高中物理人教版（2019）必修第二冊(cè)第八章 第五節(jié) 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律教案2

第八章 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律教學(xué)設(shè)計(jì)科目物理課題實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課時(shí)1課時(shí)教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一知識(shí)與技能1. 理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，明確實(shí)驗(yàn)中需要直接測(cè)量的物理量；2. 知道實(shí)驗(yàn)中選取測(cè)量點(diǎn)的有關(guān)要求。會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶測(cè)定物體下落的距離。二過(guò)程與方法1. 能正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；2. 能定性地分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因，并會(huì)采取相應(yīng)的措施減小實(shí)驗(yàn)誤差。3 情感態(tài)度與價(jià)值觀1. 理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，自主思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?.能夠獨(dú)立分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因，并且盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解機(jī)械能守恒定律。教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：1. 理解用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律；2. 理解用光滑斜面法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。教學(xué)難點(diǎn)：1. 學(xué)會(huì)用平均速度法求解瞬時(shí)速度； 2. 學(xué)會(huì)用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)處理實(shí)驗(yàn)誤差。教學(xué)準(zhǔn)備課件演示、電火花計(jì)時(shí)器、重物、紙帶、鐵架臺(tái)、燒瓶夾、電源教學(xué)過(guò)程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖1 導(dǎo)入新課：機(jī)械能守恒定律告訴我們，在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化時(shí)總的機(jī)械能保持不變。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能與重力勢(shì)能變化，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 講授新課：（1）實(shí)驗(yàn)思路【教師引導(dǎo)】方案一：自由落體運(yùn)動(dòng)做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，如果忽略微小阻力作用，機(jī)械能是守恒的，即重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量。方案二：物體沿光滑斜面下滑物體沿光滑斜面下滑時(shí)，雖然受到重力和斜面的支持力，但支持力與物體位移方向垂直(如圖)，對(duì)物體不做功，這種情況也滿足機(jī)械能守恒的條件?！窘處熝a(bǔ)充引導(dǎo)】實(shí)驗(yàn)思路的兩點(diǎn)說(shuō)明：（1）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證只有重力做功時(shí)，物體的機(jī)械能守恒，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求是物體只受重力作用或除重力做功外，其他力不做功。（2）實(shí)驗(yàn)中阻力做功不可避免，我們應(yīng)當(dāng)盡量減小阻力做功的影響，用落體法驗(yàn)證時(shí)，要求重物的質(zhì)量大一些，使重力遠(yuǎn)大于阻力；用光滑斜面法驗(yàn)證時(shí)，用氣墊導(dǎo)軌鋪設(shè)斜面，使阻力減至最小。（2）物理量的測(cè)量【教師引導(dǎo)】研究對(duì)象確定后，還需要明確所測(cè)的物理量和實(shí)驗(yàn)器材。根據(jù)重力勢(shì)能和動(dòng)能的定義，很自然地想到，需要測(cè)量物體的質(zhì)量、物體所處位置的高度以及物體的運(yùn)動(dòng)速度這三個(gè)物理量。（3）數(shù)據(jù)分析【教師引導(dǎo)】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)。計(jì)算物體在選定位置上動(dòng)能與勢(shì)能的和是否滿足mvmgh2mvmgh1也可以計(jì)算重物在某兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化和勢(shì)能變化是否滿足mv-mvmgh1-mgh2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。【教師補(bǔ)充】用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1、實(shí)驗(yàn)步驟（1）儀器安裝:按圖示裝置豎直架穩(wěn)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在電源上。（2）打紙帶:將長(zhǎng)約1m的紙帶用小夾子固定在重物上后穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，用手提著紙帶，使重錘靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方。接通電源，松開紙帶，讓重錘自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)。（3）換幾條紙帶，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。2、數(shù)據(jù)處理（1）求瞬時(shí)速度在取下的紙帶中挑選第1、2兩點(diǎn)間距離接近2mm且點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測(cè)量。