2019-2020年人教版必修二7.9宇宙航行WORD教案4課 題7.9 實驗：驗證機械能守恒定律課 型新授課（2課時）教 學(xué) 目 標(biāo)知識與技能 1會用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的速度 2掌握驗證機械能守恒定律的實驗原理 過程與方法 通過用紙帶與打點計時器來驗證機械能守恒定律，體驗驗證過程和物理學(xué)的研究方法 情感、態(tài)度與價值觀 通過實驗驗證，體會學(xué)習(xí)的快樂，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣；通過親身實踐，樹立“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)觀培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度教學(xué)重點、難點教學(xué)重點 掌握驗證機械能守恒定律的實驗原理教學(xué)難點 驗證機械能守恒定律的誤差分析及如何減小實驗誤差的方法教 學(xué) 方 法 探究、講授、討論、練習(xí)教 學(xué) 手 段教具準(zhǔn)備 重物、電磁打點計時器以及紙帶、復(fù)寫紙片、低壓電源及兩根導(dǎo)線、鐵架臺和鐵夾、刻度尺、小夾子教 學(xué) 活 動新課導(dǎo)入 師：上一節(jié)課我們學(xué)習(xí)了機械能守恒定律，我們首先采復(fù)習(xí)一下什么叫做機械能守恒定律? 生：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變這叫做機械能守恒定律 師：機械能守恒的條件是什么? 生：只有重力和彈力做功 師：自由落體運動中機械能是不是守恒? 生：自由落體運動中物體只受到重力的作用，這個過程只有重力做功，所以機械能是守恒的 師：我們要想推導(dǎo)出機械能守恒定律在自由落體中的具體表達式，可以根據(jù)什么來進行推導(dǎo)呢? 生1：可以通過牛頓運動定律進行推導(dǎo) 生2：可以根據(jù)動能定理進行推導(dǎo)(投影展示與一個自由落體運動相關(guān)的題目，從題目中知道有關(guān)的物理量，讓學(xué)生分別根據(jù)牛頓運動定律和動能定理推導(dǎo)機械能守恒定律，再一次熟悉這個定律，并為本節(jié)課的教學(xué)打下基礎(chǔ))新課教學(xué)1、推導(dǎo)出機械能守恒定律在本實驗中的具體表達式。在圖1中，質(zhì)量為m的物體從O點自由下落，以地作零重力勢能面，下落過程中任意兩點A和B的機械能分別為：EA=， EB=如果忽略空氣阻力，物體下落過程中的機械能守恒，于是有EA=EB，即=上式亦可寫成該式左邊表示物體由A到B過程中動能的增加，右邊表示物體由A到B過程中重力勢能的減少。等式說明，物體重力勢能的減少等于動能的增加。為了方便，可以直接從開始下落的O點至任意一點（如圖1中A點）來進行研究，這時應(yīng)有：-本實驗要驗證的表達式，式中h是物體從O點下落至A點的高度，vA是物體在A點的瞬時速度。師：在做實驗之前，我們首先要明確這樣幾個問題，首先這個實驗需要什么器材?生：最容易想到的器材是重物、電磁打點計時器以及紙帶復(fù)寫紙片低壓電源及兩根導(dǎo)線，鐵架臺和鐵夾，刻度尺，小夾子 師：打點計時器的作用是什么? 生：記錄在紙帶上打的點，用這些點來求出物體在經(jīng)過某一點的速度師：低壓交流電源是不是必需的?生：低壓交流電源并不是必需的，如果采用的是電火花計時器時，它所需要的電壓是交流220V，所以不需要低壓電源師：重物選取的原則是什么?為什么?生：密度比較大，質(zhì)量相對比較大，可以減小因為空氣阻力帶來的誤差師：實驗中還有哪些應(yīng)該注意的地方?生：計時器要穩(wěn)定在鐵架臺上，計時器平面與紙帶限位孔調(diào)整在豎直方向，鐵架臺放在桌邊，計時器距地面的距離大約是1 m師：這樣做的目的是什么?生：計時器平面與紙帶限位孔在豎直方向上的目的是減小摩擦以減小實驗誤差的產(chǎn)生，鐵架臺放在桌邊有利于重物下落到地面上，計時器距地面的距離較大的目的是能夠有充足的時間使重物下落，以便在紙帶上能夠打出較多的點，有利于進行計算師：實驗中的誤差主要來源于哪里?生：重物和紙帶下落過程中要克服阻力，主要是紙帶和計時器之間的摩擦力，計時器平面不在豎直方向上；紙帶與計時器不平行：交流電的頻率不等于50 Hz測量數(shù)據(jù)時的誤差等等師：過程開始和終結(jié)位置是怎樣選擇的?