4.5验证机械能守恒定律 教案

4.5
验证机械能守恒定律
一、教学目标
1．知识与技能目标
（1）要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物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）要明确织带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法。
2．过程与方法目标
（1）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；
（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培养学生获取信息、处理信息的能力，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维的重要，既要动手，更要动脑。
3．情感态度与价值观目标
（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）使学生通过实验体会成功的乐趣与成就感，激发对物理世界的求知欲；
（3）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；
（4）通过经历实验过程，体验科学实验过程的艰辛与喜悦，并乐于探索自然界的奥妙。
二、教学重点与难点
1．实验原理及方法的选择及掌握。
2．实验误差分析的方法。
三、教学用具
铁架台（带铁夹）、打点计时器、重锤（带纸带夹子）、纸带、导线、刻度尺、低压电源。
四、教学方法
预习设计――实验观察——数据处理——归纳总结。
教师启发、引导，学生自主阅读、思考，亲自动手实验，并讨论、交流学习成果。
五、课时安排
1课时
六、教学过程
（一）导入新课
上节课我们从理论上学习了机械能守恒定律，我们从定律内容及守恒条件上初步理解了机械能守恒定律，今天我们通过自己亲身实验从感性上对定律再做进一步的理解。
（二）进行新课
1、实验目的
结合教材整理预习学案提纲，对学生整理结果进行点评。（展示幻灯片）本实验属验证性实验，实验目的是利用重物自由下落的现象验证机械能守恒定律。
2、认识实验仪器：组装实验仪器、明确各个仪器的功能。（暂时不做，只是组装）
电磁式打点计时器电源应选择10V以下，火花式打点计时器应选择220V。打点计时器限位孔位置应为竖直。纸带的长度应在1m左右。（学生思考，后面回答）
3、理解实验原理
通过对物体自由下落运动的研究来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即重物动能的增加量等于其重力势能的减少量。具体地说：
（1）若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，由计算得出 mV2=mgh,机械能守恒定律即被验证。
（2）若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA ，再测出物体由A点下落△h后经过B点的速度vB，则在误差允许范围内，由计算得：
，机械能守恒定律即被验证。
4、掌握实验的方法与技巧
实验步骤（展示幻灯片）
（1）把打点计时器固定在桌边的铁架台上
（2）把打点计时器接到交流低压电源上
（3）将纸带固定在重锤上
（4）将纸带穿过计时器,并将纸带提升到一定高度
（5）接通电源,然后释放纸带.断开电源,取下纸带
（6）更换纸带,重新进行同一要求的实验
（7）挑选点迹清晰的纸带研究,用毫米刻度尺测出距离,记录数据
（8）根据记录的数据进行有关计算并得出结论
（9）拆掉导线,归整器材
学生实验
实验前教师提示：打点计时器的使用
（1）电磁打点计时器应接4~6V交流电源，当交变电流的频率为50Hz时，打点周期为0.02s。
（2）为使打点的频率比较稳定，要求打点计时器振动片的固有频率也是50Hz，使之发生共振现象。振动片的长度可在一定范围内调节，通过改变振动片的长度可调节它的固有频率。
（3）实验前要检查打点的清晰情况，必要时应调整振针的高度，且不能让它松动，否则将会出现漏点、双点等现象，还会对纸带产生过大的阻力。
（4）电火花计时器可直接接在220V交流电源上，注意采用双纸打点即可。
分组实验（只是实验，不进行数据处理）
问题讨论
问题1：本实验要不要测量物体的质量？分组讨论，得出结论。点拨思路，明确结论。（展示幻灯片）
验证机械能守恒定律的表达式：
和
中，式子两边均有重物的质量m，因而也可不具体测出m的大小，而将m保留在式子中。
问题2：对实验中获得的数条纸带应如何选取？分组讨论，得出结论，选取合适的纸带以备处理数据之用。
5、分两种情况加以说明：
（1）用验证
这是以纸带上第一点（起始点）为基准点来验证机械能守恒定律的方法。由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选取点迹清晰且第1、2两点间的距离接近2mm的纸带。
（2）用验证
这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法。由于重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为基准点，势能的大小不必从起始点开始计算。这样，纸带上打出起始点O后的第一个0.02s内的位移是否接近2mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了。实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于计算机械能是否守恒。
实验开始时如果不是用手提着纸带的上端，而是用夹子夹住纸带的上端，待开始打点后再松开夹子释放纸带，打点计时器打出的第一个点的点迹清晰，计算时从第一个计时点开始至某一点的机械能守恒，其误差也不会太大。回避第一个计时点的原因也包括实验时手提纸带的不稳定，使第一个计时点打出的点迹过大，从而使测量误差加大。
问题3：重物的速度怎样测量？结合教材介绍独立推导测量瞬时速度并得出结论。
结论：做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与之相邻两点间的平均速度。对教材推导方法点评。（有否更简洁、直观的推导方法？）分组讨论可否变换一种思路进行推导，以使推导更简洁、直观）
如教材图所示，由于纸带做匀加速运动，故有A、C之间的平均速度：
又根据速度公式有：vB=vA+a△t，vC=vB+a△t，
故有：
vB－vA=
vC－vB，
即： ，
从而： 。
问题4：通过处理实验数据，可得出什么结论？自主对所选择的纸带进行测量、计算，得出结论。对学生得出的结论进行点评，提出问题5。
问题5：实验误差分析，提出问题，在得到的实验数据中，大部分同学得到的结论是，重物动能的增加量稍小于重力势能的减少量，即Ek＜Ep。是怎么造成的呢？分组讨论，得到结论。对学生讨论进行点拨。展示幻灯片。
（1）重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带与计时器之间的摩擦力。
（2）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。
（3）电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器。由于阻力的存在，重物动能的增加量稍小于势能的减少量，即Ek＜Ep
在实验中会不会出现，重物动能的增加量稍大于重力势能的减少量，即Ek>Ep的结论呢？分组讨论，得到结论。对学生讨论进行点拨。展示幻灯片。
交流电的频率f不是50Hz也会带来误差。
若f＞50Hz，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，动能值也就偏小，使Ek＜Ep的误差进一步加大。
根据同样的道理，若f＜50Hz，则可能出现Ek＞Ep的结果。
问题6：实验注意事项：
（1）安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。
（2）应选用质量和密度较大的重物，可使摩擦阻力，空气阻力相对减小。
（3）实验时,必须先接通电源,让打点计时器工作正常后才能松开纸带让重锤下落
（4）本实验因不需要知道重物动能的具体数值,故不需要测出重物的质量m.
（5）实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功,
所以动能的增加量△EK必定稍小于势能的减少量△EP（电源频率为50Hz）。
t
vC
v
v0
vA
vB
O
tA
tB
tC