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第8章 机械能守恒定律
第5节 实验：验证机械能守恒定律
教学内容分析
《实验：验证机械能守恒定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修2模块中“机械能及其守恒定律”主题下的内容，课程标准要求为：通过实验，验证机械能守恒定律。能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对该条目的解读为：机械能守恒定律可以根据重力做功过程运用动能定理推导得出，然后用实验对推导的结论进行检验。本条目所说的实验，是用于验证的实验，是课程标准所规定的学生必做实验。
本节的目的是让学生在理论上学习机械能守恒定律之后，通过对实验数据的分析处理，对机械能守恒定律及守恒条件有更深刻的认识。教材先从实验思路的讨论开始，创设机械能守恒的情景。确定研究对象后，根据实验目的测量相应物理量，进行数据的分析和处理。
学情分析
从知识层面，学生理解机械能守恒定律的内涵和条件，能应用机械能守恒定律判断具体情境下机械能是否守恒，头脑中存储大量的机械能守恒定律情境，在教师的引导下，考虑用自由落体运动验证机械能守恒定律。学生对自由落体运动实验熟悉，实验操作对学生构不成困难，但是如何计算速度以及验证机械能守恒的方法，学生仍需练习掌握数据处理的方法。在条件允许下，教师应引导学生学会利用信息技术软件处理实验数据，降低数据运算量，将时间聚焦于实验原理和数据分析过程和误差分析。
教学目标
1.学生理解验证机械能守恒定律的原理，会设计实验方案，确定需要测量的物理量，采用正确的方法测量相关物理量。
2.学生能够控制实验条件，正确进行实验操作，获取物体下落的高度和速度大小等实验数据，会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因，并采取相应措施，减小实验误差。
3.学生树立实事求是的科学严谨态度，培养认真求实的科学精神。
教学重难点
教学重点：实验设计思路、数据处理及误差分析
教学难点：设计实验验证机械能守恒定律、数据处理方法
教学方法：启发式教学、师生对话、分组讨论
教学过程
新课引入
情境引入：大钢球和小钢球用细绳连接在地面上方一定高度处由静止释放。
问题1：大钢球会追上小钢球吗？
生1：会追上。
师：说说你的理由。
生1：大铁球质量大，跑得快一些，觉得会追上。
师：其他同学的意见呢？
生：运动快慢相同，两球距离始终保持不变。
师：忽略空气阻力，所有物体自由下落运动快慢相同，和质量无关，这是意大利物理学家伽利略首先用科学推理方法得到的。
问题2：两个钢球(包括细绳)组成的系统，机械能守恒吗？
学生：没有空气阻力，系统机械能守恒。
机械能守恒定律是自然界的物理规律，不是动能定理的推论.物理定律来源于各类现象的研究和分析，自然规律只能被发现，无法被创造. 任何物理定律要经受实验的检验.
新课教学
问题：如何通过实验验证机械能守恒定律？你能举出一些机械能守恒定律的具体情境吗？
方案一 自由落体运动
钢球做自由落体运动，机械能守恒.
问题1：物体在空气中下落，受到空气阻力，机械能守恒吗？
问题2：若重力大于空气阻力，物体速度较小，空气阻力能忽略吗？机械能守恒吗？
问题3：如何选择实验材料？对于粉笔头、纸团、签字笔、钢球、重锤、书籍等物体.哪些物体能作为实验材料？哪些不能？你选择的依据是什么？
问题4：重锤做自由落体运动，如何验证机械能是否守恒？实验需要测量哪些量？用到哪些器材？
学生活动：学生发言分析实验原理，重锤下落，重力势能转化为动能。重力势能减少量等于动能增加量。测量物体速度需要用打点计时器，用刻度尺测量下落高度。
教师活动：针对学生发言提问，让学生演示实验操作。其他学生补充，通过师生提问、讨论逐步完善实验方案，确定实验步骤和要测量的数据。
1.实验装置
注意事项：在重锤落点下方放置一本书，减弱噪声，保护地板和重锤。
2.实验原理
平均速度代替瞬时速度：vA= ，vB=
原理：重力势能减少量等于动能增加量，
false
师：重力加速度取多少？
生：9.8m/s2.
