验证机械能守恒定律教学设计.docx
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验证机械能守恒定律教学设计
《实验：
验证机械能守恒定律》的设计说明
课程标准要求学生通过实验，验证机械能守恒定律。
实验的结论已知，但实验的途径、方法和过程并没有告诉学生，这样验证机械能守恒定律的过程也就具有探究的性质。
机械能守恒定律是力学中的一个重要规律。
本节将由学生独立设计验证这个规律的实验方案，并按照自己的实验方案进行实际操作、观察、测量、记录和处理实验数据。
在实验的过程中，学生可能会遇到许多预料不到的问题。
如学生设计的实验放案理论上可行，但实验误差较大，或实验条件不具备，这时学生需要修改自己设计的实验方案。
经过这样的过程，你所获得的不仅仅是验证了一条规律，而是像科学家那样经历了一次科学探究的过程，会体验到发现、创造和成功的乐趣。
一、实验要求：
1、设计一种或几种能验证机械能守恒定律的实验方案。
2、选择一种你认为可行的实验方案，进行实际操作。
3、写出实验研究报告。
实验研究报告的内容一般应包括实验日期、实验目的、实验器材和装置、实验原理和方法、实验过程和步骤、现象与数据、数据分析与处理、结论与问题讨论等。
。
二、实验方法指导
1、生活中，动能与势能相互转化的现象是非常多的，因此，验证机械能守恒定律的途径和方法不止一种，不管你采用什么途径和方法进行实验，都必须考虑你的实验条件。
2、实验器材：
刻度尺、电火花计时器、纸带、铁架台、钩码、夹子、
3、在设计实验方案时，学生需要正确理解机械能守恒定律内容，特别注意机械能守恒定律成立的条件，在此基础上，综合运用所学的知识，确定自己的方法，形成一个初步的实验方案。
最初的实验方案往往不很完善，当和同学的方案进行交流或动手去做的时候，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。
三、学生分组汇报与交流
1、是否验证了机械能守恒定律？
怎样验证的？
2、在实验中进行了哪些观察和测量，有那些因素影响了观察或测量的结果？
实际上做了哪些工作来保证观察或测量结果的准确性？
3、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、如果再做一次同样的研究，需要在哪些方面进行改进？
5、通过完成这项研究，有什么收获？
§7.9实验：
验证机械能守恒定律教学设计 （2课时）
教学目标
【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．
【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．
【情感、态度与价值观】
通过实验验证，体会学习的快乐，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．培养学生的观察和实践能力，培养学生实事求是的科学态度．
【教学重点】
掌握验证机械能守恒定律的实验原理．
【教学难点】
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．
【教学方法】
探究与实验、交流与讨论、
【教学手段教具准备】
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．多媒体课件。
教学活动:
[新课导入]
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的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变．这叫做机械能守恒定律．
师：
机械能守恒的条件是什么?
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的作用，这个过程只有重力做功，所以机械能是守恒的．
师：
我们要想推导出机械能守恒定律在自由落体中的具体表达式，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的题目，从题目中知道有关的物理量，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，并为本节课的教学打下基础）
[新课教学]
1、推导出机械能守恒定律在本实验中的具体表达式。
在图1中，质量为m的物体从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的机械能分别为：
EA=________， EB=________
如果忽略空气阻力，物体下落过程中的机械能守恒，于是有
EA=EB，即
+mghA=
+mghB
上式亦可写成
—
=mghA—mghB
该式左边表示物体由A到B过程中动能的增加，右边表示物体由A到B过程中重力势能的减少。
等式说明，物体重力势能的减少等于动能的增加。
为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图1中A点）来进行研究，这时应有：
----本实验要验证的表达式，式中h是物体从O点下落至A点的高度，vA是物体在A点的瞬时速度。
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：
最容易想到的器材是重物、电火花计时器以及纸带．交流电源及两根导线，铁架台和铁夹，刻度尺。
师：
打点计时器的作用是什么?
生：
记录在纸带上打的点，用这些点来求出物体在经过某一点的速度．
师：
重物选取的原则是什么?
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的误差．
师：
实验中还有哪些应该注意的地方?
