高中物理5 实验：验证机械能守恒定律教学设计

科目

物理

课题

实验：验证机械能守恒定律

课时

1课时

教学目标与

核心素养

一．知识与技能

1. 理解实验的设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量；

2. 知道实验中选取测量点的有关要求。会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离。

二．过程与方法

1. 能正确进行实验操作，能根据实验数据的分析得出实验结论；

2. 能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差。

三．情感态度与价值观

1. 理解实验的设计思路，自主思考实验设计思路，加强实验能力；

2.能够独立分析产生实验误差的原因，并且尽量减小实验误差，通过实验理解机械能守恒定律。

教学重、

难点

教学重点：1. 理解用落体法验证机械能守恒定律；

2. 理解用光滑斜面法验证机械能守恒定律。

教学难点：1. 学会用平均速度法求解瞬时速度；

            2. 学会用图像法处理实验数据并运用所学知识处理实验误差。

教学准备

课件演示、电火花计时器、重物、纸带、铁架台、烧瓶夹、电源

教

学

过

程

教师活动

学生活动

设计意图

一．导入新课：

机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。下面我们通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能变化，从而验证机械能守恒定律。

讲授新课：

（1）实验思路

【教师引导】方案一：自由落体运动

做自由落体运动的物体，如果忽略微小阻力作用，机械能是守恒的，即重力势能的减少量等于动能的增加量。

方案二：物体沿光滑斜面下滑

物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直(如图)，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。

【教师补充引导】实验思路的两点说明：

（1）实验验证只有重力做功时，物体的机械能守恒，因此设计实验要求是物体只受重力作用或除重力做功外，其他力不做功。

（2）实验中阻力做功不可避免，我们应当尽量减小阻力做功的影响，用落体法验证时，要求重物的质量大一些，使重力远大于阻力；用光滑斜面法验证时，用气垫导轨铺设斜面，使阻力减至最小。

（2）物理量的测量

【教师引导】研究对象确定后，还需要明确所测的物理量和实验器材。根据重力势能和动能的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。

（3）数据分析

【教师引导】根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足mv＋mgh2＝mv＋mgh1

也可以计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足mv-mv＝mgh1-mgh2

本实验我们提供物体做自由落体运动及沿光滑斜面下滑这两种方案。

【教师补充】用落体法验证机械能守恒定律

1、实验步骤

（1）仪器安装:按图示装置竖直架稳打点计时器，并用导线将打点计时器接在电源上。

（2）打纸带:将长约1m的纸带用小夹子固定在重物上后穿过打点计时器，用手提着纸带，使重锤静止在靠近打点计时器的地方。接通电源，松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器就在纸带上打下一系列的点。

（3）换几条纸带，重复上面的实验。

2、数据处理

（1）求瞬时速度

在取下的纸带中挑选第1、2两点间距离接近2mm且点迹清晰的纸带进行测量。记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点0、1、2、3、…、n+1并测量出各计数点到O点的距离h0、h1、h2、h3、…、hn+1，再根据公式，计算出1、2、3、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、…、vn。

（2）机械能守恒验证

方法一：利用起始点和第n点

从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为mv，如果在实验误差允许的范围内mv＝mghn，即v＝ghn成立，则机械能守恒定律得到验证。

方法二:任取两点

①任取两点A,B，测出hAB，求出ghAB。

②分别求出A、B两点的瞬时速度vA、vB，求出mv－mv的值。

③如果在实验误差允许的范围内v－v＝ghAB，就证明机械能是守恒的。

方法三：图像法

计算各计数点的v2，以v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2­h图线。若在实验误差允许的范围内，图像是一条过原点且斜率为g的直线，如图所示，则验证了机械能守恒定律。

（3）误差分析

①本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服空气阻力及打点计时器的摩擦阻力做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp，这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装和选用质量和密度较大的重物，尽可能地减小阻力的影响。

②本实验的偶然误差主要来源于长度的测量。减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各计数点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值。

