【同步備課】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計(新人教必修二)7.9《實驗：驗證機械能守恒定律》2

9試驗：驗證機械能守恒定律文本式教學(xué)設(shè)計整體設(shè)計通過上一節(jié)的學(xué)習(xí)，同學(xué)對機械能守恒定律及其守恒條件有了明確的生疏.本節(jié)支配在學(xué)習(xí)了機械能守恒定律之后，使同學(xué)不僅從理論上了解機械能守恒定律，而且通過實際觀測從感性上增加了生疏，深化同學(xué)對機械能守恒定律的理解.在這一試驗之前同學(xué)多次使用過打點計時器，處理紙帶的方法并不生疏，試驗操作也比較簡潔，所以要求同學(xué)認(rèn)真看書，完成試驗.課文中重點介紹了瞬時速度測量的另一種方法，要求同學(xué)明白道理.在前面的試驗中，測速度時都是用兩點間的平均速度代表其中某點的瞬時速度，本節(jié)證明白“做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于與它相鄰的兩點間的平均速度”.前面沒有使用這種方法，目的是使同學(xué)更多地通過試驗生疏瞬時速度，同時也是為了避開盲目追求精確度的傾向.本節(jié)試驗接受了不給步驟給思路，同時進行難點提示的寫法.給老師在課堂操控上很大的自由空間，應(yīng)指導(dǎo)同學(xué)依據(jù)課本的思路，設(shè)計相應(yīng)的探究方法，設(shè)計方案，完成試驗.在實際教學(xué)中應(yīng)當(dāng)要求同學(xué)寫好試驗報告，老師肯定要評閱或組織同學(xué)相互溝通.同學(xué)自己寫試驗報告是試驗力量的一個方面.尤其是對試驗結(jié)果牢靠性的評估，要求同學(xué)不但會動手，更要會動腦.教學(xué)重點1.驗證機械能守恒定律的試驗原理.2.試驗原理及方法的選擇及把握.教學(xué)難點試驗誤差分析的方法.課時支配1課時三維目標(biāo)學(xué)問與技能1.要弄清試驗?zāi)康?，本試驗為驗證性試驗，目的是利用重物的自由下落驗證機械能守恒定律.2.要明確試驗原理，把握試驗的操作方法與技巧、學(xué)會試驗數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進行試驗誤差的分析，從而使我們對機械能守恒定律的生疏，不止停留在理論的推導(dǎo)上，而且還能夠通過親自操作和實際觀測，從感性上增加生疏，深化對機械能守恒定律的理解.3.通過同學(xué)自主學(xué)習(xí)，培育同學(xué)設(shè)計試驗、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及試驗誤差分析的力量.過程與方法1.要明確紙帶選取及測量瞬時速度簡潔而精確?????的方法.2.通過同學(xué)們的親自操作和實際觀測把握試驗的方法與技巧.3.通過對紙帶的處理過程，體會處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法.4.通過試驗過程使同學(xué)體驗試驗中理性思維的重要，既要動手，更要動腦.情感態(tài)度與價值觀1.通過試驗及誤差分析，培育同學(xué)實事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)同學(xué)對物理規(guī)律的探知欲.2.培育同學(xué)的團結(jié)合作精神和協(xié)作意識，敢于提出與別人不同的見解.課前預(yù)備自制課件、電火花計時器、重物（質(zhì)量300g±3g）及紙帶、鐵架臺、燒瓶夾、電源.教學(xué)過程導(dǎo)入新課問題導(dǎo)入十米跳臺跳水是種技術(shù)性較強的運動.運動員在跳離平臺后筆直飛出，假如不計空氣阻力，思考：他在下落的過程中運動特點是怎樣的？機械能是否守恒？怎樣驗證？