实验:验证机械能守恒定律

三

维

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.教学

重点掌握验证机械能守恒定律的实验原理。教学

难点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。教学

仪器打点计时器、重锤、纸带、铁架台、交流电源、铁架台和铁夹、刻度尺、导学案教学

方法启发式教学+问题式教学课时 1课时教学

设想预习导学案教师引导学生进行实验原理分析实验探究归纳与总结学生自评、互评、师评（课堂上通过小组合作、互动、展示和点评加深对本节知识的理解达成目标）教 学 过 程师 生 互 动备注【环节一】 展示学生预习成果（投影及表达）

1.本实验的目的是什么？什么是机械能守恒，其条件是什么？你认为要完成这个实验需要哪些实验器材？

2.要完成本实验，应该测量的量有哪些？如何测量这些量？

3.实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？

4.你认为实验时应该注意哪些问题？

5.在预习实验的过程中你存在哪些困惑？

【环节二】进行新课

一、实验目的：验证机械能守恒定律

二、实验原理：1.推导出机械能守恒定律在本实验中的具体表达式。

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：图1

EA=12mv2A+mghA， EB=12mv2B+mghB

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12mv2A+mghA=12mv2B+mghB

上式亦可写成12mv2B-12mv2A=mghA-mghB

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。为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图1中A点）来进行研究，这时应有：12mv2A=mgh――本实验要验证的表达式，式中h是物体从O点下落至A点的高度，vA是物体在A点的瞬时速度。

2.如何求出A点的瞬时速度vA？

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A点的瞬时速度vA。学生自主完成实验预习，提高学生自我学习的能力。教师在课堂上找学生展示学案并回答相关问题，培养学生的阅读、总结表达能力.续上表

师 生 互 动备注 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0～2点，1～3点，2～4点…… 各段间的距离。

图2根据公式=st，t=2×0.02 s，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0～2点间距离s1，则在这段时间里的平均速度1=s1t，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，……。

3.如何确定重物下落的高度？

（引导：图2中h1，h2，h3，……分别为纸带从O点下落的高度。）

根据以上数值可以计算出任意点的重力势能和动能，从而验证机械能守恒定律。

三、实验仪器：打点计时器、重锤、纸带、铁架台、交流电源、铁架台和铁夹、刻度尺

四、探讨实验步骤，进行实验，收集数据

在学生开始做实验之前，老师应强调如下几个问题：

1.该实验中选取被打点纸带应注意两点：一是第一点O为计时起点，O点的速度应为零。怎样判别呢？

2.是否需要测量重物的质量？

3.实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？为什么？

4.测量下落高度时，某同学认为都必须从起始点算起，不能弄错。他的看法正确吗？为了减小测量 h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好，还是近些好？

学生活动：思考老师的问题，讨论、交流。

1.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0.002 m，所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近两年2 mm 的纸带进行测量；二是在纸带上所选的点就是连续相邻的点，每相邻两点时间间隔 t =0.02 s.

2.因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值，所以不必测量物体的质量 m，而只需验证12v2n=ghn就行了。

3.必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落。

4.这个同学的看法是正确的。为了减小测量 h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些好。

学生进行分组实验。（学生讨论实验的步骤，教师巡回指导）

1.把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好.

2.把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近.

3.接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点.

4.重复上一步的过程，打三到五条纸带.

5.选择一条点迹清晰且第1、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……用刻度尺测量对应下落的高度h1/h2/h3，……记人表格中.

6.用公式vn=hn+1+hn-1/2t，计算出各点的瞬时速度v1/v2/v3……并记录在表格中.

7.计算各点的重力势能的减少量mgh。和动能的增加量1/2mv2n，并进行比较.看是否相等，将数值填入表格内.

学生根据老师提出的问题，思考并回答

学生分组实验，并处理数据，教师利用实物投影仪展示几组数据，并进行点评.

续上表

师 生 互 动备注

各计数点123456下落高度速度势能动能五、 归纳总结

1.实验结论：在实验误差允许的范围内，重锤减少的重力势能等于增加的动能，所以，总的机械能守恒。

2.误差分析：由于阻力（空气阻力、纸带阻力）存在的，故mgh2

【环节三】 学生交流及评价（学生填写自评、互评表）

考查项目考查要素等级标准自评互评师评行

为

习

惯实验预习A：实验课前自主预习，独立完成实验报告预习部分。

B：对实验有预习，但未完成预习报告。

C：未预习；课前忙于应付检查而抄袭；不带书及必要的实验测量工具实验纪律A：按时进班，不迟到不早退，能自觉遵守实验室纪律

B：基本能保证实验课纪律

C：不做实验，做与实验课无关的事；睡觉，看课外书；说闲话实验技能实验内容（多选）A.能写出实验目的和原理并选出实验器材

B.能正确安装实验仪器（装置竖直、稳定）

C.能正确提起纸带，先开电源后释放纸带

D.所打纸带上点痕清晰无歪斜

E.挑选出纸带进行研究（记下第一个点的位置O，选取五个较方便的点，量出各点到O点的距离，计算出各点的速度，验证机械能守恒）

F.把实验数据填入自己设计的表格进行计算、比较

G.能正确得出结论

H.进行误差分析实验反思A：完成实验后，有体会，有感悟，有创新，有反思，能完成实验报告中的练习题

B：基本完成实验报告中的练习题

C：不能完成实验报告中的练习题实验素养主动与合作A：主动实验，主动发现问题，主动与同组实验者探究问题，解决问题；团队合作意识强烈

B：有合作精神，能团结同学。

C：被动接受，缺乏独立思考，团队合作意识薄弱。实事求是A：能完整记录实验数据，实事求是

B：实验不完整，拼凑实验数据。

C：无数据或编造数据教师指导学生观察表格中的数据，减少的重力势能并不是严格地等于增加的动能，而是稍大于增加的动能，让学生思考其中的原因，并总结归纳.

重视反映学生发展状况的过程性评价，实现评价目标多元化、评价手段多样化布置作业1.完成实验报告、自评互评表；

2.教材“问题与练习”第1、2题上作业本。续上表

板书设计 实验：验证机械能守恒定律

一、实验目的： 四、实验步骤：

二、实验原理： 五、数据处理及分析

三、实验所需仪器： 六、实验结论：教师课

后反思 本实验属验证性学生实验，实验目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律，要掌握实验方法和技巧、实验数据的采集与处理，分析实验误差，从而不仅从理论上了解机械能守恒定律，而且通过实际观测从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解。

本节课打破实验课的常规方法，采用突出学生自评、互评、教师评价的方法取得了较好的效果。

1.学生对实验重要性和地位的认识提高，参与实验的自觉性和积极性都提高

2.学生在实验中发现问题、分析问题的能力得到提高，数据处理分析能力也得以提高，误差分析的兴趣得以加强，相比之下，受发展性评价影响，女学生更能提出改进实验的建议，更乐于回答拓展性提问，男生则更能及时分析处理数据

3.发展性评价提高了学生实验合作交流愿望。有实施发展性评价的教学班学生都几乎是坚持独立完成部分实验过程，与其它同学合作完成全程，没有实施发展性评价的教学班学生有部分却表示“能帮忙或有需要时才动手配合其它同学做做”，体现发展性评价能促进学生合作交流愿望。