8.5实验：验证机械能守恒定律 教学设计 -2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理教学设计聚焦验证机械能守恒定律，通过复习回顾环节的问答与实例分析，引导学生回顾定律条件、内容及能量转化，为实验设计搭建知识支架，强化前后知识联系。 特色在于问题链驱动自主设计实验，分组实验结合希沃投屏实时分享数据，创新实验用Tracker软件追踪摆球轨迹、Excel处理能量数据，培养科学探究与创新思维，提升学生实验操作与数据分析能力，助力教师高效开展探究式教学。

实验：验证机械能守恒定律 教学设计 物理 年级 高一 时长 40分钟 【课标分析】新课标指出，能量观是物理观念的要素之一，能是自然界最基本的规律和最普遍的法则，本章是高中学生建立能量观的重要章节，学生要通过本章的学习，形成初步的能量观念，能用能量的观点分析有关机械运动问题。《实验：验证机械能守恒定律》选自高中物理必修2第八章第5节，本节课是通过实验验证力学中的一条重要定律-机械能守恒定律，是使学生在了解机械能守恒定律的理论基础上，通过实验验证，从而加深对机械能守恒定律及其守恒条件的认识。 根据课标，学生通过本节课的学习，要能通过实验，验证机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性；能用机械能守恒定律分析生活中的有关问题。 【教材分析】教材展示了两个参考实验：实验①研究自由下落物体，用打点计时器打出纸带后测量速度，用刻度尺测量高度，最后让学生进行实验操作、数据处理及误差分析；实验②研究沿斜面下滑物体的机械能，通过对教材的分析，结合学生的知识层面，用气垫导轨、光电门进行实验。通过对教材的分析，经验能力，将实验①作为本节课学生的集体操作实验，让学生掌握操作和对纸带的处理方法，学会对实验数据进行分析，理解操作中的误差及原因，提升学生的实验能力和科学探究能力。 【学情分析】知识层面：学生掌握了动能、势能等概念，学习了功和能的关系、动能定理和机械能守恒定律；知道功是能量转换的量度以及机械能守恒的条件；学生对满足机械能守恒定律的运动过程有一定认知，了解如何从物理过程来验证机械能守恒定律。能力层面：学生已经具备了一定的实验操作能力，会操作打点计时器，并会根据纸带的点迹计算某点的瞬时速度；具备一定的误差分析能力。但自主改进实验装置能力不够，需要在教师的指导下进行装置改进并进行实验。 【教学重难点】根据课标、教材、学情的分析，以及前期学生在实验过程的评价，本节的教学重点是：了解科学实验的一般过程；自主设计并经历实验过程；学会数据处理的方法。教学难点是：正确分析实验中的误差来源及改进方法。 【物理观念】学生通过对机械能守恒定律的验证过程，强化对机械能、动能、势能等概念、条件和表达式的理解，加深对能量转化及守恒的认识。 【科学思维】通过方案设计和数据分析培养学生模型建构、科学推理、科学论证的思维，通过误差分析和创新实验设计培养学生的质疑创新思维。 【科学探究】掌握设计方案、挑选组装仪器、观察分析实验现象、记录数据、得到结论和分析误差的方法，体会科学实验探究的全过程。 【科学态度与责任】通过亲身实践验证定律，培养学生树立 “实践是检验真理的唯一标准” 的科学观念；通过引导学生分析动能的增加量与势能的减少量的关系，培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。完全相等的原因，培养其严谨求实的科学态度；通过引导学生利用信息化软件研究二维运动机械能守恒定律培养其创新精神。 问题框架 方法策略 （1）通过问题链的设置和问答的方法，启发学生自主思考，提升学生学习的主动性； （2）通过小组讨论和分组实验，引导学生自主设计和进行实验，提升学生科学探究能力； （3）通过演示实验和创设新情境体验激发学生兴趣； （4）通过设置情境提升学生建立物理模型的能力和科学探究的能力； （5）通过将数字技术的融入教学，如实时投屏学生实验结果、利用视频追踪软件进行科学探究、利用Excel软件处理实验数据等方法，提升课堂参与度，提升实验探究效率，提高学生学习效果。 教学活动设计 课堂教学活动 活动1目标 【复习回顾】为验证实验做知识上的铺垫，加深学生对机械能守恒定律条件和内容的理解。 通过问答引导学生回顾机械能守恒定律的条件和内容（括号内是预设的学生活动）： （1）机械能包含哪些形式的能量？（动能和势能。） （2）机械能守恒定律的内容、条件和表达式是什么？