验证机械能守恒定律教案-物理-教学设计-人教版.doc

(完整word)验证机械能守恒定律教案_物理_教学设计_人教版
第九节 验证机械能守恒定律
（宗彦峰 陕西师大附中 710061）
【教材版本】 人教版
【设计理念】 通过对本节课的学习,培养学生积极体会物理规律的形成，进一步树立问题意识，培养学生的钻研意识，提高分析和解决问题的能力
【教材分析】 本节内容安排在学习了机械能之后，目的是为了使学生在理论上对机械能对机械能守恒定律有所理解的基础上，通过测量及对实验数据的分析处理，对机械能守恒定律及其条件有深刻的认识。
【学情分析】 学生对实验中用到的一些基本仪器，如打点计时器、天平的测量仪器已经比较熟悉,实验的操作过程也比较简单.
【教学目标】
1、知识与技能
1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度.
2.掌握验证机械能守恒定律的实验原理.
2、过程与方法
通过用纸带与打点计时器来验证机械能守恒定律，体验验证过程和物理学的研究方法。
3、情感、态度与价值观
通过对机械能守恒定律的实验验证，使学生像科学家那样经历了一次科学研究的过程，会体验到发现、创造和成功的乐趣。激发学习的兴趣;通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观,达到逐步培养学生实事求是的科学态度的目的。
【重点难点】
1、教学重点
实验的设计思路、瞬时速度的测定及其实验数据的采集和处理。
2、教学难点
实验误差的分析
【教学方法】实验方案的设计+实验指导+交流讨论
【教学思路】通过分组设计验证规律的实验方案，并按照实验方案进行实际操作、观察、测量、记录和处理实验数据。在实验时，学生一定会遇到许多预料不到的问题，如设计的实验方案理论上可行,但实验误差较大、或实验条件不具备、或安全有问题等，不断的讨论、修改实验方案并进行实验的过程中体会科学研究的过程。
【教学过程】
一、课前准备
1、下发实验要求：设计一种或几种能够验证机械能守恒定律的实验方案。
生活中，动能与势能相互转化的现象是非常多的，因此，验证机械守恒定律的途径和方法不只一种.不管你采用什么途径和方法进行实验，都必须考虑实验条件，请同学们自己设计能够验证机械能守恒定律的可行性的实验方案.
2、在设计实验方案时，综合运用所学的知识，确定实验方法，形成一个初步的实验方案。
最初的实验方案往往不很完善，和同学的方案进行交流，可能会发现实验方案中的问题,然后再想方设法进行改进，最后形成一个可行的方案,并整理后提交，以便于我们上课交流。
3、下面的器材可以选用，也可以不用。
气垫导轨、小气源、计数器、光电门、挡光片、滑块、刻度尺、打点计时器、纸带、铁架台、钩码、夹子、细线、带孔小钢球。电子频闪灯
二．理论推导
物体做自由落体运动中机械能是不是守恒？如果守恒，怎样推导出机械能守恒定律在自由落体运动中的具体表达式呢?
如图1所示,一个质量为的物体自由下落，经过高度为的点时速度为，下落到高度为的点时速度为，试写出物体在点时的机械能和在点时的机械能，并找到这两个机械能之间的数量关系。

解:由于机械能等于物体的动能和势能之和
所以点的机械能等于
点的机械能等于
在自由落体运动中,物体只受重力的作用，据动能定理得:
由于重力对物体所做的功等于重力势能的减少，
即：
所以：
本节课我们就是要通过实验来验证这个表达式。
三．实验过程
环节1、展示设计方案
根据大家设计和提交的方案来看，主要有这样的几种设计思路：
1.利用打点计时器记录匀变速直线运动的位置变化情况。