記下第1個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上從離O點(diǎn)適當(dāng)距離開始選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)0、1、2、3、n+1并測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h0、h1、h2、h3、hn+1，再根據(jù)公式，計(jì)算出1、2、3、n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、vn。（2）機(jī)械能守恒驗(yàn)證方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)從起始點(diǎn)到第n個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghn，動(dòng)能增加量為mv，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)mvmghn，即vghn成立，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。方法二:任取兩點(diǎn)任取兩點(diǎn)A,B，測(cè)出hAB，求出ghAB。分別求出A、B兩點(diǎn)的瞬時(shí)速度vA、vB，求出mvmv的值。如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)vvghAB，就證明機(jī)械能是守恒的。方法三：圖像法計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)的v2，以v2為縱軸，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2h圖線。若在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，圖像是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線，如圖所示，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。（3）誤差分析本實(shí)驗(yàn)中因重物和紙帶在下落過(guò)程中要克服空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力做功，故動(dòng)能的增加量Ek稍小于重力勢(shì)能的減少量Ep，即EkEp，這屬于系統(tǒng)誤差。改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝和選用質(zhì)量和密度較大的重物，盡可能地減小阻力的影響。本實(shí)驗(yàn)的偶然誤差主要來(lái)源于長(zhǎng)度的測(cè)量。減小誤差的辦法是測(cè)下落距離時(shí)都從O點(diǎn)量起，一次將各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測(cè)量完，或者多次測(cè)量取平均值。 用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證沿斜面下滑物體的機(jī)械能守恒1、實(shí)驗(yàn)步驟（1）器材安裝: 按圖示安裝器材，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌至傾斜狀態(tài)，測(cè)出兩光電門所在位置的高度差h。（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)速：連通進(jìn)氣裝置，使氣墊導(dǎo)軌開始工作，從靜止釋放滑塊，分別側(cè)出滑塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門的遮光時(shí)間t1、t2。（3）重復(fù)實(shí)驗(yàn)：從不同的位置釋放滑塊，分別測(cè)出遮光時(shí)間。2、數(shù)據(jù)處理（1）速度的測(cè)量：用游標(biāo)卡尺測(cè)出滑塊上遮光片的寬度d，讀出遮光條通過(guò)光電門的遮光時(shí)間，則滑片通過(guò)光電門的速度。（2）驗(yàn)證關(guān)系式方式1（兩個(gè)光電門）：分別測(cè)出滑塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門的速度和，用刻度尺測(cè)出兩光電門的高度差h，驗(yàn)證在誤差范圍內(nèi)是否滿足。方式2（一個(gè)光電門）：讓滑塊從光電門上方某一位置由靜止釋放，測(cè)出該點(diǎn)到光電門的高度差h和滑塊經(jīng)過(guò)光電門的速度，驗(yàn)證在誤差范圍內(nèi)成立。 課堂練習(xí)：1、某同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，從打出的 一條紙帶中選取了清晰的點(diǎn)進(jìn)行研究，根據(jù)所學(xué)的知 識(shí)計(jì)算出打2、3兩計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)紙帶的瞬時(shí)速度，并用表示，用刻度尺測(cè)量出2、3兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離，用 表示。驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的關(guān)系式應(yīng)為（ ）A. B. C. D. 答案：B2、用如圖所示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,由于電火花計(jì)時(shí)器兩限位孔不在同一豎直線上,使紙帶通過(guò)時(shí)受到較大的阻力,這樣實(shí)驗(yàn)造成的結(jié)果是（ ）A.重力勢(shì)能的減少量明顯大于動(dòng)能的增加量B.重力勢(shì)能的減少量明顯小于動(dòng)能的增加量C.重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量D.以上幾種情況都有可能答案：A3、做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí),一同學(xué)分析得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是重錘重力勢(shì)能的減少量小于動(dòng)能的增加量。下列對(duì)造成該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因分析正確的是( )A.空氣對(duì)重錘的阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的阻力B.