試驗導(dǎo)入請同學(xué)們思考，細(xì)繩的下端拴一個重球，上端固定在天花板上.把重球從平衡位置B拉到A，放開手，重球就在A、B間往復(fù)運動，假如空氣阻力可以忽視不計，把鉛筆放在B1的位置上，重球?qū)⒀卦鯓拥幕【€運動？它上升的最高點C1在什么地方？由此同學(xué)們得到什么啟示？推動新課通過上一節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道機械能守恒定律及其表達式以及其在物理學(xué)中的重要地位.一個規(guī)律的提出，不但要有理論的支持，還要由試驗的驗證，今日我們就設(shè)計試驗，來驗證機械能守恒定律.問題：1.機械能守恒定律的條件是什么？2.要驗證機械能守恒應(yīng)當(dāng)創(chuàng)設(shè)什么樣的問題情景？3.回顧以前學(xué)過的運動，哪種運動形式符合驗證機械能守恒定律的條件？同學(xué)通過爭辯，總結(jié)：1.機械能守恒定律的條件是：物體系統(tǒng)只有重力或彈力做功.2.要驗證機械能守恒定律，應(yīng)當(dāng)符合守恒條件：只有重力或彈力做功.3.自由落體運動只受重力，符合驗證條件.這節(jié)課我們通過設(shè)計試驗，通過探究自由落體過程中能量的變化來驗證機械能守恒定律.指導(dǎo)同學(xué)閱讀課本內(nèi)容，找出利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的方法,培育同學(xué)的閱讀、總結(jié)表達力量.方法總結(jié)：在只有重力做功的自由落體運動中，物體的重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化，總的機械能守恒，驗證機械能守恒定律只需驗證削減的重力勢能等于增加的動能即可.問題探究：讓同學(xué)分組爭辯、溝通，要完成本試驗，應(yīng)當(dāng)測量的量有哪些,如何測量,并提出解決方案.明確：測量物體自由下落過程中削減的勢能.方法：測量物體的質(zhì)量m、下降的高度Δh，利用重力勢能的公式計算ΔEp=mgΔh;測量自由落體下降Δh時的速度v,利用動能的公式計算ΔEk=mv2/2,利用打點計時器處理紙帶的方法來求解速度.方法補充：如何利用紙帶求解瞬時速度?指導(dǎo)同學(xué)依據(jù)勻變速直線運動的運動學(xué)規(guī)律，推導(dǎo)瞬時速度的求解方法.同學(xué)通過閱讀教材，總結(jié)推導(dǎo)過程，老師通過大屏幕投影同學(xué)的推導(dǎo)過程：如圖所示，由于紙帶做勻加速運動，故有A、C之間的平均速度：.依據(jù)速度公式有：vB=vA+aΔt，vC=vB+aΔt，故有：vB-vA=vC-vB，即vB=.從而：vB=.總結(jié)：勻變速直線運動中，某點的瞬時速度等于以該點為時間中點的兩點間的平均速度.解決方案：利用電火花計時器打出紙帶，通過處理紙帶，既可以求出物體下降的高度，還可以求出某一瞬時的速度，因此電火花計時器是重要的試驗儀器.原理探究：通過試驗，求自由落體的重力勢能削減量和相應(yīng)過程動能的增加量.若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律.而且，由于不需要知道物體在某點動能和勢能的具體數(shù)值，所以不必測量物體的質(zhì)量m，而只需驗證=ghn就行了，假如要具體計算出重力勢能或動能的數(shù)值就需要天平.總結(jié)：指導(dǎo)同學(xué)依據(jù)試驗原理，寫出本試驗用到的試驗器材:①電火花計時器（或電磁打點計時器）；②重物（質(zhì)量300g±3g）及紙帶；③鐵架臺、夾子、燒瓶夾；④電源.問題猜測:在本試驗操作的具體過程中會遇到哪些問題？通過該問題的設(shè)置，同學(xué)對試驗中可能遇到的問題進行猜測，并提出相應(yīng)的解決方法.1.重物下落的過程中除受重力外，還受到哪些阻力？怎樣減小這些阻力對試驗的影響?2.