高一物理 实验验证机械能守恒定律.docx

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高一物理实验验证机械能守恒定律

高一物理实验：

验证机械能守恒定律

一、教学目标

知识与技能：

1．会用打点计时器打下纸带计算物体运动速度．

2．掌握验证机械能守恒定律实验原理．

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研究方法

情感态度与价值观：

通过实验验证，体会学习快乐，激发学习兴趣；通过亲身实践，树立“实践是检验真理唯一标准”科学观．培养学生观察和实践能力，培养学生实事求是科学态度．

二、教学内容剖析

本节是上一节机械能守恒延伸，巩固了机械能守恒。

本节课教学重点：

掌握验证机械能守恒定律实验原理．

本节课教学难点：

验证机械能守恒定律误差分析及如何减小实验误差方法．

三、教学思路与方法

教学思路：

学生在学习了机械能守恒之后，拓展到能量守恒是不难接受，特别是学生通过对自然界认识，生物课学习、化学课学习都学到了很多种类能量，在本节课中，从实验入手，把这些能量见关系综合起来是有很大意义，也是学生很愿意学习。

教学方法：

教师启发、引导，学生自主阅读、思考，讨论、交流学习成果。

四、教学准备

重物、电磁打点计时器以及纸带、复写纸片、低压电源及两根导线、铁架台和铁夹、刻度尺、小夹子．

五、课堂教学设计

教学环节

教学内容

师生互动

设计意图

备注

复习

思考：

1、什么叫做机械能守恒定律?

2、机械能守恒条件是什么?

3、自由落体运动中机械能是不是守恒?

4、我们要想推导出机械能守恒定律在自由落体中具体表达式，可以根据什么来进行推导呢?

师：

上一节课我们学习了机械能守恒定律，我们首先采复习一下什么叫做机械能守恒定律?

生：

在只有重力或弹力做功物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总机械能保持不变．这叫做机械能守恒定律．

师：

机械能守恒条件是什么?

生：

只有重力和弹力做功．

师：

自由落体运动中机械能是不是守恒?

生：

自由落体运动中物体只受到重力作用，这个过程只有重力做功，所以机械能是守恒．

师：

我们要想推导出机械能守恒定律在自由落体中具体表达式，可以根据什么来进行推导呢?

生1：

可以通过牛顿运动定律进行推导．

生2：

可以根据动能定理进行推导．

（投影展示与一个自由落体运动相关题目，从题目中知道有关物理量，让学生分别根据牛顿运动定律和动能定理推导机械能守恒定律，再一次熟悉这个定律，并为本节课教学打下基础）

复习上一节内容，为本节课打下基础。

引入

1、推导出机械能守恒定律在本实验中具体表达式。

质量为m物体从O点自由下落，以地作零重力势能面，下落过程中任意两点A和B机械能分别为：

EA=

EB=

如果忽略空气阻力，物体下落过程中机械能守恒，于是有

EA=EB，

即=

上式亦可写成

该式左边表示物体由A到B过程中动能增加，右边表示物体由A到B过程中重力势能减少。

等式说明，物体重力势能减少等于动能增加。

1、推导出机械能守恒定律在本实验中具体表达式。

师：

为了方便，可以直接从开始下落O点至任意一点（如图1中A点）来进行研究，这时应有：

本实验要验证表达式，式中h是物体从O点下落至A点高度，vA是物体在A点瞬时速度。

师：

在做实验之前，我们首先要明确这样几个问题，首先这个实验需要什么器材?

生：

最容易想到器材是重物、电磁打点计时器以及纸带．复写纸片．低压电源及两根导线，铁架台和铁夹，刻度尺，小夹子．

师：

打点计时器作用是什么?

生：

记录在纸带上打点，用这些点来求出物体在经过某一点速度．

师：

低压交流电源是不是必需?

生：

低压交流电源并不是必需，如果采用是电火花计时器时，它所需要电压是交流220V，所以不需要低压电源．

引导学生进行设计实验，激发学生好奇心和探索欲。

实验过程

思考：

1、重物选取原则是什么?

为什么?

2、实验中还有哪些应该注意地方?

3、实验中误差主要来源于哪里?

4、过程开始和终结位置是怎样选择?

5、在实验中是不是要先进行测量重物质量呢?

如何求出A点瞬时速度vA

根据做匀加速运动物体在某一段时间t内平均速度等于该时间中间时刻瞬时速度可求出A点瞬时速度vA。

师：

重物选取原则是什么?

为什么?

生：

密度比较大，质量相对比较大，可以减小因为空气阻力带来误差．

（学生讨论并研究）

师：

实验中还有哪些应该注意地方?

生：

计时器要稳定在铁架台上，计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，铁架台放在桌边，计时器距地面距离大约是1m．

师：

这样做目是什么?

生：

计时器平面与纸带限位孔在竖直方向上目是减小摩擦以减小实验误差产生，铁架台放在桌边有利于重物下落到地面上，计时器距地面距离较大目是能够有充足时间使重物下落，以便在纸带上能够打出较多点，有利于进行计算．

师：

实验中误差主要来源于哪里?

生：

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：

交流电频率不等于50Hz测量数据时误差等等．

师：

过程开始和终结位置是怎样选择?

生：

实验用纸带一般小于1m，从起始点开始大约能打出20个左右计数点，终结位置点可以选择倒数第一个点或者倒数第二个点，从这一个点向前数4—6个点当开始点．

师：

这样选取目是什么?

生：

这样选取目是可以减小这两个点瞬时速度和两点之间距离（高度h）测量误差．

师：

在数据处理时，是不是必须从打第一个点开始呢?

