高中物理必修二第8章第5節(jié)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律教學(xué)設(shè)計(jì)

1、21世紀(jì)教育網(wǎng) 精品試卷第 PAGE 2 頁 （共 NUMPAGES 2 頁）人教版高中物理必修2教學(xué)設(shè)計(jì)課題 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律單元8學(xué)科物理年級高一教材分析本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第8章第5節(jié)的內(nèi)容。本課時(shí)內(nèi)容是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)處理。本課時(shí)是在機(jī)械能守恒定律基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。學(xué)生在掌握機(jī)械能守恒定律需要滿足的條件的基礎(chǔ)上，通過對實(shí)驗(yàn)處理，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。機(jī)械能守恒定律在物理學(xué)理論和應(yīng)用方面十分重要，是高中物理的重點(diǎn)內(nèi)容，為今后學(xué)習(xí)動(dòng)量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用。但這種思想和有關(guān)的概念、規(guī)律，由于

2、其抽象性強(qiáng)，學(xué)生要真正的掌握和靈活運(yùn)用還是很困難。本節(jié)內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律之后，目的是為了使學(xué)生在理論上對機(jī)械能守恒定律有所了解的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)測量及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，對機(jī)械能守恒定律及條件有深刻的認(rèn)識。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一、教學(xué)目標(biāo)1要弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康模緦?shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是利用重物的自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2要明確實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法與技巧、學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差的分析，深化對機(jī)械能守恒定律的理解。3通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力。二、核心素養(yǎng)物理觀念：通過同學(xué)們的親自操作和實(shí)際觀測掌握實(shí)驗(yàn)的方法與技

3、巧并構(gòu)建能量觀念?？茖W(xué)思維：通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)廈實(shí)驗(yàn)誤差分析的能力?？茖W(xué)探究：通過對紙帶的處理過程培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會(huì)處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過實(shí)驗(yàn)及誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生對物理規(guī)律的探知欲。重點(diǎn)1驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理。2實(shí)驗(yàn)原理及方法的選擇及掌握。難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)誤差分析的方法。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖導(dǎo)入新課知識回顧：機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容是什么？只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢能相互轉(zhuǎn)化時(shí)總的機(jī)械能保持不變。上節(jié)課我們從理論上學(xué)習(xí)了機(jī)械能

4、守恒定律，我們從定律內(nèi)容及守恒條件上初步理解了機(jī)械能守恒定律，今天我們通過自己親身實(shí)驗(yàn)從感性上對定律再做進(jìn)一步的理解。學(xué)生回憶機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容 溫故而知新為本節(jié)實(shí)驗(yàn)的順利完成作鋪墊講授新課一、實(shí)驗(yàn)思路機(jī)械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件。想一想，滿足這一條件的過程有哪些？1.自由落體運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能與勢能變化自由落體運(yùn)動(dòng)中只有重力做功，滿足機(jī)械能守恒的條件。自由落體2.物體沿光滑斜面下滑中動(dòng)能與勢能變化沿光滑斜面下滑的物體受重力和支持力，但支持力與物體位移方向垂直對物體不做功，這種情況也滿足機(jī)械能守恒的條件。3.用細(xì)線懸掛的小球擺動(dòng)中動(dòng)能與勢能變化細(xì)線的拉力與

5、小球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，對物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個(gè)過程中只有重力做功，也滿足機(jī)械能守恒的條件。以上幾種情況都可以用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。二、物理量的測量驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，涉及的物理量有動(dòng)能和勢能，所以需要測量物體的、以及物體的這三個(gè)物理量。答案:質(zhì)量;物體所處位置的高度;運(yùn)動(dòng)速度注意：如果實(shí)驗(yàn)要求計(jì)算勢能和動(dòng)能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量；如果只是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律可以不測物體的質(zhì)量。三、數(shù)據(jù)分析根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中可采用兩種驗(yàn)證方案來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。1.計(jì)算物體在選定位置上動(dòng)能與勢能的和是否滿足2.計(jì)算重物在某兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化和勢能變化是否

6、滿足本實(shí)驗(yàn)我們提供物體做自由落體運(yùn)動(dòng)及沿光滑斜面下滑這兩種方案來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)一：研究自由下落物體的機(jī)械能（一）實(shí)驗(yàn)原理在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢能減少，動(dòng)能增加，如果重力勢能的減少量動(dòng)能的增加量，就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.答案:等于（二）實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(46 V).（三）實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝置：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺上，把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔。2.打紙帶：用手提著紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器附近。然后先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落。3.更

7、換紙帶，重復(fù)幾次。3.紙帶的處理方法1：利用起點(diǎn)和距起點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)從打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)0，且開始的兩點(diǎn)間距接近2mm的一條紙帶，在起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時(shí)間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3.用刻度尺測出0到1、2、3的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3.m=0.2992kg g=9.8m/s2計(jì)數(shù)點(diǎn)nhn/mVn/ms-1mghn10.144020.17901.860.52480.517630.21842.0650.64040.637940.26162.2580.76710.762750.30872. 4350.90520.888760.35902.6351

