人教高中物理必修二 第七章 第九节实验：验证机械能守恒定律教学设计

实验：《机械能守恒定律》教学设计
物理组：梅周全
一、内容及其解析
1．内容
本单元教学内容如下：
本课时主要内容是验证机械能守恒定律，其中核心内容是数据处理。

根据核心内容的知识类型，教学应该按新授实验课课型设计并实施。

2．解析
（1）对核心内容的解析
本课时是在机械能守恒定律基础上，进一步研究验证机械能守恒定律。

学生在掌握机械能守恒定律需要满足的条件的基础上，通过对实验处理，验证机械能守恒定律。

从本课时内容来看，数据处理和分析是本单元的主要内容。

在实验分析中，对实验步骤和原理的分析上得出实验数据处理和注意事项，所以实验分析是本课时的核心内容。

（2）在实验分析的基础上，对实验数据的处理和分析判断机械能是否守恒。

所以，验证机械能守恒定律的教学的重点是数据处理，而关键是减小的重力势能和增加的动能的计算。

二、目标及其解析
1．课堂教学目标：
1.机械能守恒的条件判断机械能守恒。

2.理解实验步骤的注意事项。

3.会计算减小的重力势能和增加的动能。

4.会使用打点计时器独立完成实验（已做）。

5.会分析处理实验所得的数据。

三、教学过程设计
第一课时
（一）课前回顾：
1.机械能守恒条件？
2.如果物体做自由落体运动，怎样判断机械能是否守恒？
3．纸带处理中某点瞬时速度的计算方法？
（二）新课讲授：
以问题形式引入课题
1、本实验要做什么（实验目的）？
2、可根据什么做（理解实验原理）？
3、怎么做（实验思路和方法）？
（三）实验操作（步骤）
问题1：两种打点计时器分别使用什么电源？安装计时器的要求是什么？如果有两种计时器可供选择，应选择哪种？
问题2：为什么重物静止在靠近计时器的地方？
问题3：为什么要先接通电源，后松开纸带？
问题3：为什么选取纸带要选第一、二两点间距离接近2mm？
（四）实验器材
问题：本实验需要天平吗？
针对练习：
1、在做“验证机械能守恒定律”实验时，以下说法正确的是()
A．选用重锤时，重的比轻的好
B．选用重锤时，密度大的比密度小的好
C．选用重锤后要称质量
D．重锤所受重力要远大于它所受的空气阻力和打点计时器对纸带的阻力
2、用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压有交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始下落，重锤拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律.下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．按照图示的装置安装器件；
B．将打点计时器接到电源的直流输出端上；
C．用天平测量出重锤的质量；
D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通
电源开关打出一条纸带；
E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；
F．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．
指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，并说明其原因．
3、在“验证机械能守恒定律”的实验中：
(1)从下列器材中选出实验所必须的，其编号为______．
A．打点计时器(包括纸带) B．重物C．天平
D．毫米刻度尺E．秒表F．运动小车
(2)打点计时器的安装放置要求为________；开始打点计时的时候，应先________，然后________．(3)实验中产生系统误差的原因主要是________，使重物获得的动能往往_____．为减小误差，悬挂在____________
第二课时
（五）实验数据处理
1．选取纸带的原则是什么？
(1)点迹清晰．
(2)所打点呈一条直线．
(3)第一、二点间距接近2 mm.
2、怎样求减小的重力势能？
3、瞬时速度的求解？
根据已学过知识，可有四种方法：
(1)v n＝2gh n；(2)v n＝gt n；(3)v n＝h n＋1－h n－1
2T.（4）
v n＝
s n＋s n＋1
2T
应该怎样选择计算公式？
练习1、在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz.查得当地的重力加速度g＝
9.8m/s2，测得所用的重物的质量为1.00kg.实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O，另选连续的4个点
A、B、C、D作为测量的点．经测量知道A、B、C、D各点到O的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm.
(1)根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于________J，动能的增加量等于________J(取3位有效数字)．实验结论：___________________________
(2)实验中产生系统误差的原因主要是__________．为了减小误差，悬挂在纸带下的重物的质量应选择______________．
(3)如果以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的v2/2－h图线是______________．
（六）误差分析
1．本实验的误差主要来自于空气阻力及纸带和打点计时器限位孔之间的摩擦，故动能的增加量略小于重力势能的减少量．
解决办法：
（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，以减少摩擦阻力；
（2）应选用质量和密度较大的重锤，增大重力可使阻力的影响相对减小．增大密度可以减少体积，可使空气阻力减小；
2．偶然误差
测量长度时会带来误差．测量时都应从第一个打点O点量起，且多次测量取平均值.
练习2、在当地重力加速度为9.8m/s2的实验室内进行验证机械能守恒定律的实验中，所用电源的频率为50Hz.一同学选择了一条理想纸带，用刻度尺测量时各计时点位置对应刻度尺上的读数如图所示．图中O是自由落体的初始第一点，A、B、C、D是纸带上连续的几个点，图中数值的单位为厘米．根据实验并结合纸带回答下列问题：
(1)实验时要从几条纸带中挑选第一、二两点间的距离接近________并且点迹清晰的纸带进行测量；
若重锤质量为m，则重锤从开始下落到B点时，减少的重力势能为________J；重锤动能的增加量为________J．(数字部分保留三位有效数字)；试验结论______________________
(2)实验中产生系统误差的原因主要是__________．为了减小误差，应该怎样做_______________________．
拓展
利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示：
(1)实验步骤：
①将气垫导轨放在水平面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；
②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l＝9.30mm.
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝________cm.
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已能过光电门2；
⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；
⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.
(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式；
①滑块通过光电门1和光电门2的瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________.
②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为E k1＝________和E k2＝________.
③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔE p＝________(重力加速度为g)．
(3)如果ΔE p＝________，则可认为验证了机械能守恒定律．。