1.5 科学验证：机械能守恒定律 教学设计-2024-2025学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

§1.5 科学验证：机械能守恒定律 一、教学目标与核心素养： 1、物理观念 理解机械能守恒定律的内涵，能用机械能守恒定律解释生产生活中的相关现象。 2、科学思维 ①能在熟悉的问题情境中运用机械能守恒定律解决问题时建构物理模型，会分析机械能守恒 的条件； ②能从机械能守恒的角度分析动力学问题，通过推理，获得结论。 3、科学探究 ①能完成“验证机械能守恒定律”等物理实验； ②能提出实验中可能出现的物理问题； ③能在他人的帮助下设计实验方案、获取数据； ④能分析数据、验证机械能守恒定律。 4、科学态度与责任 ①通过对机械能守恒定律的验证，能认识科学规律的建立需要实验证据的检验； ②有较强的学习和研究物理的兴趣。 二、教学重点 ①理解机械能守恒定律的内容，能判断机械能是否守恒，并能列出机械能守恒定律的数学表 达式。 ②理解验证机械能守恒定律的实验原理、实验方案，并能进行数据处理和误差分析。 三、教学难点 ①机械能守恒的条件； ②科学验证机械能守恒定律的设计思路，数据处理和误差分析； ③机械能守恒定律的应用。 四、教学方法： 　　讨论、合作探究 五、课时安排： 　　三课时 六、教学仪器： 　　多媒体课件、视频 七、教学环节： （一）引入新课 播放视频：碰鼻子实验 　问题：为什么小球好象记着自已的位置不会碰到鼻尖？ (1)物体沿光滑斜面下滑时 重力势能 转化为 动能 。 (2)运动员撑杆跳的过程中 动能 转化为 弹性势能 。 (3)反弹后的小球在上升过程中 弹性势能 转化为 重力势能、动能 。 以上可知：动能和势能之间可以相互转化 。 （二）新课教学： 一、机械能 机械能定义：物体具有的动能和势能之和。 思考：动能与势能的相互转化存在何种定量关系？ 二、机械能守恒定律 情景一：只受重力作用 做自由落体运动的小球 根据重力做功： 根据动能定理： 由两式可得： 移项后得： 思考：下面两个式子的含义？ 小结：只有重力做功时，物体动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。 情景二：除重力之外还受其他力，但只有重力做功 小球沿光滑曲面下滑 分析：下滑过程中支持力做功？ “0” 重力势能如何变化？ 动能如何变化？ 两式整理后得： 小结：只有重力做功时，物体动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。 思考：除重力之外，有其他力做功时，机械能会守恒吗？ 小球在下落过程中的空气阻力不可忽略 根据动能定理： 又因为 ； 可得 （Wf<0） 小结：除重力外还有其它力做功时，机械能不守恒。 情景三：只有弹力做功 在光滑水平面上反弹回来的小球 根据动能定理 根据弹力做功 所以 即 小结：只有弹力作功时，物体动能和弹性势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。 （总结以上四个情景，得出机械能守恒定律的内容） 1、内容：在只有重力或弹力这类力做功的情况下，物体系统内的动能与势能相互转化，机械 能的总量保持不变。 2、表达式： ①，即初状态的机械能等于末状态的机械能。 ②，即动能(或势能)的增加量等于势能(或动能)的减少量。 ③，即A物体机械能的增加量等于B物体机械能的减少量。 3、机械能守恒条件： ⑴从做功角度看：只有重力或系统内弹力做功。 ① 物体只受重力或弹簧弹力，不受其他力。 ② 物体受到重力和弹簧弹力，还受到其他力，但其他力不做功，或其他力做的总功为零。 ⑵从能量转化角度看：只有系统内动能和势能的相互转化，无其他形式能量的转化。 练一练 1．下列关于机械能守恒的说法中正确的是（ D ） A．做匀速运动的物体，其机械能一定守恒 B．物体只受重力，机械能才守恒 C．