生：實驗用的紙帶一般小于1 m，從起始點開始大約能打出20個左右的計數(shù)點，終結(jié)位置的點可以選擇倒數(shù)第一個點或者倒數(shù)第二個點，從這一個點向前數(shù)46個點當(dāng)開始的點師：這樣選取的目的是什么?生：這樣選取的目的是可以減小這兩個點瞬時速度和兩點之間的距離(高度h)測量的誤差師：在數(shù)據(jù)處理時，是不是必須從打的第一個點開始呢?生：課文中有這樣的句子“紙帶上某兩點的距離等于重物下落的高度，這樣就能得到重物下落過程中勢能的變化”在第四節(jié)我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力勢能的相對性，處理紙帶時選擇適當(dāng)?shù)狞c為參考點，勢能的大小不必從起始點開始計算師：在實驗中是不是要先進行測量重物的質(zhì)量呢?圖201234s1s2s3h1h2h3h4生：不需要測量重物的質(zhì)量，因為這個物理量在式子兩邊可以約掉師：實驗中重物經(jīng)過某一點的速度是怎樣得到的呢?(投影展示學(xué)生的推導(dǎo)過程，這個結(jié)論非常重要，一定要讓學(xué)生能夠自己推導(dǎo))2、如何求出A點的瞬時速度vA？根據(jù)做勻加速運動的物體在某一段時間t內(nèi)的平均速度等于該時間中間時刻的瞬時速度可求出A點的瞬時速度vA。圖2是豎直紙帶由下而上實際打點后的情況。從O點開始依次取點1，2，3，圖中s1，s2，s3，分別為02點，13點，24點 各段間的距離。根據(jù)公式，t=20.02 s（紙帶上任意兩個相鄰的點間所表示的時間都是0.02s），可求出各段的平均速度。這些平均速度就等于是1，2，3，各點相對應(yīng)的瞬時速度v1，v2，v3，.例如：量出02點間距離s1，則在這段時間里的平均速度，這就是點1處的瞬時速度v1。依次類推可求出點2，3，處的瞬時速度v2，v3，。3、如何確定重物下落的高度？圖2中h1，h2，h3，分別為紙帶從O點下落的高度。根據(jù)以上數(shù)值可以計算出任意點的重力勢能和動能，從而驗證機械能守恒定律。學(xué)生活動：學(xué)生看書明確實驗的各項任務(wù)及實驗儀器。復(fù)習(xí)用打點計時器測速度的實驗，掌握用打點計時器測量勻變速直線運動速度的方法。4、描繪圖像師：可以結(jié)合v-t圖象了解瞬時速度和時間中點的平均速度相等的物理意義師：在處理紙帶時，是不是要像我們以前做的那樣，每隔五個點取一個計數(shù)點，也就是說每0.1 s為一個時間間隔呢?生：如果時間間隔是0.1s，由于自由落體加速度較大，很容易出現(xiàn)紙帶上點數(shù)不夠用的情況，所以時間間隔不能太長師：下面我們準(zhǔn)備進行實驗，在進行實驗之前還應(yīng)該做幾件事情!首先是確定實驗的步驟，大家分組討論一下，然后得出一個比較合理的實驗步驟 (學(xué)生討論實驗的步驟，教師巡回指導(dǎo)，幫助能力較差的學(xué)生完成實驗步驟)(參考實驗步驟) 1把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線將學(xué)生電源和打點計時器接好 2把紙帶的一端用夾子固定在重錘上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶，使重錘?？吭诖螯c計時器附近 3接通電源，待計時器打點穩(wěn)定后再松開紙帶，讓重錘自由下落，打點計時器應(yīng)該在紙帶上打出一系列的點 4重復(fù)上一步的過程，打三到五條紙帶 5選擇一條點跡清晰且第l、2點間距離接近2 mm的紙帶，在起始點標(biāo)上0，以后各點依次為1、2、3用刻度尺測量對應(yīng)下落的高度h1h2h3，記人表格中 6用公式vn=hn+1+hn-1/2t，計算出各點的瞬時速度v1v2v3并記錄在表格中 各計數(shù)點 l 2 3 4 5 6 下落高度 速度 勢能 動能 結(jié)論7計算各點的重力勢能的減少量mgh。和動能的增加量1/2mvn2，并進行比較看是否相等，將數(shù)值填人表格內(nèi) 師：在其中的幾步中，提到了要把數(shù)據(jù)填人表格，那么我們應(yīng)該設(shè)計一個什么樣的表格來適應(yīng)于實驗?zāi)?