1、9實驗：驗證機械能守恒定律三維目標知識與技能1要弄清實驗?zāi)康?，本實驗為驗證性實驗，目的是利用重物的自由下落驗證機械能守恒定律；2要明確實驗原理，掌握實驗的操作方法與技巧、學會實驗數(shù)據(jù)的采集與處理，能夠進行實驗誤差的分析，從而使我們對機械能守恒定律的認識，不止停留在理論的推導上，而且還能夠通過親自操作和實際觀測，從感性上增加認識，深化對機械能守恒定律的理解；3要明確紙帶選取及測量瞬時速度簡單而準確的方法。過程與方法1通過學生自主學習，培養(yǎng)學生設(shè)計實驗、采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及實驗誤差分析的能力；2通過同學們的親自操作和實際觀測掌握實驗的方法與技巧；3通過對紙帶的處理過程培養(yǎng)學生獲取信息、處理信息的能

2、力，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通過實驗過程使學生體驗實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通過實驗及誤差分析，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，激發(fā)學生對物理規(guī)律的探知欲；2使學生通過實驗體會成功的樂趣與成就感，激發(fā)對物理世界的求知欲；3培養(yǎng)學生的團結(jié)合作精神和協(xié)作意識，敢于提出與別人不同的見解。教學重點實驗原理及方法的選擇及掌握。教學難點實驗誤差分析的方法。教學方法預(yù)習設(shè)計實驗觀察數(shù)據(jù)處理歸納總結(jié)。教師啟發(fā)、引導，學生自主閱讀、思考，親自動手實驗，并討論、交流學習成果。教學用具電火花計時器（或電磁打點計時器）；重物（質(zhì)量300g3g）

3、及紙帶；天平（秤量大于300g）及砝碼；鐵架臺、復(fù)夾、燒瓶夾；電源。教學過程新課導入上節(jié)課我們從理論上學習了機械能守恒定律，我們從定律內(nèi)容及守恒條件上初步理解了機械能守恒定律，這一節(jié)將通過實驗來研究物體自由下落過程中動能與勢能的變化，從而驗證機械能守恒定律。新課教學【實驗?zāi)康摹坷弥匚镒杂上侣涞默F(xiàn)象驗證機械能守恒定律?！緦嶒灧椒ā恐匚锏馁|(zhì)量用天平測出（本實驗也可以不測重物的質(zhì)量），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。重物的速度可以用大家熟悉的方法從紙帶測出，這樣也就知道了它在各點的瞬時速度，從而得到它在各點的動能。比較重物在某兩點間的動能變化與勢能變化，

4、就能驗證機械能是否守恒。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可以相互轉(zhuǎn)化，但總的機械能守恒。hv如果忽略空氣的阻力，這時物體的機械能守恒，即重力勢能的減少等于動能的增加。設(shè)物體的質(zhì)量為m，下落距離為h時物體的瞬時速度為v，則重力勢能減少mgh，動能增加，故有mgh利用打點計時器打出的紙帶，測出重物下落的高度h，利用時間t內(nèi)的平均速度等于該段時間中點時刻的瞬時速度算出對應(yīng)時刻的瞬時速度v，即可驗證機械能是否守恒。若從重物下落過程中的某一點A開始，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測出物體對應(yīng)于A點的速度vA，再測出物體由A點下落h后經(jīng)過B點的速度vB，則在誤差允許范圍內(nèi)，根據(jù)機械能守恒有將對應(yīng)各

5、量代入，在實驗誤差范圍內(nèi)，若等式成立，機械能守恒定律即被驗證?！緦嶒炂鞑摹胯F架臺（帶鐵夾）、電火花計時器（或打點計時器）、直尺、重錘、紙帶、導線、電源?！疽⒁獾膯栴}】1重物下落過程中，除了重力外會受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響？阻力主要有空氣阻力、紙帶與計時器間的阻力等。在實驗中可選擇質(zhì)量較大、密度較大的重物，可減少阻力的影響。安裝打點計時器時，必須使兩紙帶限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。2重物下落時，最好選擇哪兩個位置作為過程的開始和終結(jié)的位置？開始點選擇紙帶上的起點，且第1、2兩點間的距離應(yīng)接近2mm。終結(jié)點應(yīng)選擇距起點較遠的點，這樣測量的相對誤差較小。3為了增加實驗結(jié)

6、果的可靠性，可以重復(fù)進行多次實驗，還可以在一次下落中測量多個位置的速度，比較重物在這些位置上動能與勢能之和。只有通過多次比較，才能得到正確的結(jié)果。4實驗報告中要寫明本實驗的目的、原理、器材、主要實驗步驟、數(shù)據(jù)的分析、結(jié)論，以及對結(jié)論可靠性的評估（包括對可能產(chǎn)生的誤差的分析）。根據(jù)本實驗的方法，由于阻力的作用，本實驗中減少的重力勢能略大于增加的動能?！舅俣鹊臏y量】我們學過了勻變速運動的規(guī)律，并且已經(jīng)知道自由落體的運動是勻變速運動，就可以用一個更簡單、更準確的方法測量重物下落時的瞬時速度了。如圖所示，A、B、C是紙帶上相鄰的三個點，由于已經(jīng)知道紙帶以加速度a做勻加速運動，所以A、C兩點的距離可以表

