9 实验：验证机械能守恒定律
文本式教学设计(一)
海南省儋州市第一中学 李孔韧
整体设计
通过上一节的学习，学生对机械能守恒定律及其守恒条件有了明确的认识．本节安排在学习了机械能守恒定律之后，使学生不仅从理论上了解机械能守恒定律，而且通过实际观测从感性上增加了认识，深化学生对机械能守恒定律的理解．在这一实验之前学生多次使用过打点计时器，对处理纸带的方法并不陌生，实验操作也比较容易，所以要求学生认真看书，完成实验．课文中重点介绍了瞬时速度测量的另一种方法，要求学生明白道理．在前面的实验中，测速度时都是用两点间的平均速度代表其中点的瞬时速度，本节证明了“做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与它相邻的两点间的平均速度”．前面没有使用这种方法，目的是使学生更多地通过实验认识瞬时速度，同时也是为了避免盲目追求精确度的倾向．
本节实验采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的教法．给教师在课堂操控上很大的自由空间，应指导学生根据课本的思路，设计相应的探究方法，设计方案，完成实验．在实际教学中应该要求学生写好实验报告，教师一定要评阅或组织学生相互交流．学生自己写实验报告是实验能力的一个方面．尤其是对实验结果可靠性的评估，要求学生不但会动手，更要会动脑．
教学目标
一、知识与技能
1．知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转化．
2．正确推导重物自由下落过程中的机械能守恒，理解机械能守恒定律的内容，知道它的含义和适用条件．[来~^#源:中国教育出版&%网]
3．在具体问题中，能判定机械能是否守恒，并能列出机械能守恒的方程式．
二、过程与方法
1．学会在具体的问题中判定物体的机械能是否守恒．
2．初步学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，分析问题．
三、情感、态度与价值观
通过机械能守恒的教学，使学生树立科学观念，正确理解和运用自然规律，并用来解决实际问题．
教学重点
1．掌握机械能守恒定律的理论推证和实验验证过程．
3．掌握机械能守恒的条件．
4．在具体的问题中能判定机械能是否守恒，并能列出机械能定律的数学表达式．
教学难点
1．如何让学生从事例中感受和猜想物体的机械能转化遵循什么规律．
2．在实验验证中如何处理纸带，数据如何处理．[z@&zstep.#^c%om]
教学方法
情景创设法、分析推证法、探究与交流讨论法．
教具准备
多媒体
教学过程[来源^:*&中教%网~][ ]
导入新课
情景导入
视频
回顾：动能和重力势能的概念．
提问：什么是机械能？
情景创设(视频)：瀑布、跳高[中*国教育^出%@版#网]
请同学们根据提供的情景，描述它们的动能、重力势能是如何变化和转化的？
『生』水从高处下落：水的重力势能转化为动能．
跳高：运动员向上跳高的过程中，动能减小，重力势能增加；减小的动能转化为增加的重力势能．向下则反之．
通过以上事例的分析，你猜想减小的重力势能与增加的动能之间的关系是怎样的？
学生猜想：
现在就通过探究来验证我们的猜想是否正确！
提问：要探究一个物理问题可以从几方面来探究？
理论分析
下面以最简单的例子从理论分析和实验探究两方面来研究机械能的转化与守恒问题．
先从理论分析来研究重锤自由下落过程中机械能是否守恒．[来@#源*:中%&教网]
①如图所示，忽略空气阻力，设重锤的质量为m，当重锤离地面高度为h1时，重锤具有的机械能是：
E1＝Ek1＋Ep1＝__________
结论：E1＝Ek1＋Ep1＝mv＋mgh1.
[^*中&%教网@]
②当重锤继续下落至离地面高度为h2处时，重锤具有的机械能是：
E2＝Ek2＋Ep2＝__________
结论：E2＝Ek2＋Ep2＝mv＋mgh2.
③试着比较重锤从h1高处下落到h2高处时动能的增加量Ek与重力势能的减少量ΔEp相等吗？(现在就从理论上去推导这两个位置的机械能是否相等)
设问：如果相等会得出什么结论呢？[ww%w*.zzs#&tep.co~m]
引导学生利用已经学习过的动能定理或运动学知识分析推导得出ΔEk＝ΔEp.
