资源简介

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教学设计
课程基本信息
课题 验证机械能守恒定律 课型 新授课
学科 物理 年级 高一
学段 高中 版本章节 粤教版（2019）必修第二册
教学目标 物理观念 结合验证机械能守恒定律的实验，对重物自由下落过程中机械能守恒的现象有个初步的认识，深化对能量观念的认识； 科学思维 通过蹦极运动抽象出自由落体运动模型，运用机械能守恒定律在具体的自由落体运动中推导适用方程，能根据实验结果分析得出结论，并能在误差分析的基础上提出质疑和创新实验方案。 科学探究 经历科学探究过程，根据自由落体运动模型设计实验方案验证机械能守恒定律，能规范的使用打点计时器采集运动数据，经历实验数据处理过程、误差分析过程。 科学态度与责任 通过实验探究过程，培养学生实事求是的科学态度。
教学重难点 教学重点：验证机械能守恒定律 教学难点：根据自由落体运动模型设计实验方案验证机械能守恒定律。
学情分析 经过一个学期的学习，高一学生的实验操作能力、抽象思维能力、分析问题和创新的能力有了一定的发展，但对高一学生来说，独立设计一个实验难度较大，仍需要教师的引导。学生在前一节学习过了机械能守恒定律，知道机械能守恒定律的条件，能抽象出自由落体运动模型，但对机械能守恒定律在实际情境的应用仍需教师引导。
教学准备 教师准备：课件；教学设计 学生准备：刻度尺；黑色签字笔；铅笔；课本；草稿纸；知道机械能守恒定律并能进行简单的应用。 环境与设备准备：多媒体平台课室或实验室；实验装置与器材包括重锤（带夹子）、纸带、打点计时器、交流电源、毫米刻度尺、铁架台。
教学过程
教学任务 教学内容 设计意图 创新设计（含AI应用）
复习引入：回顾机械能守恒定律的相关内容 知识回顾： 教师：在17-19世纪。多位科学家通过各自的工作逐步发现、阐述和完善了机械能守恒定律。接下来我们一起来回顾机械能守恒定律的相关知识。 机械能守恒定律的内容 在只有重力或弹力做功的系统内，动能和势能发生相互转化，而系统的机械能总量保持不变。（播放AI数字人威廉·汉密尔顿开口说出） 机械能守恒定律的表达式 Ep1+Ek1=Ep2+Ek2或ΔEp=ΔEk或ΔEA=ΔEB 3.机械能守恒定律的条件 只有重力或弹力做功 通过复习机械能守恒定律，能使学生快速提取知识，进入到本节课的课堂学习中来。用AI视频播放机械能守恒定律的内容，能迅速抓住学生眼球，使学生以高涨的热情投入课堂。 用数字人AI视频播放机械能守恒定律的内容。
验证机械能守恒定律实验设计 一、提出问题 观看蹦极视频：仔细观察蹦极过程中绳子是否有松弛、拉紧的情况？分别对应人的哪个运动阶段？ 思考与讨论：忽略空气阻力的影响，在整个蹦极过程中，运动员的机械能是否守恒？ 引导学生认识到： ①运动员刚开始下落到绳子被拉直前：只有重力做功，机械能守恒。 ②绳子被拉直后：绳子的拉力对运动员做功，机械能不守恒。 进一步提出：如何验证运动员自由下落过程中机械能是守恒的呢？ 模型建构 引导学生构建自由落体运动模型，通过自由落体运动验证机械能守恒定律。 设计实验方案 通过以下问题，引导学生设计用自由落体运动模型验证机械能守恒定律： 1.如何得到重物下落的机械能？需要记录哪些信息？ 2.需要测量哪些物理量？需要哪些器材？ 3. 是否需要测量物体的质量呢？ 4.这些物理量应该满足什么关系才能验证机械能守恒？ 通过以上问题的引导，学生已有了初步的实验方案，接下来让学生分享自己的实验方案，并对比。 方案一：器材有电火花计时器、220V交流电源、重锤、纸带、铁架台、夹子；通过纸带记录重物自由下落的信息，计算重力势能的减小量和动能增加量。 方案二：光电计时器、220V电源、两个光电门，一个小钢球。间隔一定距离，固定光电门1、光电门2，测量光电门之间的距离、光电门宽度，记录通过两光电门的时间，通过计算重力势能的减小量和动能增加量，来比较机械能。 方案三：通过频闪照片记录重物下落的运动信息，计算重力势能的减小量和动能增加量，来比较机械能。 通过三个方案的比较，学生发现方案一具有“操作简单，一次实验可获得多组数据”的优点。 接下来就方案一，让学生深化实验方案。 思考： 1.如何选择纸带？选择纸带中的哪两个点作为运动过程中的初、末位置？ 2.如何测得初、末位置的高度差？ 3.如何测得初、末位置的瞬时速度？ 4.测量长度的方式应该选择哪一种？ 方法一： 方法二： 数据处理方法 让学生分享数据处理方法并进行比较。 方法一：利用起始点和第n个点 利用起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn,动能增加量为，计算ghn和，如果在误差允许范围内，则重物下落过程中机械能守恒。 方法二：图像法 以为纵坐标,以h为横坐标，绘制图像，若在误差允许范围内，图像是过原点的倾斜直线，斜率为g，则重物下落过程中机械能守恒。 