生：

课文中有这样句子“纸带上某两点距离等于重物下落高度，这样就能得到重物下落过程中势能变化”．在第四节我们已经学习了重力势能相对性，处理纸带时选择适当点为参考点，势能大小不必从起始点开始计算．

师：

在实验中是不是要先进行测量重物质量呢?

生：

不需要测量重物质量，因为这个物理量在式子两边可以约掉．

师：

实验中重物经过某一点速度是怎样得到呢?

（投影展示学生推导过程，这个结论非常重要，一定要让学生能够自己推导）

2、如何求出A点瞬时速度vA？

根据做匀加速运动物体在某一段时间t内平均速度等于该时间中间时刻瞬时速度可求出A点瞬时速度vA。

图2是竖直纸带由下而上实际打点后情况。

从O点开始依次取点1，2，3……图中s1，s2，s3，……分别为0～2点，1～3点，2～4点……各段间距离。

根据公式，t=2×0.02s（纸带上任意两个相邻点间所表示时间都是0.02s），可求出各段平均速度。

这些平均速度就等于是1，2，3，……各点相对应瞬时速度v1，v2，v3，…….例如：

量出0～2点间距离s1，则在这段时间里平均速度，这就是点1处瞬时速度v1。

依次类推可求出点2，3，……处瞬时速度v2，v3，……。

3、如何确定重物下落高度？

图2中h1，h2，h3，……分别为纸带从O点下落高度。

根据以上数值可以计算出任意点重力势能和动能，从而验证机械能守恒定律。

学生活动：

学生看书明确实验各项任务及实验仪器。

复习《用打点计时器测速度》实验，掌握用打点计时器测量匀变速直线运动速度方法。

4、描绘图像

师：

可以结合v-t图象了解瞬时速度和时间中点平均速度相等物理意义．

师：

在处理纸带时，是不是要像我们以前做那样，每隔五个点取一个计数点，也就是说每0.1s为一个时间间隔呢?

生：

如果时间间隔是0.1s，由于自由落体加速度较大，很容易出现纸带上点数不够用情况，所以时间间隔不能太长．

教师逐步设置疑问，由浅到深，引导学生思考，培养学生分析问题习惯，培养学生探究意识和迎难而上品质。

实验步骤

实验步骤

1．把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好．

2．把纸带一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近．

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点．

4．重复上一步过程，打三到五条纸带．

5．选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2mm纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落高度h1\h2\h3，……记人表格中．

6．用公式vn=hn+1+hn-1/2t，计算出各点瞬时速度v1\v2\v3……并记录在表格中．

7．计算各点重力势能减少量mgh。

和动能增加量1/2mvn2，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内．

实验中注意问题

1、重物选取原则是

密度比较大，质量相对比较大，可以减小因为空气阻力带来误差．

2、计时器要稳定在铁架台上，计时器平面与纸

带限位孔调整在竖直方向，铁架台放在桌边，计时器距地面距离大约是1m．

3、过程开始和终结位置选择

实验用纸带一般小于1m，从起始点开始大约能打出20个左右计数点，终结位置点可以选择倒数第一个点或者倒数第二个点，从这一个点向前数4—6个点当开始点．

师：

下面我们准备进行实验，在进行实验之前还应该做几件事情!

首先是确定实验步骤，大家分组讨论一下，然后得出一个比较合理实验步骤．

（学生讨论实验步骤，教师巡回指导，帮助能力较差学生完成实验步骤）（参考实验步骤）

1．把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好．

2．把纸带一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近．

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点．

4．重复上一步过程，打三到五条纸带．

5．选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2mm纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落高度h1、h2、h3，……记人表格中。

6．用公式vn=hn+1+hn-1/2t，计算出各点瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表格中．

7．计算各点重力势能减少量mgh。

和动能增加量1/2mvn2，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内．

师：

在其中几步中，提到了要把数据填人表格，那么我们应该设计一个什么样表格来适应于实验呢?

（学生思考表格设计方法，独立完成表格设计）（参考表格）

教师活动：

在学生开始做实验之前，老师应强调如下几个问题：

1、该实验中选取被打点纸带应注意两点：

一是第一点O为计时起点，O点速度应为零。

怎样判别呢？

2、是否需要测量重物质量？

3、在架设打点计时器时应注意什么？

为什么？

4、实验时，接通电源和释放纸带顺序怎样？

为什么？

5、测量下落高度时，某同学认为都必须从起始点算起，不能弄错。

他看法正确吗？

为了减小测量h值相对误差，选取各个计数点要离起始点适当远些好，还是近些好？

学生活动：

思考老师问题，讨论、交流。

选出代表发表见解。

1、因为打点计时器每隔0.02s打点一次，在最初0.02s内物体下落距离应为0.002m，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近两年2mm纸带进行测量；二是在纸带上所选点就是连续相邻点，每相邻两点时间间隔t=0.02s.

2、因为不需要知道物体在某点动能和势能具体数值，所以不必测量物体质量m，而只需验证就行了。

3、打点计时器要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以尽量减少重物带着纸带下落时所受到阻力作用。

4、必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落。

5、这个同学看法是正确。

为了减小测量h值相对误差，选取各个计数点要离起始点适当远些好。

培养自主学习能力，独立地分析问题、解决问题能力，

通过深入讨论加深对功正负理解

练习

练习：

某次“验证机械能守恒定律”实验中，用6V、50Hz打点计时器打出一条无漏点纸带，如图4所示，O点为重锤下落起点，选取计数点为A、B、C、D，各计数点到O点长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。

①打点计时器打