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课题

8.5实验：验证机械能守恒定律

教学内容分析

本节的目的是让学生在理论上学习机械能守恒定律之后，通过对实验数据的分析处理，对机械能守恒定律及守恒条件有更深刻的认识。

本节先从实验思路的讨论开始，创设机械能守恒的情景。研究对象确定后，根据实验目的测量相应的物理量，然后进行数据的分析、处理。

学情分析

学生已经学习了动能定理、 机械能和机械能守恒的理论知识， 已经进可以通过实验测量瞬时速度等内容，具有了知识理论基础和实验操作、分析处理实验数据的经验。

教学目标

1.能通过合作设计实验方案，获取数据。

2.能分析数据，验证机械能守恒定律，能反思实验过程，尝试减小实验误差。

3.能认识科学规律的建立需要实验证据的检验。

教学

重难点

1.实验方案的设计及数据的获取（重点）

2.实验数据的分析和误差的分析（重点难点）

教学过程

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

导入新课

复习与回顾：

(1)机械能守恒的条件是什么？

(2)对于一个物体或系统，机械能守恒的表达式是什么？

(3)你是否可以举一些生活中机械能守恒的实例？

学生复习回顾

为实验设计做知识上的铺垫

讲授新课

一、实验思路

思考与讨论：

(1)根据你所设计验证机械能守恒定律的实验方案，结合机械能守恒定律，你认为在实验中需要测量哪些物理量？

(2)根据你所学的以往的知识，你是否可以说一下用什么方法或者工具测量这些物理量呢?

二、物理量的测量

(1)根据机械能守恒的条件和你所举的生活实例，你是否可以从中选择一个实例来验证机械能守恒定律呢？

(2)说一说你如何用你选择的实例来验证机械能守恒定律？能否说一下具体的实验设计或者方案呢?

需要测量三个物理量：

(1)物体的质量（天平）；

(2)物体所处位置的高度（刻度尺）；

(3)物体的运动速度（速度传感器、光电门、纸带平均速度法）。

三、研究自由下落物体的机械能

思考与讨论：

(1)如果你要通过研究自由下落物体的机械能变化来验证机械能守恒定律，根据所要测量的物理量，你认为还需要哪些器材？

(2)在使用这些器材进行测量时，你需要注意什么问题?

(3)你是否可以设计出详细的实验方案，完成这个验证实验?

1.实验器材

铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。

2.实验步骤

(1)安装置：按图所示将检查、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：①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；

②先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落；

③关闭电源，取下纸带。更换纸带重复做3～5次实验。

(3)选纸带：选取点迹清晰且第1、2两点间距接近2 mm的纸带。

(4)测长度：用毫米刻度尺测出所选定的各计时点到基准点的距离。

思考与讨论：

(1)为什么要选择第1、2两点间距接近2 mm的纸带？

(2)你如何测量重物下降的高度，测量时如何更加准确的读取数值?

(3)你如何测量纸带上某点的瞬时速度，它的依据是什么?

(4)在这一实验方案中，你认为可以用什么样的方法来验证机械能守恒？

3.数据分析

方法一：利用起始点和第n点计算，代入gh_n和2(1)vn(2)，如果在实验误差允许的范围内，gh_n＝2(1)vn(2)，则验证了机械能守恒定律。

方法二：任取两点计算。先任取两点A、B测出h_AB，算出gh_AB。再算出2(1)vB(2)－2(1)vA(2)的值。如果在实验误差允许的范围内，gh_AB＝2(1)vB(2)－2(1)vA(2)，则验证了机械能守恒定律。

方法三：图像法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v²，然后以2(1)v²为纵轴，以h为横轴，绘出2(1)v²－h图线，若是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。

思考与讨论：

(1)你认为是否可以根据v=gt来求实验中所需要的某点的瞬时速度？

(2)不能用这种方式求解某点瞬时速度的原因是什么?

(3)你认为这个实验引起误差的原因有哪些，我们如何来减小误差呢?

4.注意问题

(1)减小各种阻力的措施：

①安装时使打点计时器的限位孔与纸带处于同一竖直平面内；

②应选用质量和密度较大的重物。

(2)重物下落过程中要克服阻力做功，实验中动能增加量必定稍小于重力势能减少量，否则实验数据不准确。

四、研究沿斜面下滑物体的机械能

思考与讨论：

(1)如果你要通过研究沿斜面下滑物体的机械能的变化来验证机械能守恒定律，根据所要测量的物理量，你认为还需要哪些器材？

(2)在使用这些器材进行测量时，你需要注意什么问题?

(3)你是否可以设计出详细的实验方案，完成这个验证实验?

1.实验器材与装置

(1)实验器材：气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。

(2)实验装置：如图所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大。

思考与讨论：

(1)为什么要用气垫导轨，它的作用是什么？

(2)你如何测量滑块下降的高度?

(3)你如何测量纸带上某点的瞬时速度，这个速度的测量值是否有误差，如果有误差，你认为如何减小误差呢?

2.实验测量及数据处理

(1)测量两光电门之间的高度差Δh；

(2)滑块经过两光电门时遮光条遮光时间Δt₁和Δt₂，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。若遮光条的宽度为ΔL，则滑块经过两光电门时的速度分别为v₁＝Δt1(ΔL)，v₂＝Δt2(ΔL)；

(3)若在实验误差允许范围内满足mgΔh＝2(1)mv2(2)－2(1)mv1(2)，则验证了机械能守恒定律。

3.误差分析

两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越窄，误差越小。

五、课堂练习

学生分组讨论实验方案

学生分享实验方案

学生识记记录

学生分析讨论

学生分组实验

学生分析讨论

学生分析讨论

学生分析讨论

学生识记记录

学生分组讨论实验方案

学生分析讨论

学生分组实验

学生识记记录

学生练习     

培养学生独立设计实验的能力

为展示更多的实验方案，展现学生的发散性思维

明确需测数据

引导学生思考实验的准备和可行性方案

培养学生独立的实验能力和团队协作能力

(1) 明确如何选择纸带

(2) 如何测高度和瞬时速度

明确三种不同验证机械能守恒的方法

引导学生思考正确的减小瞬时速度测量误差的方法

让学生学习减小误差的方法

引导学生思考实验的准备和可行性方案

引导学生思考气垫导轨的作用和数据的测量方法

培养学生独立的实验能力和团队协作能力

误差分析

强化巩固

课堂总结

板书设计

8.5实验：验证机械能守恒定律

一、实验思路

二、物理量的测量

需要测量三个物理量：

(1)物体的质量（天平）；

(2)物体所处位置的高度（刻度尺）；

(3)物体的运动速度（速度传感器、光电门、纸带平均速度法）。

三、研究自由下落物体的机械能

数据分析：

方法一：利用起始点和第n点计算；

方法二：任取两点计算；

方法三：图像法。

四、研究沿斜面下滑物体的机械能

作业设计

教学反思与评价