做匀速圆周运动的物体，其机械能一定守恒 D．除重力做功外，其他力不做功，物体的机械能一定守恒 2．游乐场中的一种滑梯如图所示．小朋友从轨道顶端由静止开始下滑，沿水平轨道滑动了一段距离后停下来，则( D ) A．下滑过程中支持力对小朋友做功 B．下滑过程中小朋友的重力势能增加 C．整个运动过程中小朋友的机械能守恒 D．在水平面滑动过程中摩擦力对小朋友做负功 3．如图所示，一轻弹簧固定于O点，另一端系一重物，将重物从与悬点O在同一水平面且弹簧保持原长的A点无初速度地释放，让它自由摆下，不计空气阻力，在重物由A点摆向最低点的过程中( B ) A．重物的机械能不变 B．系统的机械能不变 C．系统的机械能增加 D．系统的机械能减少 三、机械能守恒定律的应用 例1：在水平地面以 20 m/s 的速度将一物体竖直上抛。若以水平地面为零势能参考平面，忽略空气阻力，取重力加速度 g = 10 m/s2，求： (1)物体上升的最大高度； (2)物体在上升过程中其重力势能和动能相等的位置距地面的高度。 讨论： (1)以谁为研究对象，研究的是哪个过程？ (2)研究过程中，机械能是否守恒？ (3)选取哪个平面为参考平面，初末状态的机械能分别为多少？ (4)根据机械能守恒定律列方程。 运用机械能守恒定律的解题步骤： (1)确定研究对象和研究过程。 (2)分析研究对象在运动过程中的受力情况弄清各力做功的情况，判断机械能是否守恒。 (3)恰当选取零势能面，并确定研究对象在研究过程的始、末状态的机械能。 (4)根据机械能守恒定律列出方程，进行求解。 例2：荡秋千是一种常见的娱乐休闲活动，若秋千绳的长度l=2m,荡到最高点时秋千绳与坚直方向的夹角θ=60°。取重力加速度g=9.8m/s2,求荡到最低点时秋千的速度大小。(忽略阻力及秋千绳的质量,且人在秋千上的姿势可视为不变） θ A B 解：秋千在下摆过程中，受到的绳子拉力T不做 功，只有重力做功，机械能守恒。 取最低点B所在的平面为零势能面，则： 解得： 例3：质量分别为3 kg和5 kg的物体A、B，用轻绳连接跨在一个定滑轮两侧，A物体底面与地接触，B物体距地面0.8 m放开B物体，当B物体着地时A物体的速度。 （B物体着地之前，vA=vB ） 方法1：初态机械能等于末态机械能（选择零势能参考面） 方法2：A物体的机械能增加量等于B物体的机械能减少量 方法3：系统动能的增加量等于重力势能的减少量 四、验证机械能守恒定律 实验目的：(1)验证机械能守恒；(2)进一步熟悉打点计时器的使用 思考：(1)本实验采用什么方法验证机械能是否守恒的？ 用自由落体运动验证机械能守恒 (2)实验原理是什么？ 让带有纸带的重物自由下落，利用打点计时器记录重物下落过程中运动情况。选取纸带上的某点作为高度的起点，量出纸带上其他点相对该点的距离作为高度。再计算重物经过这些点的速度，算出动能。最后比较重力势能的减小量与动能的增加量，验证机械能守恒。 实验原理： 测定第n点的即时速度的方法是：测出第n点的相邻的前、 后两段相等时间T内下落的距离由平均速度公式算出。 实验器材： 打点计时器、纸带、复写纸、重物、天平、刻度尺、铁架台（带铁夹）、 学生电源等。 实验步骤： （1）使用天平秤出重物质量 （2）纸带一段吊重物，另一端穿过打点计时器。手提纸带，使重物靠近打点计时器并静止。接通电源，松开纸带，让重物自由落下。 （3）取下纸带，并选其中一个点作为参考点，设打该点时重物的重力势能为0，计算打改点时的动能，它就是重物下落过程中的动能与重力势能的总和。 （4）分别计算纸带上其他各点对应的物体的重力势能和动能之和。 注意事项： （1）实验中打点记时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦力。 （2）实验时，必须先接通电源，让打点记时器工作正常后才松开纸带让重锤下落。 （3）打点记时器必须接50Hz交流低压电源。 （4）为了减小重物在下降过程中空气阻力的影响，应选择质量大、体积小的重物。 