重物下落時最好選擇哪兩個位置作為過程的開頭和終結(jié)的位置?3.本試驗中用的重錘，質(zhì)量大一些好還是小一些好？為什么？4.質(zhì)量是否為本試驗必需測量的量?參考答案：1.重物下落的過程中，除受重力外，還要受空氣阻力和打點計時器給紙帶的摩擦力.安裝打點計時器時留意保持豎直，重物要選擇質(zhì)量大一些的.2.為減小測量高度h值的相對誤差，選取的各計數(shù)點要離起始點遠(yuǎn)一些.要從起始點開頭測量出h1、h2，再求出Δh=h2-h1.3.錘應(yīng)當(dāng)選擇質(zhì)量大一些，體積小一些的，可以有效地減小空氣阻力的影響.4.質(zhì)量并非必需測量的量，在需要計算具體的能量數(shù)值時，需要天平.步驟整理：老師指導(dǎo)同學(xué)依據(jù)試驗原理、各種器材的留意事項，總結(jié)歸納試驗步驟：(1)如圖所示，將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過打點計時器；打點計時器的兩根導(dǎo)線接在6伏溝通電源上.(2)用手提著紙帶，讓重物靠近打點計時器靜止，然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由落下，紙帶上打下一系列點.(3)重復(fù)幾次，從幾條打下點的紙帶中選擇第一、二點間距離接近2mm且點跡清楚的紙帶進行測量，測出一系列計數(shù)點,各點到第一個點的距離d1、d2，d3,……,dn-1,dn,dn+1,……據(jù)公式vn=，計算物體在打下點1、2……時的即時速度v1、v2……計算相應(yīng)的動能的增加值,填入事先設(shè)計好的表格.老師點撥：選第1、2點間距約2mm的紙帶意味著紙帶是在打第一個點的瞬時開頭運動的，依據(jù)h=gT2/2=9.8×0.022/2m=1.9610-3m≈2mm在起始點標(biāo)上0，用刻度尺測量紙帶從點0到點1、2……之間的距離h1、h2……計算出相應(yīng)削減的重力勢能,填入事先設(shè)計好的表格.處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.參考數(shù)據(jù)：各計數(shù)點45678910t(s)0.080.100.120.140.160.180.20h×(10-2m2.924.626.709.1812.0315.2818.92v=Δh/Δt(m/s)0.9451.141.331.531.72ΔEk=mv2/20.1340.1950.2650.3510.444ΔEp=mgh0.1360.1970.2700.3540.450試驗結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，物體削減的重力勢能等于增加的動能，機械能守恒.同學(xué)分組試驗，并處理數(shù)據(jù)，老師利用實物投影儀呈現(xiàn)幾組數(shù)據(jù)，并進行點評.師生依據(jù)實際試驗中的體會，總結(jié)試驗留意事項：1.打點計時器安裝時，必需使兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.2.試驗時，需保持提紙帶的手不動，待接通電源，讓打點計時器工作正常后再松開紙帶讓重錘下落，以保證第一個點是一個清楚的點.3.選用紙帶時應(yīng)盡量選擇第一、二點間接運2mm的紙帶.4.打點計時器必需接50Hz溝通低壓電源.5.測量下落高度時，必需從起始點算起，不能搞錯，為了減小測量h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點遠(yuǎn)一些，紙帶也不易過長，有效長度可在60cm—80cm之內(nèi).6.試驗中，只要驗證gh是否等于v2即可，也可不用測重錘的質(zhì)量.誤差分析：老師指導(dǎo)同學(xué)觀看表格中的數(shù)據(jù)，削減的重力勢能并不是嚴(yán)格地等于增加的動能，而是稍大于增加的動能，讓同學(xué)思考其中的緣由，并總結(jié)歸納.