高中物理课时教案 11页

实验：验证机械能守恒定律教学目标㈠知识与技能1．要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，从而使我们对机械能守恒定律的认识，不止停留在理论的推导上，而且还能够通过亲自操作和实际观测，从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解。3．要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法。㈡过程与方法1．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力。2．通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法。3．通过实验过程使学生体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑。㈢情感态度与价值观1.通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲。2.使学生通过实验体会成功的乐趣与成就感，激发对物理世界的1\n求知欲。3.培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解。4．通过经历实验过程，体验科学实验过程的艰辛与喜悦，并乐于探索自然界的奥妙。教学重点实验原理及方法的选择及掌握。教学难点实验误差分析的方法。教学方法预习设计→实验观察→数据处理→归纳总结教学用具铁架台（带铁夹）、打点计时器、重锤（带纸带夹子）、纸带、导线、刻度尺、低压电源。教学过程一、导入新课上节课我们从理论上学习了机械能守恒定律，我们从定律内容及守恒条件上初步理解了机械能守恒定律，今天我们通过实验从感性上对定律再做进一步的理解。二、进行新课㈠、明确实验目的生：结合教材整理预习学案提纲。2\n师：对学生整理结果进行点评。本实验属验证性实验，实验目的是利用重物自由下落的现象验证机械能守恒定律。㈡、认识实验仪器生：组装实验仪器、明确各个仪器的功能。师：对学生仪器的安装进行点评。如：电磁式打点计时器电源应选择10V以下，火花式打点计时器应选择220V。打点计时器限位孔位置应为竖直。纸带的长度应在1m左右。（学生思考，后面回答）㈢、理解实验原理生：结合教材，整理预习学案提纲师：对学生整理结果进行点评。通过对物体自由下落运动的研究来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即重物动能的增加量等于其重力势能的减少量。具体地说：①若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，由计算得出,机械能守恒定律即被验证。②若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA，再测出物体由A点下落△h后经过B3\n点的速度vB，则在误差允许范围内，由计算得出，机械能守恒定律即被验证。㈣、掌握实验的方法与技巧1．实验步骤⑴把打点计时器固定在桌边的铁架台上⑵把打点计时器接到交流低压电源上⑶将纸带固定在重锤上⑷将纸带穿过计时器,并将纸带提升到一定高度⑸接通电源,然后释放纸带.断开电源,取下纸带⑹更换纸带,重新进行同一要求的实验⑺挑选点迹清晰的纸带研究,用毫米刻度尺测出距离,记录数据⑻根据记录的数据进行有关计算并得出结论⑼拆掉导线,归整器材2．学生实验实验前教师提示：打点计时器的使用⑴电磁打点计时器应接4~6V交流电源，当交变电流的频率为50Hz时，打点周期为0.02s。⑵为使打点的频率比较稳定，要求打点计时器振动片的固有频率也是50Hz，使之发生共振现象。振动片的长度可在一定范围内调节，通过改变振动片的长度可调节它的固有频率。⑶实验前要检查打点的清晰情况，必要时应调整振针的高度，且不能让它松动，否则将会出现漏点、双点等现象，还会对纸带产生过4\n大的阻力。⑷电火花计时器可直接接在220V交流电源上，注意采用双纸打点即可。3．问题讨论问题1：本实验要不要测量物体的质量？生：分组讨论，得出结论。师：点拨思路，明确结论。验证机械能守恒定律的表达式：和中，式子两边均有重物的质量m，因而也可不具体测出m的大小，而将m保留在式子中。问题2：对实验中获得的数条纸带应如何选取？生：分组讨论，得出结论，选取合适的纸带以备处理数据之用。师：对学生提出的方法进行点评。分两种情况加以说明：①用验证：这是以纸带上第一点（起始点）为基准点来验证机械能守恒定律的方法。由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选取点迹清晰且第1、2两点间的距离接近2mm的纸带。②用验证：这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法。由于重力势能的相对性，5\n处理纸带时选择适当的点为基准点，势能的大小不必从起始点开始计算。这样，纸带上打出起始点O后的第一个0.02s内的位移是否接近2mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了。实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于计算机械能是否守恒。实验开始时如果不是用手提着纸带的上端，而是用夹子夹住纸带的上端，待开始打点后再松开夹子释放纸带，打点计时器打出的第一个点的点迹清晰，计算时从第一个计时点开始至某一点的机械能守恒，其误差也不会太大。回避第一个计时点的原因也包括实验时手提纸带的不稳定，使第一个计时点打出的点迹过大，从而使测量误差加大。问题3：重物的速度怎样测量？