8、.05261.038770.4141結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)重力勢能減少量為mghn動(dòng)能增加量相等即機(jī)械能守恒。出示驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律視頻。思考：紙帶上的頭兩個(gè)點(diǎn)間的距離為什么應(yīng)接近2mm？因?yàn)槠鹗键c(diǎn)的速度應(yīng)該為零，t=0.02s，g=10m/s2方法2：任取兩點(diǎn)A、B方法2：任取兩點(diǎn)A、B任取兩點(diǎn)A、B，計(jì)算重力勢能的減少量mghA-mghA動(dòng)能增加量 如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。4.整理器材，使器材復(fù)位思考討論1：實(shí)驗(yàn)時(shí)，其實(shí)可以不測量物體的質(zhì)量。想一想，這是為什么？驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，需要驗(yàn)證：或只需驗(yàn)證 或 即可因此可以不測量物體的質(zhì)量。思考討論2：速度能不

9、能用v = gt計(jì)算？參考答案：這種方法認(rèn)為加速度為g ，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實(shí)際加速度必將小于g，這樣將得到機(jī)械能增加的結(jié)論，有阻力作用機(jī)械能應(yīng)該是減少的，故這種方法也不能用。思考討論3：如何測量物體的瞬時(shí)速度?參考答案：自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，所以可以根據(jù)學(xué)過的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來物體的瞬時(shí)速度。做勻變速運(yùn)動(dòng)的紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于相鄰兩點(diǎn)間的平均速度。vB vAC平 均=B 點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于 A、C 點(diǎn)之間的平均速度（四）實(shí)驗(yàn)中需要注意的問題：1. 重物下落過程中，除了重力外會(huì)受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對實(shí)驗(yàn)的影響？阻力主要有空氣阻力、紙帶與計(jì)時(shí)器間的摩擦阻力等

10、。選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小空氣阻力；安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩紙帶限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。2. 重物下落時(shí)，最好選擇哪兩個(gè)位置作為過程的開始和結(jié)束的位置？開始點(diǎn)選擇紙帶上的起點(diǎn)，且第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近2mm。終結(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇距起點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，這樣測是的相對誤差較小。3.實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落。4.實(shí)驗(yàn)中要克服阻力做功，所以動(dòng)能增加量必定稍小于重力勢能減少量。5.本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測重物的質(zhì)量m。（五）誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差，測量時(shí)采取多次測量求平均值的方法來減小偶然誤差。重物和紙帶

11、運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.實(shí)驗(yàn)中注意安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.2.應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力相對減小.3.實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.4.本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測重物的質(zhì)量m。例題“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)采用重物自由下落的方法。(1)本實(shí)驗(yàn)中，除鐵架臺、夾子、交流電源、紙帶和重物外，還需選用的儀器是

12、_。A.秒表 B.刻度尺 C.天平 D.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(2)在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，得到一條紙帶如圖2所示，圖中O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一點(diǎn)，可以看做重物運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，若重物的質(zhì)量為1 kg，已知相鄰兩點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02 s，圖中長度單位是cm，g取9.8 m/s2，則打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下B點(diǎn)時(shí)，重物的速度VB= _ m/s。從起點(diǎn)O到打下B點(diǎn)的過程中，重物動(dòng)能的增加量Ek=_ J，重力勢能的減小量EP= _ J，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)動(dòng)能的增加量略小于重力勢能的減少量，為什么_ 。(以上計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(1)【答案】BD【解析】根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，需要計(jì)算重物重力勢能的減少量，所以需要刻度尺測量

13、高度，動(dòng)能的表達(dá)式中需要有重物的速度，所以需要使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)來計(jì)算瞬時(shí)速度的大小，方程兩邊都有質(zhì)量，所以不需要天平，綜上本題選BD。(2)【答案】0.97，0.47J ，0.48J，重物克服阻力做功【解析】根據(jù)平均速度等于該段時(shí)間內(nèi)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度可得，vB=xAC/2T=(0.0702-0.0313)/0.04 m)/s=0.97 m/s，重物動(dòng)能的增加量Ek=1/2 mv20.47J；重力勢能的減小量EP=mgh0.48J，實(shí)驗(yàn)過程中，由于有阻力，所以重物減少的重力勢能會(huì)有一部分轉(zhuǎn)變成熱量，所以導(dǎo)致動(dòng)能的增加量略小于重力勢能的減少量。實(shí)驗(yàn)二：研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能（一）實(shí)驗(yàn)器材氣