生：
电火花计时器要稳定在铁架台上，电火花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，电火花计时器距地面的距离大约是1m．
师：
这样做的目的是什么?
生：
电火花计时器平面与纸带限位孔在竖直方向上的目的是减小摩擦以减小实验误差的产生，铁架台放在桌边有利于重物下落到地面上，电火花计时器距地面的距离较大的目的是能够有充足的时间使重物下落，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．
师：
实验中的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，主要是纸带和电火花计时器之间的摩擦力，计时器平面不在竖直方向上；纸带与电火花计时器不平行：
交流电的频率不等于50Hz测量数据时的误差等等．
师：
过程开始和终结位置是怎样选择的?
生：
实验用的纸带一般小于1m，从起始点开始大约能打出20个左右的计数点，终结位置的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个点当开始的点．
师：
这样选取的目的是什么?
生：
这样选取的目的是可以减小这两个点瞬时速度和两点之间的距离（高度h）测量的误差．
师：
在数据处理时，是不是必须从打的第一个点开始呢?
生：
课文中有这样的句子“纸带上某两点的距离等于重物下落的高度，这样就能得到重物下落过程中势能的变化”．在第四节我们已经学习了重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为参考点，势能的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的质量呢?
图2
0
1
2
3
4
s1
s2
s3
h1
h2
h3
h4
生：
不需要测量重物的质量，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的速度是怎样得到的呢?
（投影展示学生的推导过程，这个结论非常重要，一定要让学生能够自己推导，推导方法越多越好。
）
2、如何求出B点的瞬时速度vB?
根据做匀加速运动的物体在某一段时间t内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度可求出B点的瞬时速度vB。
图2是竖直纸带由下而上实际打点后的情况。
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……各段间的距离。
根据公式，t=2×0.02s（纸带上任意两个相邻的点间所表示的时间都是0.02s），可求出各段的平均速度。
这些平均速度就等于
1，2，3，……各点相对应的瞬时速度v1，v2，v3，…….例如：
量出0～2点间距离s1，则在这段时间里的平均速度，这就是点1处的瞬时速度v1。
依次类推可求出点2，3，……处的瞬时速度v2，v3，……。
3、如何确定重物下落的高度？
图2中h1，h2，h3，……分别为纸带从O点下落的高度。
根据以上数值可以计算出任意点的重力势能和动能，从而验证机械能守恒定律。
学生活动：
学生看书明确实验的各项任务及实验仪器。
复习《用打点计时器测速度》的实验，掌握用打点计时器测量匀变速直线运动速度的方法。
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的平均速度相等的物理意义．
师：
在处理纸带时，是不是要像我们以前做的那样，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的情况，所以时间间隔不能太长．
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!
首先是确定实验的步骤，大家分组讨论一下，然后得出一个比较合理的实验步骤．（学生讨论实验的步骤，教师巡回指导，帮助能力较差的学生完成实验步骤）（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的纸带，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的高度h1、h2、h3，……记人表格中．
（6）．用公式vn=｛h（n+1）+h（n-1）｝/2t，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表格中．
（7）．计算各点的重力势能的减少量mghn。
和动能的增加量
，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内．
计数点
1
2
3
4
5
6
下落高度（m）
速度（m/s）
势能（J）
动能（J）
结论
师：
在其中的几步中，提到了要把数据填人表格，那么我们应该设计一个什么样的表格来适应于实验呢?