生：结合教材介绍独立推导测量瞬时速度并得出结论。结论是：做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与之相邻两点间的平均速度。师：如教材图所示，由于纸带做匀加速运动，故有A、C之间的平均速度：。又根据速度公式有：，故有：，即：。从而：。问题4：通过处理实验数据，可得出什么结论？6\n生：自主对所选择的纸带进行测量、计算，得出结论。师：对学生得出的结论进行点评，提出问题5。问题5：实验误差分析师：提出问题，在得到的实验数据中，大部分同学得到的结论是，重物动能的增加量稍小于重力势能的减少量，即Ek＜Ep。是怎么造成的呢？生：分组讨论，得到结论。师：对学生讨论进行点拨。重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带与计时器之间的摩擦力。计时器平面不在竖直方向，纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原因。电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器。由于阻力的存在，重物动能的增加量稍小于势能的减少量，即Ek＜Ep师:提出问题，在实验中会不会出现，重物动能的增加量稍大于重力势能的减少量，即Ek＞Ep的结论呢？生：分组讨论，得到结论。师：对学生讨论进行点拨。交流电的频率f不是50Hz也会带来误差。若f＞50Hz，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，动能值也就偏小，使Ek＜Ep的误差进一步加大。7\n根据同样的道理，若f＜50Hz，则可能出现Ek＞Ep的结果。问题6：实验注意事项（教师学生共同总结）⑴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。⑵应选用质量和密度较大的重物，可使摩擦阻力，空气阻力相对减小。⑶实验时,必须先接通电源,让打点计时器工作正常后才能松开纸带让重锤下落⑷本实验因不需要知道重物动能的具体数值,故不需要测出重物的质量m.⑸实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功,所以动能的增加量△Ek必定稍小于势能的减少量△Ep（电源频率为50Hz）㈤、学生完成实验报告㈥、课堂巩固练习：【例1】某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：A.用天平称出重物的质量；B.把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；C.拆掉导线，整理仪器；D.断开电源，调整纸带，重做两次；E.用秒表测出重物下落的时间；8\nF.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论；G.把打点计时器接到低压交流电源上；H.接通电源，释放纸带；I.把打点计时器接到低压直流电源上；J.把打点计时器固定到桌边的铁架台上。上述实验步骤中错误的是，可有可无的是，其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是。（均只需填步骤的代号）【提示】认真阅读本节教材的“实验方法”。【解析】上述实验步骤中错误的是E和I，因为实验中不需要测定时间，打点计时器应使用低压交流电源。可有可无的实验步骤是A。其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是：J、G、B、H、D、C、F。【点悟】对于物理实验，掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理，才能判断出实验步骤中哪些是错误的，哪些是必要的；只有亲自动手进行认真的操作，才能正确地对实验步骤按序排列。【例2】某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，不慎将选好纸带的前面一部分破坏了，剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图上。已知打点计时器的工作频率为50Hz，重力加速度g取29.80m/s，利用这段纸带能否验证机械能守恒定律？如何验证？9\n【解析】能利用这段纸带验证机械能守恒定律。方法是：以重物从3号点运动到6号点为研究过程，物体对应于3、6两点的速度分别为重物从3号点运动到6号点动能的增加量为重物从3号点运动到6号点重力势能的减少量为比较△Ek和－△Ep可知，重物动能的增加量近似等于重力势能的减少量，从而验证了机械能守恒定律。【点悟】实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于计算机械能是否守恒。用来验证，这样就回避了起始点，在纸带上选择后面的某两点来验证了机械能守恒定律。2【例3】在验证机械能守恒定律时，如果以v/2为纵轴，以h为横轴，2（h为从第一点到选定点的距离）根据实验数据绘出的v/2－h图象应是什么形状才能验证机械能守恒定律，图线的斜率表示什么？【提示】由进行分析。10\n2【解析】由，可得，即v/2是h的正比例函数。2所以，根据实验数据绘出的v/2－h图象应是通过原点的一条倾斜直2线。由可知，v/2－h图线的斜率表示重力加速度g。【点悟】本题给出了验证机械能守恒定律时，进行数据处理的图象方2法。另外，利用本实验中得出的v/2－h图线的斜率还可以测定重力加速度g。三、课堂总结、点评（师生共同完成）1、实验方法：用自由落体运动现象验证机械能守恒2、纸带的选取及重物速度的测量方法3、实验的误差来源及注意事项四、作业布置完成配套练习11