师：如果这个实验在北极做呢？取9.8m/s2吗？在不同地方都取9.8m/s2吗？
生：取当地重力加速度。
师：不同地点重力加速度不同，严格地应该取当地重力加速度。对于阜阳地区，可以近似取g=9.8m/s2.
师：重锤质量是多少？如何测？不测量重锤质量，能验证机械能守恒定律吗？为什么？
生1：重力势能和动能与质量有关，可以用弹簧测力计测重力或者托盘天平直接测量质量。
师：不测量质量可以吗？
生1：不可以。
师：有不同意见吗？
生2：质量不需要测量。因为等式两边都有物体质量，可以约去。
师：约去后的结果是什么？
生2：vB2-vA2=2gh，只要验证这个表达式是否近似相等就可以了。
教师活动：总结实验原理，不需要测量质量的原因。
问题1：选择两个计数点，计算得到势能变化量和动能增加量。若近似相等，能说明机械能一定守恒吗？
问题2：如何充分利用纸带数据验证机械能是否守恒？如何提高实验的可信度？
选择多组数据，多次计算，比对每次计算结果在误差允许范围内是否近似相等。
问题3：若打点不清晰或打不出点，可能的原因是什么？如何排除实验故障？
3.实验数据记录表格
计数点
坐标/cm
t/s
v/(m·s-1)
false
ghij
0
1
2
3
4
5
6
4.实验步骤
①将打点计时器放置在实验台桌面边缘.保证重锤下落时不与其他物体发生碰撞.
②纸带连接重锤.将纸带穿过打点计时器的限位孔，用手提着，重锤初始位置靠近打点计时器.
③接通打点计时器的电源，1-2s后，释放纸带。
④舍弃开头过于密集的点,选择一个点作为起始点.在起始点下方标记0，然后每隔适当点，选择下一个计数点,标记1、2、3……。
⑤将刻度尺压在纸带上，并使某个示数与计数点0对齐，读取各计数点在刻度尺上的示数.记录在表格中.
⑥计算各计数点的瞬时速度
⑦选择较远的两个计数点，计算出动能变化量和势能变化量，比较在误差范围内是否近似相等.
⑧选择其他数据计算，比较结论是否相同.
方案二 气垫导轨斜面实验——研究沿斜面下滑的物体的机械能
学生观看视频，学习该方案的实验原理。视频见(PPT)
给出具体计算实例，巩固实验原理。
思考与讨论：
对比自由落体运动实验和气垫导轨实验验证机械能守恒定律，它们分别有什么优势和不足？
课堂小结
作业：复习实验原理，设计实验记录表格，为到实验室开展实验做准备。
板书设计
§ 8.5 实验：验证机械能守恒定律
262318567310一、实验目的
二、实验原理
三、实验步骤
四、实验数据及处理
五、实验结论
六、误差分析
教学反思
实验方案设计一直是教学中的难点，需要用到创造性思维。学生头脑中积累有大量的机械能守恒情境实例，原则上任意一种都可以用来验证。对于高一学生，实验能力仍有待加强，实验有独特的要求，实验器材简单，组装简便，方便操作。这些要求对学生的实验设计能力提出更高的要求，教学时教师要设计合理的问题，去粗取静，带领学生分析实验方案的优势和不足，针对学生的回答提出合理的问题，提升学生的实验设计能力和科学思维能力，使学生的思维能力得到发展。在教师提出问题后，应留出足够的时间供学生思考，表述自己的想法，对于学生表述不清楚的，教师要巧妙引导清楚地表达观点。同时，为了不占据更多的课时，需要教师精心设计教学，提出高效、有质量的问题。通过高质量问题暴露学生的问题和思维难点。教师要在课前认真设计教学，充分利用课堂有限的时间。

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