最新人教版高中物理必修2第七章《实验验证机械能守恒定律》示范教案Word格式文档下载.docx

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导入新课　　　　　

情景导入

视频

回顾：

动能和重力势能的概念．

提问：

什么是机械能？

情景创设（视频）：

瀑布、跳高

请同学们根据提供的情景，描述它们的动能、重力势能是如何变化和转化的？

『生』水从高处下落：

水的重力势能转化为动能．

跳高：

运动员向上跳高的过程中，动能减小，重力势能增加；

减小的动能转化为增加的重力势能．向下则反之．

通过以上事例的分析，你猜想减小的重力势能与增加的动能之间的关系是怎样的？

学生猜想：

现在就通过探究来验证我们的猜想是否正确！

要探究一个物理问题可以从几方面来探究？

　　理论分析

下面以最简单的例子从理论分析和实验探究两方面来研究机械能的转化与守恒问题．

先从理论分析来研究重锤自由下落过程中机械能是否守恒．

①如图所示，忽略空气阻力，设重锤的质量为m，当重锤离地面高度为h1时，重锤具有的机械能是：

E1＝Ek1＋Ep1＝__________

结论：

E1＝Ek1＋Ep1＝mv＋mgh1.

②当重锤继续下落至离地面高度为h2处时，重锤具有的机械能是：

E2＝Ek2＋Ep2＝__________

E2＝Ek2＋Ep2＝mv＋mgh2.

③试着比较重锤从h1高处下落到h2高处时动能的增加量Ek与重力势能的减少量ΔEp相等吗？

（现在就从理论上去推导这两个位置的机械能是否相等）

设问：

如果相等会得出什么结论呢？

引导学生利用已经学习过的动能定理或运动学知识分析推导得出ΔEk＝ΔEp.

即mv－mv＝mg（h1－h2）

由于动能的增加量ΔEk与重力势能的减少量ΔEp相等，因此E1＝E2.

上面是从分析重锤自由下落过程中得出的结论．这个结论具有普遍意义吗？

物体在做斜抛运动时这个结论也正确吗？

分析图中斜抛物体的频闪照片，你也能得出“斜抛物体的动能和势能互相转化，但在任一位置的机械能都相同”的结论吗？

（留给学生课后探究）

总结：

研究证明，在只有重力做功的情况下，不论物体是做直线运动还是做曲线运动，这个结论都是正确的．

机械能守恒定律：

在只有重力做功的情况下，物体的动能和势能可以互相转化，而且机械能的总量保持不变．

即E＝Ek＋Ep＝恒量．

　　实验验证

如何设计一个实验来验证机械能守恒定律呢？

在现有器材的条件下，这节课推荐大家用自由下落的重锤和打点计时器验证机械能守恒定律．

实验装置如图所示：

仪器和器材

电磁打点计时器，学生电源，方座支架，直尺，重锤，纸带，复写纸，导线．

实验前的准备工作：

引导学生：

（1）如何选择纸带

某个位置的机械能能不能测量？

怎样测量？

（2）如何测量计数点的速度？

即v1、v2的速度．

（3）如何测量重锤重力势能的减少量mgΔh和动能的增加量mv－mv？

并用这两个量来验证机械能是否守恒．

由于数据比较多，下面给大家提供了一组参考的数据表格，同学们可以根据自己的实际情况设计更加具体的实验步骤和数据表格．

数据处理参考表格（并借助计算机数表软件处理实验数据）

位移

时间

瞬时速度

动能增加量

势能减少量

差值

x1

t1

v1

x2

t2

V2

mgΔh

　　学生分组实验：

（1）老师及时观察学生的实验并与学生互动．

（2）实验数据分析与处理．

（3）学生汇报实验结果．

这节课我们借助计算机数据表格辅助数据处理．这样使我们处理数据更加简单、方便．

交流讨论（作业）

一个学生骑自行车沿着斜坡自然下滑时，机械能是否守恒．

活动与探究

课题：

对验证机械能守恒定律实验器材的改进

目的：

通过对本实验器材的改进，加深实验内容的理解，培养学生动手动脑的能力．

内容：

1．器材：

铁架台一个，圆柱棒一根（约30cm长的橡胶棒），玩具车马达一个（转速为1440r/min），毛笔一支，白纸，细线，颜料若干．

2．制作方法

（1）将铁架台放于水平桌面上，再将约30cm长的橡胶棒的一端钻一个孔，旋上一螺丝用于系上细线，再将白纸涂上胶水包在圆柱棒上，并把它悬挂在铁架台上方．

（2）再将马达安装在铁架台的中间偏下，把毛笔固定在马达上，调整笔尖在棒的下端位置，笔尖与棒面略微接触就可以了．

3．操作方法

（1）如上图所示，将包有白纸的圆柱棒代替纸带和重锤，蘸有颜料的毛笔固定在马达上并随之转动，使之替代打点计时器，当烧断悬挂圆柱棒的线后，圆柱棒竖直自由落下，毛笔就在圆柱棒面上的纸上画出记号，记下了相应的位置．

（2）替换白纸后，再给毛笔重新添加颜料重做上述实验过程，可做三次以上．

4．实验结论

马达的转速为：

n＝1440r/min＝24r/s，所以周期为：

T＝（1/24）s＝0.042s.