（在只有重弹力做功的系统内，动能与势能相互转化，总的机械能保持不 或。） （3）你是否可以举一些生活中机械能守恒的实例？请分析荡秋千、跳水、射箭、蹦极过程中能量的转化和机械能是否守恒。（这些过程中机械能守恒，动能势能相互转化。） 学生能够自主回顾机械能守恒定律的条件和内容，能分析实际中的能量转化和守恒。 【设计实验】通过问题链的设置引导学生自主设计实验验证物体自由下落过程中的机械能守恒。 1. 通过问答和小组讨论引导学生自主提出实验方案（括号内是对应的学生活动）： （1）科学实验的一般步骤是什么？（实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、数据分析和误差分析。） （2）验证到怎么样的结果才能说明机械能守恒？本实验的实验原理是什么？（该过程中重力势能的减少量和动能的增量相等，。） （3）需要测量的物理量有哪些？（测量两点间的高度差，某点的瞬时速度。） （4）需要测量重物的质量吗？（不需要，重物质量在等式两边约去。） （5）需要哪些器材来进行实验？（进行实验需要铁架台（带铁夹）、重物；计算瞬时速度，需要打点计时器、纸带或光电门等器材；测量距离需要刻度尺。） （6）实验操作过程中，重物选用铁块好还是塑料块好？打点计时器安装时纸带和限位孔之间需要满足什么关系？先释放纸带还是先接通电源？（选择铁块更好，可以减小空气阻力的影响；纸带和限位孔需要平行，减小摩擦阻力的影响；先接通电源再释放纸带。） 学生总结实验原理、实验器材和具体实验步骤。 2. 教师做示范，一边演示安装实验器材一边强调实验操作注意事项。 生活动）： （1）如何测量重物下降的高度？（测量纸带上某点到起始点的距离或某两点间的距离。） （2）你如何测量纸带上某点的瞬时速度，它的依据是什么？（测量该点前后两点间的距离除以时间间隔，依据是做匀变速运动物体中间时刻的瞬时速度等于平均速度。） （3）测量前后两点间距离时有两种方式，直接测量两点距离或分别测量这两点到起始点距离再做差，哪种方式哪种更好？（第二种更好，测量较长距离时误差较小。） 学习评价 学生能够掌握科学实验的一般步骤，能够根据实验原理自主设计实验，明确实验原理、实验器材、实验步骤和处理实验数据的方法。 活动3目标 【分组实验】学生进行分组实验，通过分析实验数据得出实验结论。 环节步骤 1. 学生分组进行实验。 2. 投屏展示部分小组的实验结果，通过问答得到实验结论并进行误差分析： （1）为什么没有采用起始点静止下落到某点的高度变化和该点的瞬时速度v验证的方法？（起始点不稳定且难以确定。） （2）误差允许范围内得到什么结论？（该过程机械能守恒。） （3）为什么重物的重力势能减少量略大于动能的增加量？如何减小误差？（重物下落过程中克服阻力做功，这是系统误差；选择体积小、密度大的重物，安装打点计时器时保证两个限位孔竖直。） （4）如何减小测量纸带长度时存在的偶然误差？（多次测量取平均值，依次测量后面的点与第一点之间的距离。） 学习评价 学生能通过分组实验得到实验数据，通过分析实验数据进行误差分析得到实验结论。 活动4目标 【创新设计】创设新情境，引导学生设计创新实验验证摆球运动过程中机械能守恒，介绍轨迹追踪软件Tracker软件，并演示利用软件获取运动信息，利用excel软件处理实验数据，得到实验结果。 环节步骤 1. 情境体验：如图，取一条细线下端拴一个小铁球，邀请一位挑战同学上台，将小球拉至其鼻尖，由静止释放小球。让同学们观察小球在摆动过程中会不会碰到挑战者的鼻子，并解释原理？（不会碰到，该过程中只有重力做功机械能守恒。） 2. 引导学生通过问答提出实验方案： （1）如何验证该过程机械能守恒定律？（验证任一时刻小球重力势能和动能总和不变。） （2）能否用打点计时器？用什么器材可以验证？（不能，可用光电门传感器、频闪照相机等仪器。） 3. 演示创新实验： 介绍轨迹追踪软件Tracker软件，并演示利用软件追踪小球轨迹，提取小球在每个时刻（每一帧）的高度和速度信息，导入excel表格中，计算得到该时刻下小球的重力势能、动能和机械能，拟合得到各能量随时间变化的图像。 引导学生观察小球摆动过程机械能的变化情况，和各能量随时间变化的图像，得到小球摆动过程中动能和重力势能相互转化，机械能守恒的结论。 