4-5 验证机械能守恒定律 教学设计

实验：《验证机械能守恒定律》教学设计
【设计思想】
1、教材分析：机械能守恒定律的探究或验证，在物理学中占有极其重要的地位，历来是物理教学的重点和各类考试的高频考点。本实验利用电磁打点时器计录时空信息，借助重物自由下落验证机械能守恒定律，实验原理简单，器材普及通用，且有前期的相关实验作铺垫，顺利完成实验似乎水到渠成。但多年的教学实际告诫笔者，本实验涉及的一些问题和技能并不易掌握，尤其是打印纸带的选取、瞬时速度的测量、数据的处理历来都是教学的难点，有些问题也还颇具争议。因此，本节课不仅要突出重点，更应从实际出发，针对难点勇于创新，力求有所突破。
2、教学分析：韶关市第五中学是一所普通中学，列入市区c类学校，学生的学习基础、学习能力及学习习惯相对较差。因此，教学过程要力求循序渐进、精心设计，要有适当的教学梯度，引导学生由浅入深，逐渐实现教学目标。为提升课堂效率，减少实验的盲目性，课前可发放实验指南让学生先预习，知道怎样做，更知道为什么要这里做。
3、纸带处理：重物下落的距离是否一定要从第一打印点开始量度，是否一定要选择第一、二点间距２毫米左右的纸带，这个问题历来颇具争议。笔者对此持否认态度，理由有三：其一、手提纸带很难保证稳定性，致使第一个点打成一堆，即便用固定夹释放纸带，也无法保证打点和释放同步，也难以确保第一、二点间距接近２毫米。其二、自由落体并非机械能守恒的条件，竖直上下抛运动机械能照样守恒，没必要为这一难以实现、且并非必要的条件来分散学生的注意力。其三、在打印纸带上任取几组间距较大的两个打印点，同样可验证机械能守恒定律，数据处理也无多大变，只是（）图像不过原点而已。因此，本次实验不要求学生从第一点开始量度重物的下落距离。
【教学目标】
1、掌握实验原理、方法及相关技能，理解实验设计思路，有效控制实验误差，科学处理实验数据，学会依据纸带记录推算物体的瞬时速度。
2、在验证机械能守恒的实验中，体验探究过程，学习研究方法。
3、树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观，养成科学严谨、求真务实的习惯。
【教学重点】
实验原理及设计的思路，数据处理技巧及误差分析，瞬时速度的测定。
【教学难点】
数据处理技巧及误差分析。
【教学方法】
讲解、演示、讨论、探究、分组实验。
【教学用具】多媒体课件、电磁打点计时器、重锤、纸带、铁架台、
铁夹、米尺、电源、缓冲海棉、光控录音计时器（自制教具）。
【教学过程】
一、引入课题：
1、设计思路：机械能守恒定律的探究或验证，在物理学中占有极其重要的地位，历来是物理教学的重点和各类考试的高频考点。如果由你来设计一个验证机械能守恒定律的实验，你会优先考虑哪些问题？
2、思路点拨：
①必须满足守恒条件
②便捷测量时空信息
　
③有效减少实验误差
明确目的，选择方案，配备器材，规划步骤，数据处理
二、实验原理：
本实验利用打点时器计录时空信息，借助重锤的自由下落验证
机械能守恒定律。如图示，重锤牵连纸带由初位置A下落hAB至未位
置B的过程中，重力势能减少_______
_，其速率从vA增至为vB
，
动能增加__________
。
若能通过实验测得____________
或者______
，
则证明重锤在下落过程中机械能守恒。
三、实验器材：
①
电磁打点计时器（含复写纸）
②重锤（含纸带夹）
③
纸带（1m左右）
④铁架台（带铁夹）
⑤刻度尺（米尺）
⑥实验电源（选用4～6伏交流电）
为何不配天平呢？
如果实验只要求验证机械能守恒定律，则可不必测量物体的质量；
如果实验要求测定机械能的具体数值，则必需用天平测出物体的质量。
四、操作步骤：
①
安装打点计时器
②
纸带穿越计时器且下端连接重物
③
接通电源之后再释放纸带
④
更换纸带重复上述步骤
⑤
选择正常纸带处理实验数据
五、实验探究：
1、采集数据：
每组两条纸带，采集四组数据
2、数据测量：
选取后段纸带，标度测量距离
3、数据处理：
推算相关参量，填报实验记录
数据
编号
下落高度
h(m)
初位置速度
V1(m/s)
初位置速度
V2(m/s)
减少的重力势能
ΔEp(J)
增加的动能
ΔEk(J)
1





