高中物理人教版 (2019)必修 第二册第八章 机械能守恒定律5 实验：验证机械能守恒定律教学设计及反思

第八章　机械能守恒定律

第5节　实验：验证机械能守恒定律

本实验属验证性学生实验，实验目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律，要掌握实验方法和技巧、实验数据的采集与处理，分析实验误差，从而不仅从理论上了解机械能守恒定律，而且通过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。教材中介绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法，要明白其道理。

物理观念：树立能量观念，理解理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量

科学思维：知道实验中选取测量点的有关要求，会测量下落高度和瞬时速度

科学探究：能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析中得出实验结论。

科学态度与责任：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。

1、教学重点：验证机械能守恒定律的实验原理

2、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。

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【新课导入】

上节课我们学习了机械能守恒定律，掌握了机械能守恒定律的条件和公式。

思考：机械能守恒的条件是什么？它有哪些表达形式？

1.条件：仅有重力或弹力做功。

2.表达式：（1）守恒的角度：E1=E2

（2）转化的角度： △Ek增= △EP减

（3）转移的角度： △EA增=△EB减

思考：我们熟知的运动中，哪些运动满足仅有重力做功？

这节课我们通过自由落体运动和物体沿光滑斜面下滑运动来验证一下机械能守恒定律。

【新课内容】

一、实验介绍

1．实验目的：验证机械能守恒定律。

2．实验原理：本实验验证极其简单情形下的机械能守恒──自由落体运动。而且，针对的是及其特殊的过程──从释放点到某位置。

计量重力势能的改变时，只要测量出过程越过的高度，结合当地的重力加速度即可。计量动能改变时，启用了打点计时器──根据打出的纸带求末状态的瞬时速度（依据“匀变速运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”）。

二、实验步骤

1．按图安装实验器材，电源接学生电源，并将输出电压调至4~6V交流。接通电源前，用手提升纸带至重锤靠近打点计时器处。

2．先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。关闭电源，取下纸带备用。

3．重复步骤2两次，打出3条纸带。

4．取点迹清晰，且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量。先将第一点记为O点，然后在纸带上任取5个连续的点（或间隔点数相同的点）1．　2．　3．　4．　5，如下图所示。

5．验证O点到2点过程机械能守恒的方程为：mgh2 =m，其中T为1点到2点（或2点到3点）之间的时间间隔，如果在误差允许的范围内等式成立，试验就是成功的。同理，可以验证O点到3点过程、O点到4点过程的机械能是否守恒。

6．拆下器材，放回原处。

三、数据处理&分析

好，依据刚才的实验，我们采集整理以下信息：

实验结论：

在实验误差允许的范围内，重锤减少的重力势能     增加的动能，所以，总的机械能是         。

过渡：另外，我们还有一些细节问题需要特别注意，下面一起来汇总。

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。

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）。

上好实验课的一个重要前提是要有耐心。通过机械能守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。。