A B C D E 2 y v 重力势能 动能 机械能 3 2.33E-01 3.50E-01 6.28E-02 1.68E-03 6.45E-02 4 2.27E-01 4.65E-01 6.11E-02 2.98E-03 6.41E-02 5 2.22E-01 5.77E-01 5.97E-02 4.58E-03 6.43E-02 6 2.14E-01 6.45E-01 5.78E-02 5.72E-03 6.35E-02 7 2.05E-01 7.75E-01 5.52E-02 8.25E-03 6.35E-02 8 1.95E-01 9.20E-01 5.27E-02 1.16E-02 6.43E-02 支撑材料 利用Tracker软件追踪小球轨迹的视频。 学习评价 学生能够在新情境中构建物理模型，根据实验原理自主设计实验，能够利用信息化图像处理软件获取所需信息并分析数据。 活动5目标 【课堂小结】学生能通过总结本节课的内容，加深对物理知识的理解，掌握科学探究的全过程，体会信息化软件在科学探究中的使用，全面提升学生的物理学科素养。 环节步骤 教师引导学生回顾本节课的主要知识内容，并谈谈自己的感悟。引导学生回顾实验全过程，自主总结科学探究的过程和方法，同时回顾本节课中信息化软件的使用，体会信息化软件在科学探究中的作用。 学习评价 学生能自主总结本节课的主要知识内容和重要的科学思维和科学探究方法。 板书设计 实验： 验证机械能守恒定律 实验目的 实验原理： 实验器材 待测物理量： 、、、 实验步骤 数据处理： 误差分析 课后作业（活动） 学习目标 通过实践和探究，进一步加深对机械能守恒定律内容、条件的认识，提升学生设计实验和科学探究的能力。 作业（活动）要求 图中一细绳跨过悬挂的轻质定滑轮，两端系有质量分别为、的小球和，将两个小球静止释放，请分析： （1）该过程中和两个小球机械能是否守恒？两小球组成的系统机械能是否守恒？ （2）用理论演绎推理的方法证明你的猜想。 （3）设计实验，使用Tracker软件验证你的猜想（请写出完整的实验方案，包括实验原理、需要测量的物理量、需要使用的仪器等）。 技术融合 数字技术融合点 （1）在分组实验中实时拍摄各小组的实验结果并使用希沃软件投屏分享； （2）在创新实验探究中利用Tracker软件分析小球摆动过程中的机械能变化； （3）在创新实验数据分析中利用利用Excel软件快速分析实验数据； （4）在作业活动中让学生利用Tracker软件设计实验验证实际情境中的机械能守恒。 使用描述及使用的意图 （1）在分组实验环节，通过希沃软件实时拍摄并投屏展示各小组的实验结果，便于全班对比分析。该方式有效激发了学生的参与热情，明显提升了课堂专注度与互动性。 （2）在创新实验探究环节，引入Tracker软件对小球摆动过程中的机械能变化进行定量分析。Tracker是一款基于视频追踪技术的物理学习工具软件，可对实验视频逐帧处理，获取物体运动的位置、速度、加速度等数据。在本实验中，通过导入视频、追踪小球轨迹，提取其在不同时刻的高度和速度，进而计算相应时刻的重力势能、动能及机械能，最终验证机械能守恒定律。该软件无需依赖精密实验设备，即可高效、精确地研究复杂曲线运动，显著拓展实验教学的边界，可以低成本实现 “高精度数字化实验室”，为学生研究物体运动提供了新的工具。 （3）将小球每一帧的高度与速度数据导入Excel软件，利用其计算功能自动求解各时刻的重力势能、动能与机械能，并通过数据拟合功能生成能量随时间变化的曲线。该方式充分发挥Excel高效精准的数据处理能力，大幅提升了实验结果的整理效率，使学生摆脱重复计算，更专注于现象分析与规律理解；同时，借助软件强大的可视化功能，将抽象数据转化为直观图像，有助于学生提取信息、建立物理图像，从而全面提升学习效果与效率。 （4）引导学生运用课堂所学的Tracker软件探究实际问题，一方面帮助他们在真实情境中熟练掌握这一工具的操作方法，另一方面也使其切身感受到该信息技术在运动学研究中的高效与便捷，深刻体会到数字化工具对科学探究的强大支撑。 课程思政 课程思政元素 求真务实、理性实证、创新探索和开放协作的科学精神。 融入过程 在创新实验的情境体验后，学生从真实情境中自主发现和提出 探究问题，体现了求真务实的科学精神；在创新实验探究部分，学生在教师的引导下，自主提出利用Tracker软件探索其的机械能变化的实验方案，充分体现了理性实证、创新探索的科学竞赛；课堂上采用分组实验的形式，让组内成员充分讨论方案，齐心协力完成实验，体现了开放协作的科学精神。 学科网（北京）股份有限公司 $