7、示為式中“2t”是A、C兩點的時間間隔。這樣，A、C之間的平均速度可以寫成另一方面vBvAat所以這表明：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。即中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度?！緦嶒灢襟E】1如圖所示，把打點計時器豎直地固定在置于桌邊的鐵架臺上，將打點計時器與電源連接好。 電火花計時器紙帶夾子重物2將紙帶穿過電火花記時器或打點計時器的限位孔，并把紙帶的一端固定在重物上，使重物?？吭诖螯c計時器的地方，先用手提著紙帶。 3先接通電源，松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落，計時器就在紙帶上打下一列小點。 4重復(fù)幾次，得到35條紙帶。 5在打好點的紙帶中挑選“點跡清楚且第

8、一、二兩點間距離約為2mm”的一條紙帶，記下第一個點的位置O，并在紙帶上從任意點開始依次選取幾個連續(xù)的點1、2、3，并用刻度尺依次測出各點到位置O的距離，這些距離就是物體運動到點1、2、3、時下落的高度h1、h2、h3。 6應(yīng)用平均速度就是中間時刻的瞬時速度的方法 ，計算出各點對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3。 7把得到的數(shù)據(jù)真入表格里，計算各點對應(yīng)的勢能減少量mgh，以及增加的動能，并比較是否跟理論一致。計算時g取當?shù)氐臄?shù)值。8拆掉導線，歸整器材。【記錄及數(shù)據(jù)處理】g9.8m/s2，T0.02sh1(OB)h2(OC)AOEDCBh3(OD)Ep1mgh1Ep2mgh2Ep3mgh3x1(AB

9、)x2(BC)x3(CD)x4(DE)結(jié)論：_【注意事項】1打點計時器的兩限位孔必須在同一豎直線上，以減少摩檫阻力。 2實驗時必須先接通電源，然后松開紙帶讓重物下落。 3測量下落高度時，必須從起始點算起。選取的各計數(shù)點要離起始點遠些，可減少物體下落距離h的測量誤差。紙帶不宜過長，約40即可。因重物自由下落時的加速度較大，每兩個計數(shù)點間的時間間隔不一定取連打5個點的時間為計時單位。 4實驗中因不需要知道動能和勢能的具體數(shù)值，故不需測物體的質(zhì)量m。 5實際上重物和紙帶下落過中要克服阻力做功，所以動能的增加量要小于勢能的減少量。6紙帶的上端最好不要懸空提著，要保證重物下落的初速度為零，并且紙帶上打出

10、的第一個點是清晰的小點。7紙帶挑選的標準是第一、二兩點間的距離接近2mm?！菊`差分析】1由于測量長度帶來的誤差屬偶然誤差，減小的辦法一是測距離時都從起點O量起，二是多測幾次取平均值。 2實際上重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點計時器的阻力)做功，故動能的增加量EK必定稍小于勢能的減少量EP，這是屬于系統(tǒng)誤差?！締栴}討論】問題1：本實驗要不要測量物體的質(zhì)量？驗證機械能守恒定律的表達式：和中，式子兩邊均有重物的質(zhì)量m，因而也可不具體測出m的大小，而將m保留在式子中。問題2：對實驗中獲得的數(shù)條紙帶應(yīng)如何選?。糠纸M討論，得出結(jié)論，選取合適的紙帶以備處理數(shù)據(jù)之用。（1）用驗證 這是以紙帶上第一點

11、（起始點）為基準點來驗證機械能守恒定律的方法。由于第一點應(yīng)是重物做自由落體運動開始下落的點，所以應(yīng)選取點跡清晰且第1、2兩點間的距離接近2mm的紙帶。（2）用驗證，這是回避起始點，在紙帶上選擇后面的某兩點驗證機械能守恒定律的方法。由于重力勢能的相對性，處理紙帶時選擇適當?shù)狞c為基準點，勢能的大小不必從起始點開始計算。這樣，紙帶上打出起始點O后的第一個0.02s內(nèi)的位移是否接近2mm，以及第一個點是否清晰也就無關(guān)緊要了。實驗打出的任何一條紙帶，只要后面的點跡清晰，都可以用于計算機械能是否守恒。實驗開始時如果不是用手提著紙帶的上端，而是用夾子夾住紙帶的上端，待開始打點后再松開夾子釋放紙帶，打點計時器

12、打出的第一個點的點跡清晰，計算時從第一個計時點開始至某一點的機械能守恒，其誤差也不會太大。回避第一個計時點的原因也包括實驗時手提紙帶的不穩(wěn)定，使第一個計時點打出的點跡過大，從而使測量誤差加大。問題3：重物的速度怎樣測量？結(jié)合教材介紹獨立推導測量瞬時速度并得出結(jié)論。做勻變速直線運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于與之相鄰兩點間的平均速度。前面已經(jīng)推導過。也可以結(jié)合速度圖象推導。問題4：實驗誤差分析，提出問題，在得到的實驗數(shù)據(jù)中，大部分同學得到的結(jié)論是，重物動能的增加量稍小于重力勢能的減少量，即EkEp。是怎么造成的呢？分組討論，得到結(jié)論。對學生討論進行點撥。展示幻燈片。（1）重物和紙帶下落過程中要克服阻力，主要是紙帶與計時器之間的摩擦力。（2）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原因。（3）電磁打點計時器的阻力大于電火花計時器。由于阻力的存在，重物動能的增加量稍小于勢能的減少量，即EkEp。在實驗中會不會出現(xiàn)，重物動能的增加量稍大于重力勢能的減少量，即EkEp的結(jié)論呢？交流電的頻率f不是50Hz也會帶來誤差。若f50Hz，由