緣由：重物和紙帶下落過程中要克服阻力，包括空氣阻力、紙帶與限孔位及紙帶與計時器之間的摩擦力.由于摩擦力的存在，削減的重力勢能并沒有全部轉(zhuǎn)化為動能，有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.計時器平面不在豎直方向，紙帶平面與計時器平面不平行是阻力增大的緣由.電磁打點計時器的阻力大于電火花計時器.溝通電的頻率f不是50Hz也帶來誤差.f＜50Hz,使動能Ek＜Ep的誤差進一步加大，f＞50Hz則可能消滅Ek＞Ep的結(jié)果.因此為了試驗的精確性，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依據(jù)試驗步驟進行.例題在用自由落體法驗證機械能守恒定律的試驗中，得到如圖所示的一條紙帶.起始點O到A、B、C、D、E各點的距離分別hA、hB、hC、hD、hE.假如重物的質(zhì)量為m，打點計時器所用電源的頻率為f，則在打B、D兩點時，重物的速度vB=__________，vD=__________.假如選擇起始點的位置為零勢能參考點，則在打B、D兩點時重物的機械能EB=__________，ED=__________，若EB__________ED，則說明重物在下落過程中機械能守恒.解析：依據(jù)紙帶上瞬時速度的計算方法，得vB=·f,vD=·f，打B點時，重物的動能和重力勢能分別為：EkB=,EpB=-mghB.此時重物的機械能EB=EkB+EpB=mf2(hC-hA)2-mghB.同理EkD=mf2（hE-hC)2,EpD=-mghD,ED=mf2(hE-hC)2-mghD.假如EB=ED，則說明重物在下落過程中機械能守恒.方法總結(jié)：實際上，重物拖著紙帶在下落過程中，受到阻力作用，機械能在不斷減小，故有EB>ED.又由于在初始點時重物的機械能為0，所以有0>EB>ED,mvB2-mghB<0,-mghD<0,說明重物在實際下落過程中，重力勢能的削減量大于動能的增加量.課堂訓(xùn)練（1）為進行“驗證機械能守恒定律”的試驗，有下列器材可供選用：鐵架臺、打點計時器、復(fù)寫紙、紙帶、秒表、低壓直流電源、導(dǎo)線、電鍵、天平.其中不必要的器材有：________________；缺少的器材是________________________________.（2）在驗證機械能守恒定律時，假如以v2/2為縱軸，以h為橫軸，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪出的圖線應(yīng)是________________，才能驗證機械能守恒定律，其斜率等于_______________的數(shù)值.（3）在做“驗證機械能守恒定律”的試驗時，用打點計時器打出紙帶如圖所示，其中A點為打下的第一個點，0、1、2……為連續(xù)的計數(shù)點.現(xiàn)測得兩相鄰計數(shù)點之間的距離分別為s1、s2、s3、s4、s5、s6，已知相鄰計數(shù)點間的打點時間間隔均為T.依據(jù)紙帶測量出的距離及打點的時間間隔，可以求出此試驗過程中重錘下落運動的加速度大小表達式為____________.在打第5號計數(shù)點時，紙帶運動的瞬時速度大小的表達式為____________.要驗證機械能守恒定律，為減小試驗誤差，應(yīng)選擇打下第_________號和第_________號計數(shù)點之間的過程為爭辯對象.（4）某次“驗證機械能守恒定律”的試驗中，用6V、50Hz的打點計時器打出的一條無漏點的紙帶，如圖所示，O點為重錘下落的起點，選取的計數(shù)點為A、B、C、D，各計數(shù)點到O點的長度已在圖上標(biāo)出，單位為毫米，重力加速度取9.8m/s2.若重錘質(zhì)量為1kg.