2





3





4





（设重锤质量为m，并用m表示ΔEp和ΔEk，每小组暂时处理一组数据，其余数据课后处理）
六、数据处理：
1、数据处理计时周期的选取：
实验所用的纸带一般小于1
m，大约只能打上10多个点，不便于再取多个打印点作为计时周期，因此本实验可直接取打点周期作为数据处理的计时周期，即可取
T=0.02(s)。
2、初、末位置的选定：
纸带后段打印点的间隔距离较大，测量距离的相对误差较小。因此，初位置A不可太靠近纸带的前端（也没必要选第1个打印机点作为初位置），未位置B应尽量靠近纸带的后端，这样选定初、末位置，可增大测试点的距离，有效减小测距的相对误差。末位置B可选倒数第二个打印点，初位置A可由末位置B前移10～12个打印点确定。
3、重物下落距离的测量：
刻度尺的0刻度与初位置A的前一个打印点对齐，并以此打印点作为0点（测距起点），量度重物的下落距离。
4、瞬时速度的测定：
做匀变速运动的纸带，任意一段时间内的平均速度，等于这段时间中点的瞬时速度，即纸带上第n点的瞬时速度，等于hn+1至hn-1时间段的平均速度，
即瞬时速度：
七、误差分析：
1、实验结果为何△EP＞△EK
？
本实验不可避免地存在空气阻力F1、摩擦阻力F2、打击阻力F3，必然导致物体的机械能减少，因而△EP
＞
△EK。
2、如何减小实验误差？
①
安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔处在同一竖直线上，以此减小摩擦阻力。
②选用质量和密度较大的重物，可令空气阻力、摩擦阻力、打点阻力相对减小。
③
选择后段纸带数据，增大测距点的间距，可有效减小测距的相对误差。
④
进行多次实验，减小偶然误差。
八、实验改进(机动内容)：
针对电磁打点计时器存在的缺陷，笔者进行了改革创新，研制了“光控录音计时器”。现以“光控录音计时器”在《探究机械能守恒》的应用为例，简介其工作原理：
九、实验总结：
1、实验原理及方法：
利用打点计时器记录时空信息，借助重物的下落验证机械能守恒定律。
2、实验技能及注意事项：
纸带的选取及距离测量，实验误差的来源及其控制方法。
3、瞬时速度的测量：
纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间距的平均速度。
十、思维拓展：
请同学们课后思考、讨论下列问题：
1、测量重物下落距离时，我们为何不从纸带的起始位置O点开始量度，而是测量任意两点的落差？这样处理有何好处？
2、计算物体的瞬时速度有
、
、
三种方法，我们为何选用第三种方法而放弃前面两种方法？
3、如果重物由静止开始下落，根据打点纸带计录，可测出物体的下落距离h，算出各点的速度v，若以（）为纵轴，以h为横轴，则可描出物体下落的(--h)图像。下列图像中能大至反映物体下落情况的是图（
）。
如果重物不是由静止开始下落，其下落的(--h)图像将有何不同？
十一、教学后记：
相对而言，学生对实验课的兴趣会较高一些，其兴趣点往往都集中在实验现象，实验操作往往较为盲目。本节课预防在先，较好地克服了学生的急躁情绪，引导学生知其然更知其所以然，紧扣实验的设计思路、解决问题的方法、纸带数据处理的技巧，按部就班、有的放矢、循序渐进地突破了教学的难点，取得了良好教肓教学效果。
hAB
VA
VB
验证
结论
等同
验证
T=0.02(s)
末
初
B
A
SA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
hAB
SB
B
A
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
hn
SA=h2-h1
SB=h11-h9
hn+1
hn
hn-1
T
T
0
Sn
n+1
n
n-1
(
Sn=hn+1
-
hn-1
)