14、墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、滑塊研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能的實(shí)驗(yàn)裝置思考討論1：為什么利用氣墊導(dǎo)軌可以提高實(shí)驗(yàn)的精確度？參考答案：因?yàn)闅鈮|導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來的壓縮空氣從小孔噴出，使得滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣層，兩者不會(huì)直接接觸。這樣，滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力很小，實(shí)驗(yàn)的精確度能大大提高。思考討論2：你知道數(shù)字計(jì)時(shí)器是如何計(jì)時(shí)的嗎？參考答案：計(jì)時(shí)系統(tǒng)的工作要借助于光源和光敏管（統(tǒng)稱光電門）。光源與光敏管相對，它射出的光使光敏管感光。當(dāng)滑塊經(jīng)過時(shí)，其上的遮光條把光遮住，與光敏管相連的電子電路自動(dòng)記錄遮光時(shí)間，通過數(shù)碼屏顯示出來。根據(jù)遮光條的寬度和遮光時(shí)間，可以算出滑塊經(jīng)過時(shí)的速度。因?yàn)檫@樣的計(jì)時(shí)

15、系統(tǒng)可以測出 0.001 s 的時(shí)間，并且能直接以數(shù)字顯示，所以又叫數(shù)字毫秒計(jì)。（二）實(shí)驗(yàn)步驟：1.把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時(shí)，重力勢能減小，動(dòng)能增大。2. 用光電門測量滑塊的瞬時(shí)速度。測量滑塊下降的高度 h 和初、末速度 v1 、v23.如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。課堂練習(xí)1. 在做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)重物減少的勢能總是大于重物增加的動(dòng)能,造成這種現(xiàn)象的主要原因是() A. 選用的重物質(zhì)量過大 B. 空氣對重物的阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對紙帶的阻力 C.選用的重物質(zhì)量過小 D. 實(shí)驗(yàn)時(shí)操作不太仔細(xì),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確 答案:B2. 某位同學(xué)做“

16、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，下列操作步驟中錯(cuò)誤的是() A. 把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線連接到低壓交流電源上 B. 將連有重物的紙帶穿過限位孔，將紙帶和重物提升到一定高度 C. 更換紙帶,重復(fù)實(shí)驗(yàn),根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù) D.先釋放紙帶，再接通電源答案:D3. 驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于入射小球在斜槽上釋放點(diǎn)的高低對實(shí)驗(yàn)影響，下列說法正確的是 () A. 釋放點(diǎn)越低,小球受阻力越小，入射小球速度越小，誤差越小 B. 釋放點(diǎn)越低,兩球碰后水平位移越小，水平位移測量的相對誤差越小，兩球速度的測量越準(zhǔn)確 C. 釋放點(diǎn)越高，兩球相碰時(shí)，相互作用的內(nèi)力越大，碰撞前后動(dòng)量之差越小,誤差越小 D.

17、釋放點(diǎn)越高，入射小球?qū)Ρ慌鲂∏虻淖饔昧υ酱?，軌道對小球的阻力越?。 答案: C4.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,下列說法正確的是()A.重錘的質(zhì)量相等時(shí),密度大的好B.必須用天平稱出重錘的質(zhì)量，以便計(jì)算重錘的重力勢能和動(dòng)能C.為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,重錘的質(zhì)量要適當(dāng)大一些D.重錘下落的瞬時(shí)速度可用v=gt求出答案: AC拓展提高1. 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律可以采用研究自由落體運(yùn)動(dòng)的方法，也可以采用研究物體從斜面上自由下滑運(yùn)動(dòng)的方法，但后者誤差較大，其原因是_。為了減小誤差，提出如下措施：A.減小物體的質(zhì)量 B.增大物體的質(zhì)量 C.減小斜面的傾角 D.增大斜面的傾角 E.用小車代替滑塊 F.給物體一

18、定的初速度合理的措施是：?！敬鸢浮磕Σ磷枇Φ挠绊? DE2. 如圖是用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)得到的一條紙帶，有關(guān)尺寸在圖中已注明，我們選中n點(diǎn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，下面舉一些計(jì)n點(diǎn)速度的方法,其中正確的是 ()A.n點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn),則vn=gnTB.n點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn),則vn=g(n-1)TC.vn=(xn+xn+1）/2TD.vn=(hn+1- hn- 1)/2T【答案】C3. 用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)紙帶算出相關(guān)的速度v,量出下落距離h,則以v22為縱軸,以h為橫軸,畫出的圖像應(yīng)是下圖中的()A. B. C. D. 【答案】C閱讀課文總結(jié)實(shí)驗(yàn)思路閱讀課文掌握驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律需要測量的物理量閱讀課文知道驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的方案。學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)器材組裝實(shí)驗(yàn)儀器學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)步驟掌握操作過程并動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作在教師的引導(dǎo)下學(xué)生學(xué)習(xí)怎樣處理數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)械能守恒學(xué)生思考討論并回答學(xué)生動(dòng)手測量數(shù)據(jù)并計(jì)算學(xué)生思考討論并回答