2.利用气垫导轨光电门记录匀变速直线运动的位置变化情况。

3。利用频闪照片记录匀变速直线运动的位置变化情况。

4。利用单摆来验证机械能守恒定律。

下面我们就第一种设计思路做一下分析，其他两个大家下去讨论并在实验过程中加以体会和理解。（ppt展示四种设计思路对应的实验装置及其原理,学生自行设计实验步骤，并进行误差分析)
环节2、利用打点计时器验证机械能守恒应注意的问题
问题1：实验中需要用到什么仪器？装置如何?
（重物、打点计时器、纸带、复写纸、电源及导线、铁架台和铁夹、刻度尺、小夹子)问题2:打点计时器的作用是什么？
（记录在纸带上打出的点,用这些点来求出物体经过某一点的速度，从而可以确定物体运动到该点的动能）
问题3:实验中是如何验证机械能守恒？具体做法怎样？
（在只有重力做功的运动过程中，只要能够确定任意两点的高度(或高度差)和速度,就可以验证这个过程的机械能是否守恒。
或者
问题4：在处理数据时，是不是像以前一样每5个点取一个计数点呢？也就是说每0。1s为一个时间间隔呢？
（如果时间间隔是0。1s,由于自由落体加速度比较大，很容易出现纸带上的点数不够用的情况，所以时间间隔不能太长）
问题5：实验中用到的重锤如何选择?
（选择密度比较大、质量相对比较大的重锤,可以减小因为空气阻力带来的误差.）
问题6：速度如何测量?

A、B、C是纸带上相邻的三个点,由于已经知道纸带以加速度a做匀加速运动，所以A、C两点的距离可表示为:

式中“2Δt”是A、C两点的时间间隔。
这样，A、C之间的平均速度可以写成：

另一方面根据匀加速运动速度与时间的关系知道：

所以:
即：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度。
问题7:误差分析
重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带和计时器之间的摩擦力;计时器平面不在竖直方向上；纸带与计时器不平行；交流电的频率不等于50Hz;测量数据时的误差等等。
环节三、实验步骤（参考)
1．把打点计时器安装在铁架台上，用导线将电源和打点计时器接好。
2．把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带,使重锤停靠在打点计时器的附近.
3．接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点.
4．重复上一步的过程，打到三到五条纸带。
5．选择一条点迹清晰的纸带，在起始点标上0，以后各点一次为1、2、3……用刻度尺测量对用下落的高度h1、h2、h3……记入表格中。
6．用公式,算出各点瞬时速度、、……并记录在表格中。
7．计算各点的重力势能的减少量和动能的增加量,并进行比较，看是否相等,将数值填入表格中。
8．数据的记录（参考表格）(重锤质量）
各计数点
1
2
3
4
5
6
下落高度

速度

动能

势能

结论

环节四：学生实验过程：
环节五：实验 验证机械能守恒定律 规律总结
1。构思实验的方案应从实验的目的和原理出发,并结合现有的实验条件；实验过程中测量工具的选择应根据实验原理中涉及的物理量和实验精确度的要求选取.例如，测量一个小球的直径要用游标卡尺,测量一根长约1 m的线用毫米刻度尺即可;实验器材的安装应从操作方便、实验误差小等方面考虑；实验步骤的设计和实验器材安装遵循的原则基本一致；实验数据的处理从两方面考虑：①准确，尽可能消除偶然误差;②简便等.
2.本实验应注意的几个问题：
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实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动.待接通电源,让打点计时器工作稳定后再松开纸带,以保证第一点是一个清晰的点；
③打点计时器必须接50 Hz的4 V~6 V的交流电（如果是电火花直接接220V交流电即可)；
④当验证是否相等时,选用纸带时应尽量挑选第一、二点间距接近2 mm的点迹清晰且各点呈一条直线的纸带；
⑤测量高度h时，应从起始点算起,为减小h的相对误差，选取的计数点要离起始点远些，纸带也不宜过长，有效长度可以是60 cm~80 cm。
⑥因为是通过比较和mgh是否相等验证机械能是否守恒,故不需测量重锤质 量m。
3。由纸带求重锤下落过程中某点的即时速度
重锤做匀变速直线运动，某一段时间中点的即时速度等于这一段时间内的平均速度,纸带上第n个点对应重锤的即时速度大小为vn=,其中hn+1是纸带上第n个计数点到计数起点O的距离。
环节六、布置作业:
1、你是否验证了机械能守恒定律?你是怎样验证的？得出的结论是什么？
2、你在实验中进行了哪些观察和测量？有哪些因素影响了观察或测量的结果？你实际上做了哪些工作来保证观察或测量结果的准确性？
3、你在实验中遇到了哪些困难?发现了哪些问题?又是如何克服和解决的？
4、如果让你再做一次同样的研究，你需要在哪些方面进行改进？
5、通过完成这项研究,你有什么收获和体会？

板书设计
九.验证机械能守恒定律
1．实验目标和方法：验证自由落体运动中机械能守恒
2．注意的问题：
（1）重锤的选择 密度比较大、质量相对比较大的重锤，
(2）纸带的选取 点迹清晰的纸带
(3）误差分析 重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带和计时器之间的摩擦力；计时器平面不在竖直方向上；纸带与计时器不平行；交流电的频率不等于50Hz；测量数据时的误差等等.
3．速度的测量:做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度

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