高中物理人教版必修 第二册 5. 实验:验证机械能守恒定律教学设计.docxVIP

高中物理人教版必修 第二册 5. 实验:验证机械能守恒定律教学设计.docx

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5.实验:验证机械能守恒定律

课程:高中物理

教材:高中物理人教版必修第二册

章节:5.实验:验证机械能守恒定律

教材分析

本节位于人教版(2019)高中物理必修二第八章第五节,是机械能守恒定律的核心实验探究内容。作为能量观点在力学中的关键应用,本节承前启后,衔接动能、势能与功能关系,突出定量验证思想,发展科学探究与物理观念素养。教材以自由落体和斜面下滑为案例,构建“条件判断—方案设计—测量计算—数据分析”的实验逻辑链,通过打点计时器与光电门技术实现速度测量,体现从理论到实践的转化。重点在于理解守恒条件与数据验证方法,难点在于瞬时速度的准确获取及阻力影响的控制。教学宜采用问题驱动与对比实验法,引导学生参与方案选择与误差分析,通过表格记录与公式比对落实学习活动,达成理解守恒条件、掌握验证方法、提升实验素养的目标。

学情分析

学生已掌握匀变速直线运动、动能、重力势能及机械能的基本概念,具备一定的实验操作和数据处理能力。此阶段学生对物理规律的探究兴趣浓厚,但对实验误差分析和守恒条件的理解仍存在困难。教材要求通过自由落体或斜面下滑实验验证机械能守恒,重点在于理解“只有重力做功”的条件、准确测量速度与高度变化,并进行动能与势能的定量计算与比较,难点在于瞬时速度的测量方法、阻力影响的控制及数据的合理分析,需具备较强的综合思维和实验设计能力。

教学目标

物理观念:

理解机械能守恒定律的条件和内涵,掌握动能与重力势能相互转化的规律。

科学思维:

通过分析自由落体和斜面下滑等情境,培养运用守恒思想解决实际问题的能力。

科学探究:

学会设计实验验证机械能守恒,掌握测量高度、速度等物理量的方法,提高数据处理能力。

科学态度与责任:

认识实验误差的不可避免性,培养严谨求实的科学态度和减小误差的责任意识。

重点难点

教学重点:

通过自由落体和斜面下滑实验,验证机械能守恒定律。

通过测量高度差和瞬时速度,计算动能和势能的变化。

教学难点:

实验中如何减小空气阻力和摩擦力的影响。

理解并应用瞬时速度的测量方法验证机械能守恒。

课堂导入

1589年,伽利略在比萨斜塔上做了一个著名实验:让两个不同重量的铁球同时从塔顶落下。当时所有人都认为重的铁球会先落地,但结果却出人意料——两个铁球同时着地。这个实验不仅推翻了亚里士多德的错误理论,更为我们揭示了自由落体运动的奥秘。

为什么伽利略要选择在斜面上研究落体运动?如果空气阻力不可忽略,实验结果会发生怎样的变化?这些思考引导我们关注运动过程中能量的转化规律。

通过重物自由下落和滑块沿斜面下滑两个实验,我们可以深入探究动能与势能相互转化的定量关系。

探究新知

实验目的

验证在只有重力做功的条件下,物体的动能与重力势能相互转化时机械能守恒。

实验思路

核心问题:如何验证自由落体或沿斜面下滑过程中机械能守恒?

测量方法:通过打点计时器或光电门测量物体运动速度,用刻度尺测量高度变化,天平测量质量。

控制变量:保持物体质量不变,改变下落高度,研究动能变化与势能变化的关系。

实验原理

机械能守恒定律表达式:

Ek+Ep=常量或ΔEk

实验器材

打点计时器(电磁式,50Hz):记录自由落体运动轨迹

重锤(200g):自由落体研究对象

气垫导轨:提供光滑斜面

光电门(精度0.001s):测量滑块速度

毫米刻度尺(最小分度1mm):测量高度变化

天平(精度0.1g):测量物体质量

纸带:记录打点信息

铁架台:固定打点计时器

实验过程

方案一:自由落体法

装置安装

如图8.5-2所示安装打点计时器,调整铁架台高度使重锤可自由下落

将纸带穿过打点计时器,一端固定于重锤

图8.5-2自由落体实验装置

数据采集

接通电源释放重锤,获得打点纸带

如图8.5-3选取清晰点迹,测量相邻点距

用v=ΔxΔt计算各点瞬时速度

高度测量

以起始点为基准,用刻度尺测量各点高度差

记录至少5组不同位置的高度和速度数据

方案二:斜面下滑法

装置调试

如图8.5-4安装气垫导轨,调节倾斜角度

校准光电门位置,确保能准确记录遮光时间

图8.5-4斜面实验装置

数据测量

测量滑块质量及遮光条宽度

从不同高度释放滑块,记录通过两个光电门的时间

计算速度v=dΔ

高度记录

用刻度尺测量滑块起始和终止位置的高度差

重复实验获得5组不同高度数据

数据记录

表1:自由落体实验(m=0.200kg)

点迹编号

高度h(m)

速度v(m/s)

动能Ek

势能Ep

机械能E(J)

A

B

C

D

E

参考数据:

点迹

h(m)

v(m/s)

Ek

Ep

E(J)

A

0.00

0.00

0.00

0.392

0.392

B

0.05

0.99

0.098

0.294

0.392

C

0.10

1.40

0.196

0.196

0.392

D

0.15

1.71

0

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