①打點計時器打出B點時，重錘下落的速度vB=__________m/s，重錘的動能EkB=_________J.②從開頭下落算起，打點計時器打B點時，重錘的重力勢能削減量為____________J.③依據(jù)紙帶供應(yīng)的數(shù)據(jù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，重錘從靜止開頭到打出B點的過程中，得到的結(jié)論是____________________________________.參考答案：（1）不必要的器材有：秒表、低壓直流電源、天平.缺少的器材是低壓溝通電源、重錘、刻度尺（2）通過原點的直線g（3）（s6+s5+s4-s3-s2-s1）/9T2（s5+s6）/2T15（4）①1.1750.69②0.69③機械能守恒思維拓展處理紙帶的時候速度能不能用v=或v=gt計算？參考解答：v=是依據(jù)機械能守恒定律得到的，而我們的目的就是驗證機械能守恒定律，所以不能用.v=gt認(rèn)為加速度為g，由于各種摩擦阻力不行避開，所以實際加速度必將小于g，故這種方法也不能用.課堂小結(jié)本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了：1.試驗?zāi)康模河米杂陕潴w運動驗證機械能守恒.2.紙帶的選取及重物速度的測量方法.3.試驗的誤差來源及留意事項.布置作業(yè)1.教材“問題與練習(xí)”第1、2題.2.自己設(shè)計方案,驗證機械能守恒,自由選擇試驗儀器,寫出操作步驟及試驗報告.板書設(shè)計9試驗:驗證機械能守恒定律一、試驗方法二、速度測量：中間時刻的瞬時速度與這一段的平均速度大小相等三、留意事項活動與探究課題：對驗證機械能守恒定律試驗器材的改進目的：通過對本試驗器材的改進，加深試驗內(nèi)容的理解，培育同學(xué)動手動腦的力量.內(nèi)容：1.器材：鐵架臺一個，圓柱棒一根(約30cm長的橡膠棒)，玩具車馬達一個(轉(zhuǎn)速為1440r/min)，毛筆一只，白紙，細(xì)線，顏料若干.2.制作方法(1)將鐵架臺放于水平桌面上，再將約30cm長的橡膠棒的一端鉆一個孔，旋上一螺絲用于系上細(xì)線，再將白紙涂上膠水包在圓柱棒上，并把它懸掛在鐵架臺上方.(2)再將馬達安裝在鐵架臺的中間偏下，把毛筆固定在馬達上，調(diào)整筆尖在棒的下端位置，筆尖與棒面略微接觸就可以了.3.操作方法(1)如上圖所示，將包有白紙的圓柱棒代替紙帶和重物，蘸有顏料的毛筆固定在馬達上并隨之轉(zhuǎn)動，使之替代打點計時器，當(dāng)燒斷懸掛圓柱棒的線后，圓柱棒豎直自由落下，毛筆就在圓柱棒面上的紙上畫出記號，登記了相應(yīng)的位置.(2)替換白紙后，再給毛筆重新添加顏料重做上述試驗過程，可做三次以上.4.試驗結(jié)論馬達的轉(zhuǎn)速為：n=1440r/min=24r/s,所以周期為：T=(1/24)s=0.042s.由于馬達每轉(zhuǎn)一圈，毛筆隨之在圓柱棒上的紙帶面上畫下一些間斷的螺旋線，毛筆所畫的旋線之間時間間隔T=0.024s；所以，旋線之間的距離的大小，就記錄圓棒下落的快慢.由于圓柱棒做自由落體運動，由勻變速直線運動規(guī)律所知：某一段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度,即v中間時刻=v平均.所以可以計算出各記號點的瞬時速度，也就可以計算各記號點之間的動能變化，測出記號點之間的距離，就可以算出重力勢能的變化.因此在誤差允許范圍內(nèi)，動能的變化等于重力勢能的變化，就驗證了棒在下落過程中的機械能守恒.習(xí)題詳解1.解答：（1）從狀態(tài)甲至狀態(tài)丙的過程中，彈性勢能漸漸削減，動能和重力勢能漸漸增大，當(dāng)彈簧對小球向上的彈力大小與重力大小相等時，物體的動能達到最大.之后，彈性勢能和動能漸漸減小，重力勢能漸漸增大，當(dāng)彈簧恢復(fù)到自然長度時，彈性勢能為零.之后，重力勢能仍漸漸增大，動能漸漸減小