即mv－mv＝mg(h1－h2)
结论：由于动能的增加量ΔEk与重力势能的减少量ΔEp相等，因此E1＝E2.[~中国教%育*出版&@网]
上面是从分析重锤自由下落过程中得出的结论．这个结论具有普遍意义吗？
提问：物体在做斜抛运动时这个结论也正确吗？
分析图中斜抛物体的频闪照片，你也能得出“斜抛物体的动能和势能互相转化，但在任一位置的机械能都相同”的结论吗？(留给学生课后探究)
总结：研究证明，在只有重力做功的情况下，不论物体是做直线运动还是做曲线运动，这个结论都是正确的．
机械能守恒定律：在只有重力做功的情况下，物体的动能和势能可以互相转化，而且机械能的总量保持不变．
即E＝Ek＋Ep＝恒量．
实验验证[来%源*:中^&教网#]
提问：如何设计一个实验来验证机械能守恒定律呢？
在现有器材的条件下，这节课推荐大家用自由下落的重锤和打点计时器验证机械能守恒定律．
实验装置如图所示：
仪器和器材
电磁打点计时器，学生电源，方座支架，直尺，重锤，纸带，复写纸，导线．[来^@源:zzstep&.com#%]
实验前的准备工作：
引导学生：
(1)如何选择纸带
提问：某个位置的机械能能不能测量？怎样测量？
(2)如何测量计数点的速度？即v1、v2的速度．
(3)如何测量重锤重力势能的减少量mgΔh和动能的增加量mv－mv？并用这两个量来验证机械能是否守恒．[中教%&*网~#]
由于数据比较多，下面给大家提供了一组参考的数据表格，同学们可以根据自己的实际情况设计更加具体的实验步骤和数据表格．
数据处理参考表格(并借助计算机数表软件处理实验数据)
位移
时间
瞬时速度
位移
时间
瞬时速度
动能增加量
势能减少量
差值
x1
t1
v1
x2
t2
V2
mgΔh
学生分组实验：
(1)老师及时观察学生的实验并与学生互动．[w^ww.z&zstep.com#~*]
(2)实验数据分析与处理．
(3)学生汇报实验结果．
这节课我们借助计算机数据表格辅助数据处理．这样使我们处理数据更加简单、方便．[来%^~&源:中#教网]
交流讨论(作业)
一个学生骑自行车沿着斜坡自然下滑时，机械能是否守恒．[www.#zzs&^te*p.co%m]
活动与探究
课题：对验证机械能守恒定律实验器材的改进
目的：通过对本实验器材的改进，加深实验内容的理解，培养学生动手动脑的能力．
内容：
1．器材：铁架台一个，圆柱棒一根(约30 cm长的橡胶棒)，玩具车马达一个(转速为1 440 r/min)，毛笔一支，白纸，细线，颜料若干．[w~#@w*w.zzste&p.com]
2．制作方法[z#zstep%.&~com^]
(1)将铁架台放于水平桌面上，再将约30 cm长的橡胶棒的一端钻一个孔，旋上一螺丝用于系上细线，再将白纸涂上胶水包在圆柱棒上，并把它悬挂在铁架台上方．
(2)再将马达安装在铁架台的中间偏下，把毛笔固定在马达上，调整笔尖在棒的下端位置，笔尖与棒面略微接触就可以了．
3．操作方法[中%国教*&育^出版@网]
(1)如上图所示，将包有白纸的圆柱棒代替纸带和重锤，蘸有颜料的毛笔固定在马达上并随之转动，使之替代打点计时器，当烧断悬挂圆柱棒的线后，圆柱棒竖直自由落下，毛笔就在圆柱棒面上的纸上画出记号，记下了相应的位置．
(2)替换白纸后，再给毛笔重新添加颜料重做上述实验过程，可做三次以上．
4．实验结论
马达的转速为：n＝1 440 r/min＝24 r/s，所以周期为：T＝(1/24) s＝0.042 s.