起点机械能 E= ？ 测量点n 1 2 3 4 5 6 高度hn /m 速度vn /m/s 势能EP /J 动能EK /J 数据处理： 实验结论： 在误差允许的范围内，自由下落的物体机械能守恒。 思考：若实验中，不测物体质量，还能验证机械能守恒么？ 能 练一练 1、某同学计划通过测量重物自由下落的瞬时速度v和下落高度h来验证机械能守恒定律。 (1)以下四种测量方案中，合理的是 D （填正确选项前的字母）， 理由是 做自由落体运动的物体机械能守恒. A．直接测量下落高度h和下落时间t，通过算出瞬时速度v； B．直接测量下落高度h，通过算出瞬时速度v； C．根据纸带上某点的相邻两点的平均速度，得到该点的瞬时速度v，再由 算出高度h D．直接测量下落高度h，根据纸带上某点的相邻两点间的平均速度，得到该点的瞬时速度v (2)实验中产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时存在摩擦阻力，使重物获得的动 能往往 小于 （选填“大于”“小于”或“等于”）它所减小的重力势能。 (3)如果以为纵轴、h为横轴，根据实验数据绘出的 －h 图线是一条通过坐标原点的 倾斜直线，该直线的斜率是: 实验所在地的重力加速度 . 2、在“验证机械能守恒定律”的实验中，质量为 1 kg 的重物自由下落，在纸带上打出一系列 的点，其中 O 为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的连续三个点，如图所示。 相邻计数点间隔的时间为 0.02 s，测量点间距所用单位为 cm，取重力加速度 g = 9.8 m/s2。 （计算结果均保留 3 位有效数字） (1)打点计时器打下计数点 B 时，重物的速度是 1.91 m/s。 (2)从起点 O 到打下计数点 B 的过程中，重物重力势能的减少量 ΔEp= 1.88 J，动能的增加量ΔEk= 1.82 J。 (3)通过计算可知，在数值上 ΔEp ＞ （选填“＞”“＜”或“ = ”）ΔEk。这是因为 阻力做负功使机械能损失 。 五、能量守恒定律 1、内容：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中其总量保持为变。 2、除重力或系统内弹力做功外，还有其它力做功 例：如图所示，质量为m的物体A，从弧形面的底端以初速度v0向上滑行，达到某一高度后，又循原路返回，且继续沿水平面滑行至P点而停止。求在整个过程中摩擦力对物体A所做的功。 （三）本节小结： 　　　　本节课我们学习了机械能守恒定律，重点是机械能守恒定律的内容和表达式，难点是判断物体的机械能是否守恒，所以应透彻理解机械能守恒定律成立的条件，从而正确应用机械能守恒定律解题。 （四）课外作业： 　　　P27 4、5 （六）板书设计： 　　　　　　　　　　§1.5 　科学验证：机械能守恒定律 一、机械能：动能和势能统称为机械能。 二、机械能守恒定律 　1、内容： ①在只有重力做功的条件下，物体的动能和重力势能相互转化，但机械能的总量保持不变。　 　②在只有弹力做功的条件下，物体的动能和弹性势能相互转化，但机械能的总量保持不变。 2、机械能守恒的条件 　 ①系统内只有重力或只有弹力做功。 　②系统内的摩擦力不做功，一切外力都不做功。 3、表达式： 八、课堂教学反思： 本节课通过不同过程中动能与势能的转化和对机械能守恒定律的推导，得到机械能守恒定律，重点从中理解守恒的条件、列守恒表达式及零势能的选取，能解决简单的守恒问题。但对守恒条件理解不透，多个物体时研究对象的选取判断不准。在实例中继续加强机械能守恒定律的理解。 上好实验课的一个重要前提是要有耐心。通过机械能守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。 科学验证：机械能守恒定律－1 学科网（北京）股份有限公司 $$