因为马达每转一圈，毛笔随之在圆柱棒上的纸带面上画下一些间断的螺旋线，毛笔所画的旋线之间时间间隔T＝0.042s；

所以，旋线之间的距离的大小，就记录圆柱棒下落的快慢．

因为圆柱棒做自由落体运动，由匀变速直线运动规律所知：

某一段时间内的平均速度等于该段时间内中间时刻的瞬时速度，即v中间时刻＝v平均．

所以可以计算出各记号点的瞬时速度，也就可以计算各记号点之间的动能变化，测出记号点之间的距离，就可以算出重力势能的变化．因此在误差允许范围内，动能的变化等于重力势能的变化，就验证了棒在下落过程中的机械能守恒．

设计点评

验证机械能守恒定律是在学习了机械能守恒定律之后进行的一节实验课，目的在于学习物理规律之后进行，验证物理规律的正确性，巩固和加深对物理规律的理解．本节仍然采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的写法，这为教师在实际教学中提供很大的教学空间．本实验虽然是个验证性实验，但本教学设计突破思维习惯，采用由学生自主提出、验证方法、验证原理、验证步骤及方案的方法，渗透探究型实验的思想．因此，本教学设计注重了在过程中培养学生的科学素养．通过积极的创造性活动，使学生参与并体验了设计方案形成的思维过程，从中体会实验设计的乐趣和艰辛，感悟了科学实验的本质和价值，从而使学生形成科学的情感态度与价值观．本教学设计主要讲解机械能守恒定律的推导，没有大量讲解例题，重点放在机械能守恒定律的含义要讲透，这对下一节的应用课有很大帮助．渗透了能量在物理学习中的重要地位，这是物理力学知识的核心所在．

文本式教学设计

（二）

山东省邹平县长山中学　李敏　石涛

目标要求　　　　　

知识与技能

1．理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量．

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，掌握测量物体运动的瞬时速度的方法．

3．能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析得出实验结论．

4．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．

过程与方法

通过验证机械能守恒定律，体验验证过程与物理学的研究方法．

情感、态度与价值观

通过亲自实践，培养学生观察和实践能力，培养学生实事求是的态度和正确的科学观．

教学重难点　　　　　

1．验证机械能守恒定律的实验原理．

2．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．

学生分组实验．

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．这节课我们通过实验来验证一下机械能守恒定律．

进行新课　　　　　

实验目的：

通过研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，验证机械能守恒定律．

实验原理：

用天平测出重锤的质量，纸带上某两点的距离等于重锤下落的高度，这样就可以得到重锤下落过程中势能的变化．重锤的速度可以用大家熟悉的方法根据纸带测出（即每计数点的瞬时速度），这样就得到它在各点的动能．比较重锤在某一过程的初末状态动能变化与势能变化的多少，就能验证机械能是否守恒．

需用的实验仪器：

（请在所需仪器右面打“√”）

1秒表

2纸带

3刻度尺

4天平

5打点计时器

6复写纸片

7导线、电键

8带有铁夹的铁架台

9带铁夹的实心重锤

10带铁夹的空心重锤

11交流220V，50Hz电源

12高压交流电源

　　主要实验步骤及注意事项：

次序

主要步骤

注意事项

备注

改进措施

1

用天平称出重锤的质量.

2

按课本图所示，把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与交流电源连好.

打点计时器安装时，必须使纸带两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.

这一步你有好的改良意见吗？

把铁架台降低并固定到桌面上．

3

用手握着纸带上端并让纸带保持竖直，让重锤静止地靠近打点计时器.

4

接通电源，松开纸带，让重锤自由落下，纸带上打下一系列小点，断开电源.

先接通电源，后松开纸带.

为什么？

5

换个同学，重复以上2～4步几次，得3～5条纸带.

6

在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起始点标上0，以后各依次标上1、2、3……用刻度尺测出对应高度h1、h2、h3……

挑选打点清晰，且纸带上最前端两点间距接近2mm左右的纸带.

请填写下面数据表格．如果起点不清晰该怎么办？

7

应用公式v＝计算各点对应的速度v1、v2、v3……

请填写下面数据表格.

8

计算各点相对于起点0的势能减少量mghn和动能的增加量mv进行比较.

填写表格．两数据相等吗？

如不相等，分析原因.

9

处理数据，得出结论.

