。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图1（b）所示。纸带上的第一个点记为O，另选连续的三个点A、B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值。回答下列问题（计算结果保留3位有效数字）（1）打点计时器打B点时，重物速度的大小vB= m/s；（2）通过分析该同学测量的实验数据，他的实验结果是否验证了机械能守恒定律？简要说明分析的依据。
答案：3.90 m/s，能验证。
解析：由匀变速直线运动一段时间里的平均速度等于这段时间的重点时刻的瞬时速度的推论可知：m/s=3.90 m/s。则从重锤开始下落道打出点B，重锤增加的动能，减少的重力势能为。由于近似等于，因此该实验验证了机械能守恒定律。
【点评】该实验中，由于纸带的阻力、空气阻力的存在，重锤减少的重力势能大于增加的动能。
2．两物体系统在竖直方向的匀加速运动
利用图2所示实验装置，可验证m1、m2 （m1例2．如图3所示，两个质量各为m1 ( http: / / www.21cnjy.com )和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1＞m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。
（1）若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有 。
①物块的质量m1、m2；②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；③物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间；④绳子的长度。
（2）为提高实验结果的准确程度，某小组 ( http: / / www.21cnjy.com )同学对此实验提出以下建议：①绳的质量要轻：②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；④两个物块的质量之差要尽可能小。
以上建议中确实对提高准确程度有作用的是 。
（3）写出一条上面没有提到的提高实验结果准确程度有益的建议： 。
答案：（1）①②③；①③
解析：本实验是通过比较物体系统运动中，减少的重力势能与增加的动能是否相等，来验证机械能守恒定律。因此，本实验应以m1、m2及连绳整体作为研究对象。实验中，由静止释放m1后，三者一同在向下合力作用下，匀加速运动。若能测出两物体的质量，m1下降的距离或m2上升的距离s，测出运动的时间t，可由匀变速直线运动的平均速度公式算知物体的末速度v，最后求得整体减少的重力势能和增加的动能，看二者是否相等。
上述分析的前提是不计空气的阻力，不 ( http: / / www.21cnjy.com )计滑轮的摩擦，不计绳的质量及形变。这样就要求绳子越轻越好，弹性越小越好，不宜太长，长了形变对实验的影响越大。m1、m2相差越大，整体所受阻力相对于合力对运动的影响越小。这些都是减小系统误差，提高实验准确程度的做法。
【点评】实验问题的分析，关键是实验原理。
3．小车在滑板上的匀加速运动
如图4所示装置中，测出小车质量M和小桶与沙的总质量m，安装好仪器器材后，使滑板适当倾斜以平衡滑动摩擦力，平衡掉滑动摩擦力以后，就相当于不受摩擦力的作用。先接通电源，再释放小车，从打出的纸带上，选出两个适当点进行测量与计算。以小车、沙桶系统为研究对象，测出两点距离L，则系统减少的重力势能为：；利用匀变速直线运动“一段时间的中点时刻的速度等于这段时间里的平均速度”的推论及平均速度的定义，可算出打出所选的两点时小车及沙桶的速度v1、v2，系统增加的动能为：。
二、利用光电门进行验证
如图5所示，将气垫导轨倾斜放置，滑块在自身重力作用下沿导轨（光滑斜面）匀加速下滑。a、b为固定在导轨上的两个光电门，利用与其连接的光电计时器，可测出滑块通的时间t，利用游标卡尺测出滑块上遮光条的宽度d，可算出滑块经过光电门的速度为，这样就可以计算出物体在两个光电门间运动时动能的增加量。测出两光电门中心间距L，导轨两端的水平距离C，两端的高度差h，可计算出物体在两个光电门间运动时重力势能的减少量为：。若滑块经过两个光电门的时间分别为t1、t2，则滑块动能增加量为：。
三、利用平抛运动进行验证

图6装置中，光滑弧形轨道竖直置于高度为h的桌面，轨道下端切线保持水平，将小滑块从轨道上距桌面H高度处由静止释放，滑块离开轨道后平抛运动落至地面，测出落点与轨道下端的水平距离s，由平抛运动公式可算知滑块离开轨道时的速度为。滑块从释放到离开轨道，减少的重力势能为：，增加的动能为：。
例3．利用图6装置可验证机械能守恒定律。光滑弧形轨道竖直置于高度为h的桌面，轨道下端切线保持水平。
（1）将小滑块从轨道上距桌面H高度处由 ( http: / / www.21cnjy.com )静止释放，滑块离开轨道后平抛运动落至地面，测出落点P与轨道下端的水平距离s。若小滑块质量为m，则滑块从释放到经过轨道末端，减少的重力势能ΔEP= ，增加的动能ΔEk= ；
（2）由于阻力，实验中利用实验数据算出的ΔEP和对应的ΔEk之间的关系是：ΔEP ΔEk（>、=、<）。
（3）上述实验中，也可改变H，多次重复操作，测出H和对应的s，如机械能守恒，则H和s满足关系式H= 。
（4）某同学以H为横轴、s2 ( http: / / www.21cnjy.com )为纵轴，利用测得的H和对应的s数据，在坐标平面描点连线得到了滑块运动的H-s2图像，若图像是 （过原点的倾斜直线、过原点的曲线），则证明滑块在轨道上运动时 。
答案：（1），（3分）；（2）>；（3）=；（4）过原点的倾斜直线，机械能守恒。
解析：由平抛运动公式可算知滑块离开轨道时的速度为。滑块从释放到离开轨道，减少的重力势能为：，增加的动能为：；由于摩擦及空气阻力，小球在轨道上运动时，克服阻力做功，ΔEP>ΔEk；若机械能守恒，则有ΔEP=ΔEk，即=。解得：=。由此可知 H-s2图像为过原点的倾斜直线。
【点评】注意将与实验原理有关的非线性关系式改造成线性关系式。
四、利用DIS系统验证
如图7（a）所示，利用DIS系统可验 ( http: / / www.21cnjy.com )证摆球运动中的机械能守恒。实验中DIS系统将显示出摆球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随摆球离开平衡位置的高度h变化的图象如图6（b）中的丙、乙、甲所示，从图象可知，在任何高度h时，摆球的机械能（动能与重力势能的和）保持不变。
【课后作业】
将课后第2、3题做到作业本上
【使用建议】
成功之处： 此节内容学习利用学案，学生能在 ( http: / / www.21cnjy.com )问题引领下成功的设计好实验，理解实验的原理，知道实验的步骤，处理好实验中需要处理的问题，学生能积极参与课堂，积极思考问题，能较好的回答提出的问题，课堂气氛很活跃。自主学习和相互讨论和交流加强学生之间的互动，加强了学生之间的关系，也促进学生积极去思考问题，积极主动亲身去动手实验得到了自己研究所得的喜悦。
遗憾之处：1、由于时间、方法 ( http: / / www.21cnjy.com )限制，学生自由发挥的不是很多
2、学生分工合作方面不是很好，部分同学参与较少。
3、实验操作不仔细，结果误差较大。
4、数据处理时的能力还是有些弱，部分小组结果差距太大。
意图说明：以问题引导学生进行积极地思考 ( http: / / www.21cnjy.com ),使学生既能发挥创造性思维,也能够围绕本节的重点把探究活动深入下去。采用学生分组实验的方法，在教师适当的引导下,通过学生自主探究和合作学习的方式展开教学过程,努力使学生在经历探究的过程中,增强问题研究的意识,提高分析问题和解决问题的能力。