4-5 验证机械能守恒定律 教学设计 (2)

验证机械能守恒定理
1教学目标
⑴知识与技能
①知道机械能守恒定律的内容和意义．应向学生说明定律有两层意思：一是动能和势能可以相互转化
，二是总机械能守恒．
②知道机械能守恒的条件：只有重力和弹力做功，只发生动能和势能的相互转化．
③通过验证机械能守恒定律进一步加深对机械能守恒条件的理解。
⑵过程与方法
①通过这个开放型实验，了解学生对所学知识的掌握和灵活应用程度，了解学生对实验仪器的作用和使用的掌握情况．
②根据学生设计的实验方案，了解学生对机械能守恒条件的理解程度，学会怎样减小实验误差．
③通过实验，使学生学会处理和解决实际问题的一般思路和方法．
⑶情感、态度与
价值观
①通过这个开放型实验，培养学生的创新意识和探索能力．
②通过汇报与交流，使学生了解实验方案的不足，实际操作的不便，促使学生对实验方案和实验步骤进行改进，提高实验的准确性．
2学情分析
知识层面：学生已经掌握了动能、重力势能等概念以及动能定理、机械能守恒定律等定理、定律；知道功是能量转换的量度以及机械能守恒的条件。
能力层面：学生已具备一定的实验操作技能，会用打点计时器以及直尺等实验仪器。具备一定的数据处理能力。
3重点难点
⑴验证机械能守恒定律的实验原理。
⑵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。
4教学过程
4.1
第一学时
4.1.1教学活动
活动1【导入】引入
播放“蹦床”视频，提问同学“如何验证
Ek与
EP的相互转化过程机械能守恒？”
活动2【讲授】实验讲解
〖实验讲解〗
一、实验目的---通过研究物体运动过程中的_____和__________变化,验证….(动能、重力势能)
二、实验原理---落体法(如图)
方法一：守恒式，
（选零势面）
方法二：转化式，
（实验常用）
三、实验器材---打点计时器及电源、铁架台(含铁夹)、纸带、夹子、_____、___________.（重锤、毫米刻度尺）
提问：电火花打点计时器要求什么电源？所给的器材中还漏了什么？
四、实验步骤
⒈打点计时器固定在铁架台上,两个限位孔的中线要严格_____.（竖直）
⒉用纸带的一端系好重物,另外一端穿过打点计时器_______,并使纸带从墨粉纸盘_____经过.（限位孔、下面）
⒊用手提着纸带使重物停靠在_______附近;
用拇指与食指将纸带拉至_____且保证不与限位孔接触;
先接通______,待打点器_____后_____,让重物拖着纸带自由下落.（计时器、竖直、电源、稳定、松手）
说明：老师必须实验边进行实验操作示范，边进行常见错误操作点评。
⒋重复几次,打出
2~3
条纸带.
⒌
选纸带：从几条打下点的纸带中挑选第一、二两点间距离接近______且点迹清晰的纸带…（2mm）
提问：挑选合适纸带的标准是什么？
分析：①
×9.8×0.022
m
=
1.96
mm
②若不符合此要求，可能存在三个问题，a)纸带下落时有初速；b)纸带与限位孔阻力较大，令实际加速度小于重力加速度；c)第1、2点的时间间隔不等于0.02s。
⒍
关闭电源,整理仪器.
五、数据处理
⒈
计算法
⑴从起始点计：
若从点O到点2过程
势能减少量
动能增加量
，其中
（中时速度公式）
提问：①根据所给纸带上各段数据，点2的瞬时速度怎样计算？
②需要天平测质量、秒表测时间吗？
⑵随机两点(选点迹清晰的一段纸带)：
若从点b到点e过程
势能减少量
动能增加量
，其中
，
提问：两种处理方法有什么区别？
⒉图象法
⑴作
图象：
若从起始点计算,满足机械能守恒,有
，得
提问：对比
，
图线是什么样的？其斜率是多少？
⑵作
图象：
若从起始点计算,满足机械能守恒,有
，得
提问：对比
，
图线是什么样的？其斜率是多少？
六、误差分析
⒈系统误差
⑴分析：对重锤列动能定理,
∵
Wf
<
0
，∴
mgh
>
△Ek
提问：从能量转化与守恒角度看，重锤拖着纸带下落，重力势能减少了，增加的是什么能呢？
⑵注意：尽可能减小各种_____的影响,（阻力）
①应选用_____和_____较大的重物；（质量、密度）
②打点计时器必须____安装在铁架台上,且两个限位孔的中线要_______;（稳固、竖直）
③释放前将纸带拉至_____且保证___与限位孔接触.（竖直、不）
⒉偶然误差
⑴测量长度时
①应从第一个点O
量起；
②多测几次取平均值.
⑵交流电的频率发生波动…
七、注意事项
⒈
先接通____,等计时器正常工作后,再释放____.（电源、纸带）
⒉
使限位孔与纸带处于同一竖直面内,尽可能减少纸带与限位孔的_____.（接触）
⒊
尽可能选择质量___、体积___,即密度___的重锤.（大、小、大）
⒋
尽可能选择点迹清晰、间距适中(甚至是前两个点间隔接近_______)的纸带．（2mm）
⒌
本实验不需测
m
与
t
,故不需要_____与_____.（天平、秒表）
⒍
计算瞬时速度
vn,只能用
，而不能用
或
。
提问：为什么不能用
？
分析：若用后两条公式算速度，实际是用理论上的g值代替实际的加速度a
，而a
<
g
，则造成vn的计算值偏大；再者，实验先通电，再放手，可能造成纸带上最初两个点的时间小于0.02s，而用vn=gtn计算时仍按0.02s计算，也会使vn的计算值偏大。无论怎样，都会使动能增加量的计算值偏大，与实验不符。
⒎
求下落高度
hn,只能用_______________测量,而不用
或
计算。（毫米刻度尺直接）
提问：为什么不能用
？
活动3【练习】典型例题
例1　用如图所示实验装置验证机械能守恒定律．实验所用电源为学生电源，输出电压为6
V的交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．(1)下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．按图示安装器件，打点计时器必须竖直固定；
B．将打点计时器接到电源的“直流输出”上；
C．用天平测出重锤的质量；
D．先释放纸带，再接通电源，打出一条纸带；
E．用秒表测出重锤下落的时间；
F．测量纸带上某些点间的距离；
G．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能．
①其中没有必要进行的步骤是____________(填选项)．
②其中操作错误的步骤是____________(填选项)．
(2)在实验中，质量m＝1
kg的物体自由下落，得到如图所示的纸带，相邻计数点间的时间间隔为0.04
s．那么从打点计时器打下起点P到打下B点的过程中，物体重力势能的减少量ΔEp＝________J，此过程中物体动能的增加量△Ek＝________J．(取g＝9.8
m/s2，结果保留三位有效数字)
(3)比较发现数值上ΔEk___ΔEp(填“＞”“＝”或“＜”)，原因是_______．通过对结果分析，实验结论_____.
（4）该同学算出各点的速度平方值，作出v2-h图象如图所示，若直线斜率为k，则可测出重力加速度g=______，与真实值相比，测出的g值_______（填“偏小”或“偏大”）。
答：（1）①　C
E
；②
B
D
；（2）2.28
2.26
；（3）<
重锤在下落过程中受到空气阻力及纸带和打点计时器间存在摩擦阻力在误差允许的范围内,机械能守恒
；(4)
偏小
活动4【活动】动手操作
进行分组实验，要求每组打出2～3条纸带，选择第1、2点距离约为2mm且点迹清晰的某一段纸带进行“机械能守恒”的验证。