方法三：任意取两点A、B 从A到B机械能减少量mghAB，动能增加量，计算ghAB和，如果在实验误差允许范围内则重物下落过程中机械能守恒。 方法一、二都需要使用到初始点，对实验数据要求较高，方法二对作图要求严格，但若可借助计算机，那就相当便捷。方法三可以舍弃前面打得不稳定的点，实验数据要求相对较低。 接下来让学生根据完善好的实验方案进行实验。 通过学生中热议的蹦极运动建构自由落体运动模型，把物理知识运用到生活实际中。 通过问题引导学生自主设计实验方案，培养学生解决问题的能力。 通过方案的分享，让学生之间有交流，看到自己优点的同时，也可以完善自己的方案、看到他人的长处、学会表达与交流。 进一步深化实验方案，使得学生能规范实验，减小实验误差。 通过数据处理方法的分享，一方面检查学生是否真的理解了实验，另一方面可促进学生之间的交流。 利用蹦极运动抽象物理模型，有利于学生模型建构能力的培养。 通过问题引导的形式启发学生自主设计实验，在一定程度上降低了教学的难度，让学生容易获得成功。 结合实际，从方案对比中选出最简单、可行的方案进行深化，过渡自然。 通过学生分享数据处理的不同方法，一方面检查学生是否真的理解了实验，另一方面可促进学生之间的交流。
进行实验与分析数据 实验步骤 1.纸带与重锤连接，安装打点计时器并固定，打点计时器的限位孔应在竖直方向上。 2.纸带穿过限位孔，在墨粉纸下方，手持纸带上方，重物应靠近打点计时器，先接通电源，稳定后释放纸带，纸带与重物一起下落。 3.结束后应立即关闭电源，取下纸带。 4.重物落地的地方应放置缓冲物。 5.重复以上步骤，打出2-3条纸带备用。 六、实验数据记录表格 七、实验数据分析 取一条起始两点间距小于或接近2mm的纸带，记录、分析数据 实验结论：在实验中，减少的重力势能与增加的动能相差很小，因此，在误差允许的范围内，可以认为，增加的动能等于减小的重力势能。 在误差允许的范围内，重锤自由下落的过程机械能守恒。 八、误差分析 1.为什么动能的增加量小于重力势能的减少量？ 纸带与限位孔之间有摩擦、空气阻力的影响。 2.还有哪些因素会给实验带来影响？如何控制这些因素以减小实验误差？ 测量长度带来的误差，可用多次测量求平均值的方法减小实验误差。 实验步骤展示在PPT上，帮助思路没有跟上的薄弱学生理清实验步骤。 表格记录数据，能更好的整理数据。 让学生根据实验数据分析得出结论，锻炼学生数据分析能力。 让学生根据具体问题分析误差，锻炼学生分析问题的能力。
课堂小结 一、实验原理 ， 二、实验注意事项 限位孔应在竖直方向上，释放重物前，重物应靠近打点计时器先接通电源再释放重物。 三、数据处理方法 可利用初始位置、或取某两点，也可用图像法 知识框架式的小结能帮助学生抓住主线知识，形成系统认识。
作业设计 第一部分：必做题（1道实验题） 1．用落体法验证机械能守恒定律的实验中 （1）运用公式时，对实验条件的要求是 ① ；② ． （2）若实验中所用重锤的质量为m=1kg，打点纸带如图所示，图中分别标出了点A、B、C、D到第一个点O点的距离, 且打点间隔为0.02s，则记录B点时，重锤的速度vB= ,重锤的动能Ek= ,从开始下落起至B点重锤的重力势能减小了 ,由此可得结论 。 第二部分：选做题 请设计一个实验方案，利用其他运动模型（除自由落体运动模型外）验证机械能守恒定律。 参考答案 1.（1）①不计阻力；②物体自由下落。（2）3.69m/s；6.88J；6.82J；在误差允许范围内动能的增加量等于重力势能的减小量 2.模型一：用光滑斜面和小车验证机械能守恒定律 模型二：利用单摆小球验证机械能守恒定律
板书设计/课堂小结 一、实验原理 ， 二、实验注意事项 限位孔应在竖直方向上，释放重物前，重物应靠近打点计时器先接通电源再释放重物。 三、数据处理方法 可利用初始位置、或取某两点，也可用图像法
教学反思 本节课主要是通过运用自由落体运动模型让学生设计实验验证机械能守恒定律。在实际授课中，AI数字人的引入确实能在一定程度上让学生尽快调整状态。在模型建构方面，学生都能从蹦极的模型中抽象出自由落体运动模型，也能利用自由落体运动模型设计实验方案进行验证机械能守恒定律，学生整体参与度高，基本能够规范使用打点计时器。在误差分析方面，学生能联系整个实验分析出重力势能减小量大于动能增加量的原因，具有一定的思维能力和解决问题的能力。但学生在实验数据的处理方面还存在困难，部分小组不知道该算什么？比较什么？在课堂时间分配上，花了大量时间在实验设计方面，导致留给学生处理数据的时间不足，只有约三分之一的小组能在规定时间得出结论。这次授课启示我，在今后的教学当中应该要注意科学分组，预设好课堂各环节的时间，注重学生数据处理能力的培养。

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