用气垫导轨验证沿斜面下滑物体的机械能守恒

1、实验步骤 

（1）器材安装: 按图示安装器材，调节气垫导轨至倾斜状态，测出两光电门所在位置的高度差Δh。

（2）实验测速：连通进气装置，使气垫导轨开始工作，从静止释放滑块，分别侧出滑块经过两个光电门的遮光时间Δt1、Δt2。

（3）重复实验：从不同的位置释放滑块，分别测出遮光时间。

2、数据处理

（1）速度的测量：用游标卡尺测出滑块上遮光片的宽度d，读出遮光条通过光电门的遮光时间，则滑片通过光电门的速度。

（2）验证关系式

方式1（两个光电门）：分别测出滑块经过两个光电门的速度和，用刻度尺测出两光电门的高度差Δh，验证在误差范围内是否满足。

方式2（一个光电门）：让滑块从光电门上方某一位置由静止释放，测出该点到光电门的高度差△h和滑块经过光电门的速度，验证在误差范围内成立。                                                                                                                   

课堂练习：

1、某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，从打出的 一条纸带中选取了清晰的点进行研究，根据所学的知 识计算出打2、3两计数点时纸带的瞬时速度，并用表示，用刻度尺测量出2、3两计数点之间的距离，用 表示。验证机械能守恒定律的关系式应为（   ）

A.   B.

C.

D.

答案：B

2、用如图所示装置验证机械能守恒定律,由于电火花计时器两限位孔不在同一竖直线上,使纸带通过时受到较大的阻力,这样实验造成的结果是（   ）

A.重力势能的减少量明显大于动能的增加量

B.重力势能的减少量明显小于动能的增加量

C.重力势能的减少量等于动能的增加量

D.以上几种情况都有可能

答案：A

3、做“验证机械能守恒定律”的实验时,一同学分析得出的实验结果是重锤重力势能的减少量小于动能的增加量。下列对造成该实验结果的原因分析正确的是(   )

A.空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力
B.选用重锤的质量过大
C.交流电源的频率大于
D.交流电源的频率小于

答案：D

4、某实验小组的同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，进行了如下的操作：

A.取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O,在距离O点较远处选择连续几个计数点（或计时点）

B.用天平称出重物和夹子的质量

C.计算出和看两者是否相等

D.固定好打点计时器，将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，让重物尽量靠近打点计时器

E.先接通电源，后松开纸带，开始打点。并如此重复多次，以得到几条打点纸带

F.测出各点到O点的距离，即得到重物下落的高度，并计算出各点的速度值

在以上的操作中不必要的是___________;然后将必要的操作进行正确排序:______________.

答案：B，DEAFC

5、利用如图甲所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验,按正确的实验操作得到几条打上点迹的纸带。 打点计时器的打点周期。通常要求从其中挑选头两个计时点(0、1两计时点)间的距离接近 的纸带进行测量。但一位同学未按此要求,选取了一条操作正确、点迹清楚但头两个计时点(0与1 计时点)间的距离明显小于的纸带进行标点(标出0、1、2、3、…、各实际点迹)、测量(测出各点与 0点的高度差)，如图乙所示,那么能否用它正确计算比较点n位置处的动能与重力势能的对应关系(),即能否验证？__________,理由是_________,列出点n处瞬时速度的计算式(应用从纸带上读取的数据) =____________.

答案：能，因为运动性质仍为自由落体，只要将的位置除外即可，

6、用如图甲所示的实验装置验证质量为的物块A、质量为的物块B组成的系统的机械能守恒,B从高处由静止开始下落,A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。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带:0是打下的第一个点,每相邻两计数点之间还有4个点 (图中未标出),计数点间的距离如图所示。已知,打点计时器的频率为。 (结果均保留2位有效数字)

(1)在纸带上打下计数点5时物块的速度=_______.

(2)在打下计数点0到计数点5的过程中系统动能的增量 =__________J,系统势能减少量=___________ J。(当地重力加速度g约为)

(3)若某同学作出图像如图丙所示,则当地的重力加速度______________.

答案：（1）2.4，（2）0.58，0.59；（3）9.7

【课后作业】完成相关课后题

学生思考机械能守恒定律的意义

学生经过老师引导，体会验证机械能守恒定律的实验思路

引导学生思考数据分析

思考落体法验证机械能守恒定律

计算实验中瞬时速度

理解气垫导轨验证沿斜面下滑物体的机械能守恒的方法

学生练习

学生练习

学生练习

通过回顾上节学过的知识，激发学生的学习兴趣，引出本节课题

通过联系之前已知的知识，思考如何设计实验

理解落体法验证机械能守恒定律的实验步骤、数据处理

引导学生自主总结理解机械能守恒验证方法

引导学生对验证机械能守恒实验的理解和判断

巩固本节知识

巩固本节知识

巩固本节知识

板书设计

§8.5  实验：验证机械能守恒定律

一、            实验思路

二、            物理量的测量

三、            数据分析

教学后记

引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。