選用重錘的質(zhì)量過(guò)大C.交流電源的頻率大于D.交流電源的頻率小于答案：D4、某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了如下的操作：A.取下紙帶，挑選點(diǎn)跡清晰的紙帶，記下起始點(diǎn)O,在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處選擇連續(xù)幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)（或計(jì)時(shí)點(diǎn)）B.用天平稱出重物和夾子的質(zhì)量C.計(jì)算出和看兩者是否相等D.固定好打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，將連著重物的紙帶穿過(guò)限位孔，用手提住，讓重物盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器E.先接通電源，后松開紙帶，開始打點(diǎn)。并如此重復(fù)多次，以得到幾條打點(diǎn)紙帶F.測(cè)出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，即得到重物下落的高度，并計(jì)算出各點(diǎn)的速度值在以上的操作中不必要的是_;然后將必要的操作進(jìn)行正確排序:_.答案：B，DEAFC5、利用如圖甲所示的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn),按正確的實(shí)驗(yàn)操作得到幾條打上點(diǎn)跡的紙帶。 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期。通常要求從其中挑選頭兩個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)(0、1兩計(jì)時(shí)點(diǎn))間的距離接近 的紙帶進(jìn)行測(cè)量。但一位同學(xué)未按此要求,選取了一條操作正確、點(diǎn)跡清楚但頭兩個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)(0與1 計(jì)時(shí)點(diǎn))間的距離明顯小于的紙帶進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)(標(biāo)出0、1、2、3、各實(shí)際點(diǎn)跡)、測(cè)量(測(cè)出各點(diǎn)與 0點(diǎn)的高度差)，如圖乙所示,那么能否用它正確計(jì)算比較點(diǎn)n位置處的動(dòng)能與重力勢(shì)能的對(duì)應(yīng)關(guān)系(),即能否驗(yàn)證？_,理由是_,列出點(diǎn)n處瞬時(shí)速度的計(jì)算式(應(yīng)用從紙帶上讀取的數(shù)據(jù)) =_.答案：能，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)性質(zhì)仍為自由落體，只要將的位置除外即可，6、用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證質(zhì)量為的物塊A、質(zhì)量為的物塊B組成的系統(tǒng)的機(jī)械能守恒,B從高處由靜止開始下落,A上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶:0是打下的第一個(gè)點(diǎn),每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn) (圖中未標(biāo)出),計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示。已知,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的頻率為。 (結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)物塊的速度=_.(2)在打下計(jì)數(shù)點(diǎn)0到計(jì)數(shù)點(diǎn)5的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量 =_J,系統(tǒng)勢(shì)能減少量=_ J。(當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭約為)(3)若某同學(xué)作出圖像如圖丙所示,則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萠.答案：（1）2.4，（2）0.58，0.59；（3）9.7【課后作業(yè)】完成相關(guān)課后題學(xué)生思考機(jī)械能守恒定律的意義 學(xué)生經(jīng)過(guò)老師引導(dǎo)，體會(huì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)思路引導(dǎo)學(xué)生思考數(shù)據(jù)分析思考落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律計(jì)算實(shí)驗(yàn)中瞬時(shí)速度理解氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證沿斜面下滑物體的機(jī)械能守恒的方法學(xué)生練習(xí)學(xué)生練習(xí)學(xué)生練習(xí)通過(guò)回顧上節(jié)學(xué)過(guò)的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引出本節(jié)課題通過(guò)聯(lián)系之前已知的知識(shí)，思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)理解落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理引導(dǎo)學(xué)生自主總結(jié)理解機(jī)械能守恒驗(yàn)證方法引導(dǎo)學(xué)生對(duì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的理解和判斷鞏固本節(jié)知識(shí)鞏固本節(jié)知識(shí)鞏固本節(jié)知識(shí)板書設(shè)計(jì)8.5 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律一、 實(shí)驗(yàn)思路二、 物理量的測(cè)量三、 數(shù)據(jù)分析教學(xué)后記引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本節(jié)多學(xué)知識(shí)進(jìn)行自主交流探究，根據(jù)學(xué)生表述，查漏補(bǔ)缺，并有針對(duì)性地進(jìn)行講解補(bǔ)充。