高中物理必修2教案与课件7-9验证机械能守恒定律

第 1 页 -年年 月月 日日课课 题题§§7.9 实验：验证机械能守恒定律实验：验证机械能守恒定律课课 型型新授课（新授课（2 课时）课时）教教 学学 目目 标标知识与技能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、难教学重点、难点点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教 学学 方方 法法 探究、讲授、讨论、练习探究、讲授、讨论、练习教教 学学 手手 段段教具准备重物、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、小夹子第 2 页 -教教 学学 活活 动动新课导入新课导入师：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。、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=AAmghmv 2 21 BBmghmv 2 21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=AAmghmv 2 21 BBmghmv 2 21上式亦可写成BAABmghmghmvmv22 21 21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mghmvA2 21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 材材? 生：最容易想到的器材是重物、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：低压交流电源是不是必需的?学学 生生 活活 动动第 3 页 -生：低压交流电源并不是必需的，如果采用的是电火花计时器时，它所需要的 电压是交流 220V，所以不需要低压电源 师：重物选取的原则是什么师：重物选取的原则是什么?为什么为什么? 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：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，计时器距地面的距离大约是架台放在桌边，计时器距地面的距离大约是 1 m 师：这样做的目的是什么? 生：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生：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，计时器距地面的距离较大的目的产生，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，主要是纸带和计时器之间的摩擦力， 计时器平面不在竖直方向上；纸带与计时器不平行：交流电的频率不等于 50 Hz 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 1 m，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 46 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(高度高度 h)测测 量的误差量的误差 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? 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) 2、如何求出、如何求出 A 点的瞬时速度点的瞬时速度 vA？ 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 A 点的瞬时速度 vA。 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 02 点，13 点，24 点 各 段间的距离。根据公式，t=2×0.02 s（纸带上任意两个相邻的点间所表示的时间tsv 都是 0.02s） ，可求出各段的平均速度。这些平均速度就等于是 1，2，3， 各点相对应的瞬时速度 v1，v2，v3，.例如：量出 02 点间距离 s1，则在这段时间里的平均速度，这就是点tsv1 1图 201234s1s2s3h1h2h3h4第 4 页 -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？、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、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 0.1 s 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 2 mm 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 h1h2h3，记人表格 中6用公式 vn=hn+1+hn-1/2t，计算出各点的瞬时速度 v1v2v3并记录在表格中 7计算各点的重力势能的减少量 mgh。和动能的增加量 1/2mvn2，并进行比 较看是否相等，将数值填人表格内各各计计数数点点l l 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6下下落落高高度度速速度度势势能能动动能能结结论论第 5 页 -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：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、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，为计时起点，O 点的点的 速度应为零。怎样判别呢？速度应为零。怎样判别呢？ 2、是否需要测量重物的质量？、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？、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？、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、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，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？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。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、因为打点计时器每隔 0.02 s 打点一次，在最初的打点一次，在最初的 0.02 s 内物体下落距离应为内物体下落距离应为 0.002 m，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近两年，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近两年 2 mm 的纸带进行的纸带进行 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 =0.02 s. 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、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量 m，而只需验证，而只需验证nnghv 2 21就行了。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、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