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《实验:验证机械能守恒定律》教学设计

查字典物理网 2020-11-19

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。教材中介绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法,要明白其道理。然而作为教者,却不能生硬对教材“惟命是从”,实际操作中可对装置中计时器的安装稍作改进──降低计时器高度,这样一来虽然纸带的利用率降低,但其有效长度的利用仍然是足够的。

【教学目标】

1.理解实验的设计思路,明确实验中需要测量的物理量。

2.知道实验中选取测量点的有关要求,会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离,掌握测量物体运动的瞬时速度的方法。

3.能正确进行实验操作,能够根据实验数据的分析中得出实验结论。

4.能定性地分析产生实验误差的原因,并会采取相应的措施减小实验误差。

【教学重点】

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。

【教学方法】

探究、讲授、讨论、学生分组实验、练习。

【教学手段】

多媒体教学。

【教学用具】

多媒体课件(配套设备)、电火花计时器、重物(质量300g±3g)、纸带、铁架台、烧瓶夹、电源。

【教学过程】

●复习&引入

上节课我们学习了机械能守恒定律,掌握了机械能守恒定律的条件和公式。这节课我们通过实验来验证一下机械能守恒定律。

一、实验介绍

1.实验目的:验证机械能守恒定律。

2.实验原理:本实验验证极其简单情形下的机械能守恒──自由落体运动。而且,针对的是及其特殊的过程──从释放点到某位置。

计量重力势能的改变时,只要测量出过程越过的高度,结合当地的重力加速度即可。计量动能改变时,启用了打点计时器──根据打出的纸带求末状态的瞬时速度(依据“匀变速运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”)。

二、实验步骤

1.按图安装实验器材,电源接学生电源,并将输出电压调至4~6V交流。接通电源前,用手提升纸带至重锤靠近打点计时器处。



2.先接通电源,再松开纸带,让重物自由下落。关闭电源,取下纸带备用。

3.重复步骤2两次,打出3条纸带。

4.取点迹清晰,且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量。先将第一点记为O点,然后在纸带上任取5个连续的点(或间隔点数相同的点)1.2.3.4.5 ,如下图所示。



5.验证O点到2点过程机械能守恒的方程为:mgh2 =

m

,其中T为1点到2点(或2点到3点)之间的时间间隔,如果在误差允许的范围内等式成立,试验就是成功的。同理,可以验证O点到3点过程、O点到4点过程的机械能是否守恒。


6.拆下器材,放回原处。

三、数据处理&分析

好,依据刚才的实验,我们采集整理以下信息:

数据


序号

下落高度hn(m)

瞬时速度vn(m/s)

减少的重力势能mghn(J)

增加的动能m(J)

1





2





3





4





5





实验结论:

在实验误差允许的范围内,重锤减少的重力势能 增加的动能,所以,总的机械能是 。

过渡:另外,我们还有一些细节问题需要特别注意,下面一起来汇总。

注意事项:

1.本实验中的阻力(空气阻力、纸带阻力)是客观存在的,只有当重锤的重量足够大,才能确保阻力远小于重力,近似满足机械能守恒的条件。

2.如果我们得到的式子是mgh2<m,是正常的,因为有介质阻力作负功;反之,如果得到mgh2>m,则说明实验有问题。

3.取第一、二点间距为2mm进行数据处理的道理是:只有当振针抬起的一刻释放纸带,才会有第一、二点之间的距离为2mm ,反之,如果振针运动到空中时释放纸带,则第一、二点之间的距离必然会小于2mm(因为运动时间不足0.02s)。对于第二种情形,则相当于初速度打第一点时初速度不为零(事实上是“小于”零),所以不是本实验所规定的考查过程。

很显然,如果我们考查的是中途的任意两点之间的过程,则2mm的这个要求是不必要的。

4.本实验不需要测量重锤的质量。

5.重力加速度不能取10m/s2 ,因为这是一个考查实际重力势能变化的问题。加速度也不能通过纸带求出,如果是这样,我们所验证的守恒关系将是一个恒等关系──从理论的角度看,本实验可以这样看:重锤的加速度从多大的程度接近重力加速度,就是过程从多大程度上满足机械能守恒定律。

四、课堂小结

本节课主要学习了:1.实验目的:用自由落体运动验证机械能守恒。2.纸带的选取及重物速度的测量方法。3.实验的误差来源及注意事项。希望同学们课后将整个流程温习一遍后再认真回忆一下实验注意事项,毕竟,细节决定成败。

五、作业布置

1.完成实验报告;

2.教材“问题与练习”第1、2题上作业本。

【教学反思】

作为实验课的教后感,酸甜苦辣均有,更加深刻!讲实验,背实验,在黑板上画实验均不能代替学生亲手做实验。上好实验课的一个重要前提是要有耐心。部分学生连日常生活起居也许还需要特别照顾,那若本着“因材施教”的原则,这部分学生的物理实验课应让其达到何等的知识、技能、道德标准,令人费解!一半学生渴望实验课提高自己,一半学生渴望实验课发泄自己。那我想真正能体现一名教师课堂“驾驭能力”的必定是实验课,物理组同仁哪位前辈愿意公开一堂实验课,我想拜学。抱着微弱的希望,还是期待实验考查(动手操作部分)真正独立列入高考考查科目,让我们学生的手真正动起来!

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