2020-2021学年高中物理 第四章 机械能和能源 第5节 验证机械能守恒定律教案 粤教版必修2

验证机械能守恒定律
教学目标
一、知识目标
1.学会以“自由落体运动”为例，利用打点计时器验证机械能守恒定律的方法。

包括实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、数据处理的方法和注意事项以及误差分析等。

二、核心素养目标
1．学会自我学习，通过视频和模拟实验的学习，完成验证实验过程。

2．学会团队合作，通过小组合作学习提高实验操作的效率和准确率。

3．学会采集和处理数据的能力，树立“实践是检验真理唯一标准”的科学观。

4．培养学生珍惜能源爱护环境的的环保意识。

5．渗透感恩与爱的教育。

教学重点以“自由落体运动”为例，利用打点计时器验证机械能守恒定律。

教学难点数据处理的方法
教学策略
学生在前面已经做过《练习使用打点计时器》和《探究自由落体运动》这两个实验，这节课是以“自由落体运动”为例，利用打点计时器验证机械能守恒定律，实验操作和《探究自由落体运动》大同小异，因此这节课的重点不是实验操作，而是数据处理的方法。

课堂上我通过计算机模拟实验复习实验的操作过程，而不再进行实际实验操作，既让学生巩固实验操作过程，又能留下更多的时间给学生去学习数据处理的方法。

物理教学、特别是物理实验教学，必须是以事实为基础，我们不能给学生一段“虚拟的纸带”去学习。

因此课前我通过实验打出了很多条比较准确的“纸带”，把这
些真实实验的“纸带”发给学生进行学习。

本堂课通过“模拟实验”、“微课视频”和“真实实验”相结合，大大提高了课堂容量和教学效率。

教具准备电脑模拟实验软件教学视频实验装置1套
教学过程预设
一、导：
1．机械能守恒定律的内容及其条件是什么？
2．做自由落体运动的物体，是否符合机械能守恒的条件？
3．如何验证做自由落体运动的物体，机械能是守恒的？
二、思学生带耳机自主学习。

通过操作模拟实验和观看教学视频学习。

每组4位同学，每位同学分配看其中一个教学视频，不需要看完全部的教学视频。

三、议
每位学生向其他小组成员讲述自己看的那个教学视频的内容，通过交流讨论，让每位学生都掌握4个教学视频的内容。

主要学习以下内容：
（一）实验器材
铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6 V).
思考与讨论1：验证机械能守恒定律实验中是否需要用到天平？
教学视频1
答案不需要天平.不需要测量重物的质量m.
（二）实验原理
1.在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能转化为动能，总的机械能守恒，即mgh ＝12
mv 2
.
2.物体下落高度的测量：用毫米刻度尺测量纸带测出.
3.物体瞬时速度的计算：纸带上第n 个点的瞬时速度等于这个点前后相邻两点间的平
均速度v n ＝h n ＋1－h n －1
2T
(h n ＋1、h n －1分别为第n ＋1个点、第n －1个点到第一个点的距离).
思考与讨论2：要确定物体的动能，需测出物体下落一定高度时的速度.根据已学过
知识，可有三种方法：(1)v n ＝2gh n ；(2)v n ＝gt n ；(3)v n ＝h n ＋1－h n －1
2T
，本实验应采取哪
种方法？ 教学视频2
答案 第(3)种方法.即从纸带上直接求出物体实际下落的速度，而不能用理论值计算，同样的道理，重物下落的高度h 也只能用刻度尺直接测量，而不能用h ＝12gt 2或h ＝v 2
2g 计
算得到.
（三 ）实验步骤
1.安装仪器：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路.
2.打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方.先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。

3.选纸带：选取点迹较为清晰且第1点和第2点间的距离约为2 mm 的纸带，把纸带上打出的第一个点作为起始点，记作0，在距离0点较远处再依次选出计数点1、2、3… 思考与讨论3：为什么要选取第1点和第2点间的距离约为2 mm 的纸带？ 教学视频3
答案 因为纸带做自由落体运动，第1点与第2点的时间间隔是0.02s ，根据s=12gt 2=
1
2x10x0.022=0.002m=2mm .
4.测距离：用刻度尺测出0点到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h 1、h 2、h 3…
（四）数据处理 本节课堂上学生只利用方法一，其他方法留待以后学生自己看视频学习。

1.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mgh n ，动能增加量为12mv 2n ，计算gh n 和12v 2
n ，
如果在实验误差允许的范围内gh n ＝12v 2
n ，则机械能守恒定律得到验证.
2.方法二：教学视频4
任取两点A 、B,重力势能减少量为mgh A －mgh B ，动能增加量为12mv 2
B －12mv 2A ，计算gh AB
和12v 2B －12v 2A ，如果在实验误差允许的范围内gh AB ＝12v 2B －12v 2
A
，则机械能守恒定律得到验证.
（五）误差分析
重物下落要克服阻力做功，因此减小的重力势能略大于增加的动能. （六）注意事项
1.尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：
(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力. (2)应选用质量和密度较大的重物，以减小阻力的影响.
2.实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直.接通电源后，等打点计时器工作稳定再松开纸带.
3.纸带选取时以第一个点为起点时，要验证的是12mv 2n ＝mgh n ，必须保证纸带上的第一
个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距约为h ＝12gt 2＝1
2
×10×(0.02)2 m
＝2 mm.
4.计算速度时不能用v＝gt或v＝2gh，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误.
四、展
五、评
学生展示和教师点评环节合并同时进行，一边展示一边点评。

把学案拍照上传到主机。

教师展示学生实验数据的采集和处理结果，并得出机械能守恒的结论。

还可请同学展示模拟实验的测量数据和计算数据的过程。

六、检课堂练习
在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，查得当地的重力加速度g＝9.8 m/s2，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图3所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D分别是每打两个点取的计数点.则重物由O点运动到B点时(重物质量为m kg)
图3
(1)重力势能的减少量是________J。

动能的增加量是________J。

(2)重力势能的减少量______(“略大于”或“略小于”)动能的增加量，原因是______.
(3)根据计算的数据得出的结论：__________________.
答案(1)1.911m 1.89m (2)略大于重物下落要克服阻力做功
(3)在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，即机械能守恒
七、练
课后作业
1．在用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验时．
(1)为了减小实验误差，下列做法合理的是________．
A．用天平测重锤质量时，采用多次测量取平均的方法
B．用刻度尺测重锤下落高度时，采用多次测量取平均的方法
C．选用体积小的，可以看做质点的重锤做实验
D．释放重锤前，通过目测的方法使连接重锤的纸带尽量竖直
2．某同学做验证机械能守恒定律的实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分．剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中，单位是cm.打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度取g＝9.8 m/s2.
(1)重物在2点的速度v2＝________，在5点的速度v5＝________，此过程中动能增加量ΔE k＝________，重力势能减少量ΔE p＝________.由以上可得出实验结论：____________________.
答案：(1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03m J 1.06m J 在误差允许的范围内，机械能守恒。