(學(xué)生思考表格的設(shè)計方法，獨立完成表格的設(shè)計)(參考表格)教師活動：在學(xué)生開始做實驗之前，老師應(yīng)強調(diào)如下幾個問題：1、該實驗中選取被打點紙帶應(yīng)注意兩點：一是第一點O為計時起點，O點的速度應(yīng)為零。怎樣判別呢？2、是否需要測量重物的質(zhì)量？3、在架設(shè)打點計時器時應(yīng)注意什么？為什么？4、實驗時，接通電源和釋放紙帶的順序怎樣？為什么？5、測量下落高度時，某同學(xué)認為都必須從起始點算起，不能弄錯。他的看法正確嗎？為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點適當(dāng)遠些好，還是近些好？學(xué)生活動：思考老師的問題，討論、交流。選出代表發(fā)表見解。1、因為打點計時器每隔0.02 s打點一次，在最初的0.02 s內(nèi)物體下落距離應(yīng)為0.002 m，所以應(yīng)從幾條紙帶中選擇第一、二兩點間距離接近兩年2 mm 的紙帶進行測量；二是在紙帶上所選的點就是連續(xù)相鄰的點，每相鄰兩點時間間隔 t =0.02 s.2、因為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，而只需驗證就行了。3、打點計時器要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)，以盡量減少重物帶著紙帶下落時所受到的阻力作用。4、必須先接通電源，讓打點計時器正常工作后才能松開紙帶讓重物下落。5、這個同學(xué)的看法是正確的。為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點適當(dāng)遠些好。課余作業(yè)1、完成實驗報告。2、完成如下思考題：（1）為進行“驗證機械能守恒定律”的實驗，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，如果以v22為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(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”的實驗時，用打點計時器打出紙帶如圖3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?，F(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。根據(jù)紙帶測量出的距離及打點的時間間隔，可以求出此實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，為減小實驗誤差，應(yīng)選擇打下第_號和第_號計數(shù)點之間的過程為研究對象。學(xué) 生 活 動作 業(yè)（4）某次“驗證機械能守恒定律”的實驗中，用6V、50Hz的打點計時器打出的一條無漏點的紙帶，如圖4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。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。從開始下落算起，打點計時器打B點時，重錘的重力勢能減小量為 J。根據(jù)紙帶提供的數(shù)據(jù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，重錘從靜止開始到打出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。缺少的器材是低壓交流電源、重錘、刻度尺。（2）通過原點的直線、g. （3）（s6+ s5+ s4- s3- s2 s1）/9T 2，（s5+ s6）/2T，1、5. （4）1.175，0.69，0.69 0.69， 機械能守恒。板 書 設(shè) 計7.9 實驗：驗證機械能守恒定律 一、實驗方法 驗證用自由落體運動中機械能守恒 二、要注意的問題 實驗的誤差來源 三、速度的測量 做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于相鄰兩點間的平均速度教學(xué)后記教學(xué)體會思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。