79实验验证机械能守恒定律

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页 共4页7.9实验：验证机械能守恒定律物理 高一(6)班 刘新明一、教学目标：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。二、教学重、难点：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。三、教学过程：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 =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：=上式亦可写成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。师：有了机械能守恒定律的理论知识，我们该设计怎样的实验情景来验证呢？生：自由落体运动、平抛运动、光滑斜面上的加速下滑运动等等。不管设计什么样的实验情景，我们必须明确一个事情，那就是该实验过程中只有重力做功（这是机械能守恒的条件）。师：比较而言还是自由落体运动这样一个实验情景最简单，如果选择自由落体运动来验证机械能守恒，你需要哪些实验器材呢？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？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。师：选择好了器材并弄清楚了某些器材的用途，下面我们就可以进行实验了，在进行实验之前还应该做一件重要的事情拟定实验的步骤。实验仪器就摆在你的面前，请你设想一下该如何一步步的操作？并把实验步骤写在学案上，待会儿我会请一个同学说一说他的实验步骤，我们大家一起讨论一下，得出一个比较合理的实验步骤。经老师和学生共同讨论的实验步骤如下：1把打点计时器安装在铁架台上2将纸带穿过计时器的限位孔，下端用夹子与重物相连3用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近4接通电源，待计时器工作稳定后释放纸带5及时切断电源，取下纸带6更换纸带，重复以上步骤，打三到五条纸带7整理器材，使器材复位师：下面请同学们按照这个比较合理的实验步骤动手做实验吧，做完实验请把仪器整理好。（学生动手实验，教师巡回指导，帮助能力较差的学生完成实验）师：大部分同学都打出了至少三条纸带了，少部分同学还没做好，时间关系，我们不等了，下面请同学们从你的纸带中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(学生挑选纸带并动手标记计数点)师：有了这条标记好的计数点的纸带，下面就是要对纸带进行数据处理，在处理数据之前，让我们思考学案上两个关键性的问题：1如何确定某计数点的速度？2如何确定重物下落的高度？1如何确定某计数点的速度？图201234s1s2s3h1h2h3h4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某点的瞬时速度v。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=20.02 s（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02点间距离s1，则在这段时间里的平均速度，这就是点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，。2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。师：解决了这两个问题，我们就可以求出各个计数点的速度，算出各个计数点所对应的物体的动能；可以量出各个计数点高度，算出各个计数点所对应的重物的的重力势能，计算重力势能要注意一下，如果取0点位零势能面，则计数点1的重力势能应该是负的（重物下落的过程中重力势能减少）。下面请同学们同手处理数据，把数据填到学案上的表格中去。各计数点l23456下落高度(m)速度(m/s)势能(J)动能(J)机械能(J)从表格上的机械能一栏的数据我们很容易看出，各个计数点（对应物体）的机械能接近相等，在误差允许的范围内，我们说物体下落过程的机械能守恒。师：如果我们把两个计数点的势能、动能都相减的话，你会又有什么样的发现呢？生：相减的绝对值近视相等。师：说明了什么道理呢？生：动能的增加量近视等于重力势能的减少量。师：“近视等于”这个词用的非常好，因为实验总会有误差的，所以不可能绝对的相等的，但是为什么动能的增加量总是小于重力势能的减少量呢？这是我们做完实验应该思考的第一个问题。因重物下落过程中纯在阻力（空气阻力以及纸带与计时器的摩擦阻力），阻力做负功，使得重物的机械能有所损失。故重力势能不能全部转化为动能，所以动能的增加量总是小于重力势能的减少量。为了减少空气阻力的影响，所以我们选择了一个密度大点重物；减少纸带与计时器的摩擦阻力，我们可以将计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向。第二个问题：为什么不用天平称重物的质量？因为这个物理量在式子两边可以约掉。第三个问题：为什么我们选择第一、二点间距离接近2mm的纸带进行测量、计算呢？因为打点计时器每隔0.02 s打点一次，在最初的0.02 s内物体下落距离应为，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近2 mm 的纸带进行测量。第 4 页 共 4 页