第七章 第九节 实验：验证机械能守恒定律 导学设计

第七章 第九节 实验：验证机械能守恒定律 导学设计 年级：八年级 科目： 物理 主备教师： 吴香英 审核教师： 一、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。 二、过程与方法 学习目标 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。 三、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。 学习重点 学习难点 教学模式 教具准备 课 型 教学环节 入： 掌握验证机械能守恒定律的实验原理。 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。 自学－合学－展示 Ppt，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 新授课 知识能力要点 课时 教学过程 学生活动 设计意图 一、复习导 师：上一节课我们学习了机械能守 生：在只有重力引发学生恒定律，我们首先采复习一下什么或弹力做功的物有意注意，（预设1分钟） 引导学生叫做机械能守恒定律？ 体系统内，动能进入状态 与势能可以相互 师：机械能守恒的条件是什么？ 转化，而总的机械能保持不变。这叫做机械能守恒定律。 生：只有重力和弹力做功。 一课时 师：自由落体运动中机械能是不是生：自由落体运守恒？

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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生1：可以通过律在自由落体中的具体表达式，可牛顿运动定律进以根据什么来进行推导呢？ 行推导。 生2：可以根据动能定理进行推(投影展示与一个自由落体运动相导。 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) 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： 12EA=， mvAmghA212EB=mvBmghB 2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1122mvAmghA=mvBmghB 22上式亦可写成1212mvBmvAmghAmghB 22 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：2

二、新知探究： （预设32分钟） 问题探究一、 推导出机械能守恒定律在本实验中的具体表达式。

12mvAmgh----本实验要验证的2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。 问题探究二、 师：在做实验之前，我们首先要明生：最容易想到 确这样几个问题，首先这个实验需的器材是重物、做实验之前，要什么器材？ 电磁打点计时器我们首先要明 以及纸带。复写确这样几个问 纸片。低压电源题 师：打点计时器的作用是什么？ 及两根导线，铁架台和铁夹，刻度尺，小夹子。 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？ 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？为什生：密度比较大，么？ 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生：计时器要稳方？

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定在铁架台上，计时器平面与纸

师：这样做的目的是什么？ 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1 m。 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生：重物和纸带里？

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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生：实验用的纸择的？ 师：这样选取的目的是什么？ 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4—6个点当开始的点。 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，是不是必须从生：“纸带上某打的第一个点开始呢？

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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

师：在实验中是不是要先进行测量重物的质量呢？ 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A点的瞬时速度始计算。 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。 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，…………4 hs3 s2 2 s1 h1 0 图2 h3 分别为0～2点，1～3点，2～4点…… 各段间的距离。 根据公式s，t=2×0.02 svth（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是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s1，这就v1t是点1处的瞬时速度v1．依次类推可

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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。 问题探究三、师：下面我们准备进行实验，在进实验的步骤 (学生讨论 行实验之前还应该做几件事情!首实验的步骤，教先是确定实验的步骤，大家分组讨师巡回指导，帮论一下，然后得出一个比较合理的助能力较差的学实验步骤。 (参考实验步骤) 生完成实验步骤) 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h1、h2、h3，……记人表格中。

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6．用公式vn=hn+1+hn-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 2量mgh。和动能的增加量1/2mvn， 并进行比较。看是否相等，将数值 填人表格内。 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？ 各计数点 下落高度 速度 势能 动能 结论 l 2 学生活动：思考老师的问题，讨论、交流。选出(学生思考表格的设计方法，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，代表发表见解。 老师应强调如下几个问题： 1．因为打点计时1．该实验中选取被打点纸带应注意器每隔0.02 s打两点：一是第一点O为计时起点，O点一次，在最初点的速度应为零。怎样判别呢？

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的0.02 s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2 mm 的纸带进

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？

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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 =0.02 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量 m，而只需验证12vnghn就行2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。

1．完成实验报告。 课余作业 三、达标检测： 用自由落体验证机械能守恒定律， （预设3分钟） 就是看1mv2是否等于mgh（n为计nn2时点的编号0、l、2…n…）。下列说法中正确的是（ ） A．打点计时器打第一个点O时，物体的速度为零 B．hn是计时点n到计时点O的距离 C．m为重物的质量，需用天平秤量 D．用vn＝gtn计算vn时，tn＝（n—1）T（T为打点周期） 解析：由于存在空气阻力。因此测得的动能要小一些。只要在误差范围内相同就可认为机械能守恒。 实验的原理就是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律。因此打点计时器所打的第一个点，重物运动的速度应为零。hn与vn分别表示打第n个点时重物下落的高度和对应的瞬时速度。 本实验中，不需要测量重物的质量。1因为公式mgh＝mv2的两边都有2 1m。故只要gh＝v2成立。则mgh＝21mv2就成立。机械能守恒定律也2就被验证了。 答案：AB 一、实验方法 二、验证用自由落体运动中机械四、课堂小结 能守恒 （预设2分钟） 二、要注意的问题 实验的误差来源 三、速度的测量

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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。五、布置作业 思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践六、评价反思 活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。 板书设计：

第七章 第九节 实验：验证机械能守恒定律

一、实验目的：该实验是利用自由落体运动来验证 机械能守恒 ．

1．通过实验，求做自由落体运动的物体重力势能的 减少 和相应过程动能的 增加 ，若二者在数值上 相等 ，则说明机械能守恒．

2．该实验所需的实验器材有电源、纸带、复写纸片、重物、带有铁夹的铁架台、导线，还需要 打点计时器 、刻度尺 ． 3．重物下落过程中，会不可避免地受到空气阻力、纸带与打点计时器间的阻力的影响，这些都使重物的机械能 减少 ．为减小这些阻力对实验的影响，可以使打点计时器 竖直 固定，同时选用 质量和密度尽量大 的重锤． 4．求各点的瞬时速度时的表达式为：vn＝

二、实验原理

及方法：

dn1dn1．

2T5．重物下落时，一般应选取开始位置的势能为零，这样重物的机械能将一直保持为零．如果测得重力势能与动能的和等于 零 ，即说明机械能守恒．

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