因为马达每转一圈，毛笔随之在圆柱棒上的纸带面上画下一些间断的螺旋线，毛笔所画的旋线之间时间间隔T＝0.042 s；所以，旋线之间的距离的大小，就记录圆柱棒下落的快慢．
因为圆柱棒做自由落体运动，由匀变速直线运动规律所知：
某一段时间内的平均速度等于该段时间内中间时刻的瞬时速度，即v中间时刻＝v平均．
所以可以计算出各记号点的瞬时速度，也就可以计算各记号点之间的动能变化，测出记号点之间的距离，就可以算出重力势能的变化．因此在误差允许范围内，动能的变化等于重力势能的变化，就验证了棒在下落过程中的机械能守恒．
设计点评[来源%:中国教育出版#~*^网]
验证机械能守恒定律是在学习了机械能守恒定律之后进行的一节实验课，目的在于学习物理规律之后进行，验证物理规律的正确性，巩固和加深对物理规律的理解．本节仍然采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的写法，这为教师在实际教学中提供很大的教学空间．本实验虽然是个验证性实验，但本教学设计突破思维习惯，采用由学生自主提出、验证方法、验证原理、验证步骤及方案的方法，渗透探究型实验的思想．因此，本教学设计注重了在过程中培养学生的科学素养．通过积极的创造性活动，使学生参与并体验了设计方案形成的思维过程，从中体会实验设计的乐趣和艰辛，感悟了科学实验的本质和价值，从而使学生形成科学的情感态度与价值观．本教学设计主要讲解机械能守恒定律的推导，没有大量讲解例题，重点放在机械能守恒定律的含义要讲透，这对下一节的应用课有很大帮助．渗透了能量在物理学习中的重要地位，这是物理力学知识的核心所在．[w*ww.z#@z&step.c^om]
文本式教学设计(二)[来^#源:中教&~网@]
山东省邹平县长山中学 李敏 石涛
目标要求
知识与技能
1．理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量．
2．知道实验中选取测量点的有关要求，会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离，掌握测量物体运动的瞬时速度的方法．
3．能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析得出实验结论．
4．能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差．
过程与方法
通过验证机械能守恒定律，体验验证过程与物理学的研究方法．
情感、态度与价值观
通过亲自实践，培养学生观察和实践能力，培养学生实事求是的态度和正确的科学观．
教学重难点
1．验证机械能守恒定律的实验原理．
2．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
学生分组实验．
教学过程
导入新课
上节课我们学习了机械能守恒定律，掌握了机械能守恒定律的条件和公式．这节课我们通过实验来验证一下机械能守恒定律．
进行新课 [zzs%t&ep^.c@o#m]
实验目的：通过研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，验证机械能守恒定律．
实验原理：用天平测出重锤的质量，纸带上某两点的距离等于重锤下落的高度，这样就可以得到重锤下落过程中势能的变化．重锤的速度可以用大家熟悉的方法根据纸带测出(即每计数点的瞬时速度)，这样就得到它在各点的动能．比较重锤在某一过程的初末状态动能变化与势能变化的多少，就能验证机械能是否守恒．
需用的实验仪器：(请在所需仪器右面打“√”)
1秒表
2纸带
3刻度尺
4天平
5打点计时器
6复写纸片
7导线、电键
8带有铁夹的铁架台
9带铁夹的实心重锤
10带铁夹的空心重锤
11交流220 V，50 Hz电源
12高压交流电源
主要实验步骤及注意事项：[来&源:z*zstep.c@~om%]
次序
主要步骤
注意事项
备注
改进措施
1
用天平称出重锤的质量.
2
按课本图所示，把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与交流电源连好.
打点计时器安装时，必须使纸带两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.
这一步你有好的改良意见吗？
把铁架台降低并固定到桌面上．
3
用手握着纸带上端并让纸带保持竖直，让重锤静止地靠近打点计时器.
4
接通电源，松开纸带，让重锤自由落下，纸带上打下一系列小点，断开电源.
先接通电源，后松开纸带.
为什么？
5
换个同学，重复以上2～4步几次，得3～5条纸带.
6
在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起始点标上0，以后各依次标上1、2、3……用刻度尺测出对应高度h1、h2、h3……
挑选打点清晰，且纸带上最前端两点间距接近2 mm左右的纸带.
请填写下面数据表格．如果起点不清晰该怎么办？
7
应用公式v＝计算各点对应的速度v1、v2、v3……
请填写下面数据表格.
8
计算各点相对于起点0的势能减少量mghn和动能的增加量mv进行比较.
填写表格．两数据相等吗？如不相等，分析原因.
9
处理数据，得出结论.
数据表格：(T＝________s，m＝________kg，同一纸带以O点为起点)[来源%:^@中*教网&]
计数点
Δh/m
初态
v0 /(m·s－1)
末态
vn/ (m·s－1)
势能减少量
ΔEp/J
运能增加量
ΔEk/J
对比
ΔEp与ΔEk
1
2
3
4
产生误差原因分析：(思考出几条，请写出几条)
误差原因
为减小误差操作时应注意方面
1
2
3
结论：_____________________________________________________
结论的评估：_____________________________________________________
凡固提高
1．在用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：
若用公式计算瞬时速度进行验证，打点计时器所接交流电的频率为50 Hz，甲、乙两条实验纸带(如图所示)，应选________纸带好．
2．某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：[来~源#:中国教育&出^版网%]
A．用天平称出重锤的质量；
B．把纸带固定到重锤上，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；
F．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．[来#源:%中国@教育~出&版网]
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)
3．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？
参考答案：
1．甲
2．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.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.
3．实验数据绘出图象应是通过原点的一条倾斜的直线．由图线的斜率表示重力加速度g.
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