（学生思考表格的设计方法，独立完成表格的设计）（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点的速度应为零。
怎样判别呢？
2、是否需要测量重物的质量？
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的顺序怎样？
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。
他的看法正确吗？
为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好，还是近些好？
学生活动：
思考老师的问题，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，在最初的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的纸带进行测量；二是在纸带上所选的点就是连续相邻的点，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的具体数值，所以不必测量物体的质量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的阻力作用。
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、这个同学的看法是正确的。
为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好。
课后作业
1、完成实验报告。
2、完成如下思考题：
（1）为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选用：
铁架台，打点计时器，复写纸，纸带，秒表，低压直流电源，导线，电键，天平。
其中不必要的器材有：
______________________；缺少的器材是__________________。
（2）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图线应是________，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于______________的数值。
（3）在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出纸带如图3所示，其中A点为打下的第一个点，0、1、2……为连续的计数点。
现测得两相邻计数点之间的距离分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为T。
根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加速度大小表达式为_________。
在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为________。
要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第_________号和第__________号计数点之间的过程为研究对象。
（4）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图4所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。
①打点计时器打出B点时，重锤下落的速度vB=___________m/s，重锤的动能EkB=_________J。
②从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为△EP=__J。
③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B点的过程中，得到的结论是________________________。
［参考答案：
（1）不必要的器材有：
秒表、低压直流电源、天平。
缺少的器材是低压交流电源、重锤、刻度尺。
（2）通过原点的直线、g.（3）（s6+s5+s4-s3-s2–s1）/9T2，（s5+s6）/2T，1、5.（4）①1.175，0.69，0.69②0.69，③机械能守恒。
］
板 书 设 计
7.9实验：
验证机械能守恒定律
一、实验方法：
验证用自由落体运动中机械能守恒
二、要注意的问题：
实验的误差来源
三、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．
教学后反思：
实验：
验证机械能守恒定律，这一课是学生到实验室做这个实验之前的一节理论指导课，验证机械能守恒定律是一个重要的实验，也是各种考试当中反复考查学生的一个实验，在老师和学生们看来都觉得这个实验很简单，甚至认为十分钟的时间就可以讲完这节内容，然而每次考查的结果都不理想，老师们往往发现一些自己在课堂上反复强调的问题学生们还是一次次地错。
这到底是为什么呢？
上课时学生们不都认真地看着黑板吗？
是不是咱们的课本身存在一定的问题。
新课程背景下的课堂应该是适合学生发展的课堂，学生在课堂中真正地得到锻炼，分析问题、解决问题的能力以及思维能力都应该得到很好的提升，为了达到这样的目标，这就要求新课程背景下的课堂相对传统的课堂至少有以下两点转变：
1、物理新课程的特点要求课堂教学由重知识传授向重学生发展转变；2、物理新课程要求物理教师从“指挥者”向“指导者”、“合作者”、“研究者”转变。
以往这节课的讲授思路：
告诉学生我们以自由落体运动为例，研究物体在自由落体运动过程中的机械能守恒；然后依次分析实验中用到哪些器材，实验原理，实验步骤和实验注意事项以及实验误差来源，讨论减小误差的办法等。
老师认为各个细节都讲解到了，学生也该理解了。
实际上，在后来的实践中，学生不止一次地暴露这样或者那样的问题，而这些问题在老师看来，自己讲了那么多次，学生的错误实在让他们费解。
传统教法下的这节课，至少存在两个问题：
1、老师的活动远远多于学生，2、学生记忆的内容多于学生思考的内容。
这节课我尽可能地体现以学生为主体，充分发展学生的能力为目标。
下面以两个地方的转变为例介绍一下我的做法。
一：
实验中重力加速度的取值，以往我是告诉学生这个地方的重力加速度，计算时应该取当地的重力加速度，而不能笼统的取9.8m/s2，并且告诉他们其中的道理，我一遍遍地强调这个问题，可是在学生的作业中，试卷上，学生是一遍遍地错，其实现在想来，我是用自己的分析和理解代替了学生思考的过程，学生没有经历这个过程，当然也就不能深刻理解这样取值的道理，能有什么知识能比自己悟出来的道理更深刻的呢！
这节课中，我让学生展开讨论，不怕说得不对，只要勇于思考都是值得鼓励的，几个同学提出几种设想，全班同学再分组讨论这几种方案，课堂气氛相当热烈，所有同学的积极性都调动起来了，最后在同学们的讨论中得到：
应该取当地的重力加速度。
我相信经过了这样一个过程，学生的理解是深刻的。
二：
实验中实验器材的选择，同样也是在分析完实验原理和实验步骤之后，学生很自然的总结出来的。
整个这节课，学生记忆的内容很少，但是思考的时间很长，这不正好符合学生发展的需要吗！
当然在后来的作业中，这些学生相对以前的同学进步是明显的。
回顾这节课，我深刻地悟出了这样的道理，教师的作用不是告诉学生什么，而是恰到好处地引导学生自己去探究去思考！
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