　　数据表格：

（T＝________s，m＝________kg，同一纸带以O点为起点）

计数点

Δh/m

初态

v0/（m·

s－1）

末态

vn/（m·

ΔEp/J

运能增加量

ΔEk/J

对比

ΔEp与ΔEk

　　产生误差原因分析：

（思考出几条，请写出几条）

误差原因

为减小误差操作时应注意方面

　　结论：

_____________________________________________________

结论的评估：

凡固提高

1．在用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：

若用公式计算瞬时速度进行验证，打点计时器所接交流电的频率为50Hz，甲、乙两条实验纸带（如图所示），应选________纸带好．

2．某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：

A．用天平称出重锤的质量；

B．把纸带固定到重锤上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；

C．拆掉导线，整理仪器；

D．断开电源，调整纸带，重做两次；

E．用秒表测出重物下落的时间；

F．用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论；

G．把打点计时器接到低压交流电源上；

H．接通电源，释放纸带；

I．把打点计时器接到低压直流电源上；

J．把打点计时器固定到桌边的铁架台上．

上述实验步骤中错误的是________，可有可无的是________，其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是__________________．（均只需填步骤的代号）

3．在验证机械能守恒定律时，如果以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的h图象应是什么形状才能验证机械能守恒定律？

图线的斜率表示什么？

参考答案：

1．甲

2．上述实验步骤中错误的是E和I，因为实验中不需要测定时间，打点计时器应使用低压交流电源．可有可无的实验步骤是A.正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是：

J、G、B、H、D、C、F.

3．实验数据绘出图象应是通过原点的一条倾斜的直线．由图线的斜率表示重力加速度g.

多媒体教学设计

一、实验目的

二、实验原理

打开“7.9实验：

验证机械能守恒定律．ppt”课件，并切换到第二屏，如图：

首先给出本实验的目的，然后才给出实验原理的前一部分内容．

切换到第三屏给出实验原理的后一部分内容．

图中内容是以填空题的形式先让学生自己思考，然后再给出答案，以加深学生对实验原理的理解．

三、实验方法

先让学生阅读书中的“实验方法”部分内容，然后回答以下问题：

接下来就是对每个问题分别加以分析，如图：

对以上各问题的分析，都是要先给出问题和相应的图片资源等，让学生分析并回答，然后再给出正确的解答以对照，从而加深学生对知识的理解．

四、速度的测量

屏幕切换到第十一屏，如图

先直接给出速度的测量原理和方法，然后让学生分析其中的道理并推导B点瞬时速度的表达式，最后再给出表达式的推导过程，如图：

五、注意事项

屏幕切换到第十四屏，给出两个方面的注意事项，即怎样减小阻力和初末位置的确定，如图：

六、误差分析

这个实验的结果总会出现ΔEp>

ΔEk的情况，对于这个系统误差的分析见图：

可以先提出误差结果，然后让学生先分析造成这种误差的原因，最后再给出合理的解释．

屏幕切换到第十七屏和十八屏，给出本节的两个练习题，如图：

对于这两个练习，也是先让学生自己做，然后再给答案的方法．

最后对本节内容作出总结，如图：

一、“验证机械能守恒定律”

如图所示，用长约0.5m的细线拴住铁球做成摆，细线的上端固定，在悬点的正下方D处放一刮脸刀片，刀片平面取水平方向，刀刃应与摆线的运动方向斜交而不要垂直，见俯视图，这样才能迅速把线割断．仔细调整刀刃的位置，使之恰好能在球摆到最低点时把线割断，割断处应尽量靠近摆球．在水平地面上放一张白纸，上面再放一张复写纸．

实验时，用天平测出小球的质量为m.将摆球偏离平衡位置B，测出小球点在点A处相对于B点的高度h1.释放摆球，当摆球经过平衡位置时，摆线被割断，小球即做平抛运动，落地后在白纸和复写纸上打下落点的痕迹，测出射程l和抛出点离地面的高度h2.则小球在B点时的速度为：

vB＝l.（平抛运动规律同学们在第六章中学习）摆球在A点相对于B点的势能为Ep＝mgh1，在B点时的动能为Ek＝mv＝.比较Ep和Ek，进而得出机械能守恒的结论．

将小球从A′位置释放，重做实验．

请你动手试一试，相信你会有许多收获！

二、如何做好“验证机械能守恒定律”实验

成功地做好此实验的关键有多个方面，其中最关键的一点就是稳固、竖直地安装铁架台和打点计时器，保证重物的下落为自由落体运动，使纸带与打点计时器之间的摩擦力尽量减小．

现行物理教科书上的实验装置在实验中有些不实用，应该进行创新式的改进设计．这是因为：

①计时器本身的重力以及纸带对计时器的摩擦力均会产生一个使计时器转动的力矩，难以保证重物下落时计时器本身的稳固性．②由于计时器的安装偏高，如图甲所示，手提纸带上端时操作困难，一般来说，实验桌高约80cm，铁架台杆高约60cm，即便安在杆高的处，再加纸带的标准长度为82cm，手提纸带上端时的高度约为（80＋40＋82）cm＝202cm，显然此高度会使实验操作困难．

如何改进才能更成功呢？

改进方法：

如图乙所示，降低计时器位置，并让计时器底侧靠在铁架台的底板上，使打点计时器的安装方便、牢固，这样一来虽然纸带的利用率降低，但其有效长度的利用仍然是足够的．