高中物理人教版 (新课标)必修28.机械能守恒定律教案设计

5.9  实验:验证机械能守恒定律

★新课标要求

（一）知识与技能

1、会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。

2、掌握验证机械能守恒定律的实验原理。

（二）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。

（三）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

教师启发、引导，学生自主设计实验方案，亲自动手实验，并讨论、交流学习成果。

★教学工具

重物、电磁打点计时器以及纸带，复写纸片，低压电源及两根导线，铁架台和铁夹，刻度尺，小夹子。

★教学过程

（一）课前准备

教师活动：课前布置学生预习本节实验。下发预习提纲，重点复习下面的三个问题：

          1、推导出机械能守恒定律在本实验中的具体表达式。

在图1中，质量为m的物体从O点自由下落，以地作零重力势能面，下落过程中任意两点A和B的机械能分别为：

EA=，    EB=

如果忽略空气阻力，物体下落过程中的机械能守恒，于是有

EA=EB，即=

上式亦可写成

该式左边表示物体由A到B过程中动能的增加，右边表示物体由A到B过程中重力势能的减少。等式说明，物体重力势能的减少等于动能的增加。为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图1中A点）来进行研究，这时应有：----本实验要验证的表达式，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、如何求出A点的瞬时速度vA？

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A点的瞬时速度vA。

图2是竖直纸带由下而上实际打点后的情况。从O点开始依次取点1，2，3，……图中s1，s2，s3，……分别为0～2点，1～3点，2～4点…… 各段间的距离。

根据公式，t=2×0.02 s（纸带上任意两个相邻的点间所表示的时间都是0.02s），可求出各段的平均速度。这些平均速度就等于是1，2，3，……各点相对应的瞬时速度v1，v2，v3，…….例如：

量出0～2点间距离s1，则在这段时间里的平均速度，这就是点1处的瞬时速度v1。依次类推可求出点2，3，……处的瞬时速度v2，v3，……。

3、如何确定重物下落的高度？

图2中h1，h2，h3，……分别为纸带从O点下落的高度。

根据以上数值可以计算出任意点的重力势能和动能，从而验证机械能守恒定律。

学生活动：学生看书明确实验的各项任务及实验仪器。复习《用打点计时器测速度》的实验，掌握用打点计时器测量匀变速直线运动速度的方法。

（二）进行新课

教师活动：在学生开始做实验之前，老师应强调如下几个问题：

1、该实验中选取被打点纸带应注意两点：一是第一点O为计时起点，O点的速度应为零。怎样判别呢？

2、是否需要测量重物的质量？

3、在架设打点计时器时应注意什么？为什么？

4、实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？为什么？

5、测量下落高度时，某同学认为都必须从起始点算起，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？

学生活动：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内物体下落距离应为0.002 m，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近两年2 mm 的纸带进行测量；二是在纸带上所选的点就是连续相邻的点，每相邻两点时间间隔 t =0.02 s.

2、因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值，所以不必测量物体的质量 m，而只需验证就行了。

3、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。

4、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。

5、这个同学的看法是正确的。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。

教师活动：听取学生汇报，点评，帮助学生解决困难。

学生活动：学生进行分组实验。

★课余作业

1、完成实验报告。

2、完成如下思考题：

（1）为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选用：铁架台，打点计时器，复写纸，纸带，秒表，低压直流电源，导线，电键，天平。其中不必要的器材有：

                   ；缺少的器材是                                。

（2）在验证机械能守恒定律时，如果以v2／2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线应是         ，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于         的数值。

（3）在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出纸带如图3所示，其中A点为打下的第一个点，0、1、2……为连续的计数点。现测得两相邻计数点之间的距离分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为T。根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加速度大小表达式为____  _____。在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为___       _____。要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第_________号和第__________号计数点之间的过程为研究对象。

（4）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图4所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。

①打点计时器打出B点时，重锤下落的速度vB=           m/s，重锤的动能EkB=

        J。

②从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为         J。

③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B点的过程中，得到的结论是                                 。

［参考答案：（1）不必要的器材有：秒表、低压直流电源、天平。缺少的器材是低压交流电源、重锤、刻度尺。（2）通过原点的直线、g.    （3）（s6+ s5+ s4- s3- s2 –s1）/9T 2，

（s5+ s6）/2T，1、5.    （4）①1.175，0.69，0.69 ②0.69， ③机械能守恒。］

★教学体会

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。