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”核心实验，课堂导入通过回顾机械能守恒定律的内容、表达式及守恒条件，搭建前后知识联系的学习支架。 资料特色在于融合多种实验方法（打点计时器、光电门）与数据处理方式（计算总和、动能势能变化、图像法），以典例分析深化科学探究与科学思维，实验创新及拓展作业助力学生提升探究能力，教师可高效开展实验教学，夯实学生能量观念与实验素养。

高中物理人教版必修第二册 第八章《机械能守恒定律》 第5节 实验：验证机械能守恒定律 教学设计 上课班级 上课时间 年 月 日 课时： 节 课题 第5节 实验：验证机械能守恒定律 学习目标 一、物理观念 1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的瞬时速度。 2．掌握利用落体法验证机械能守恒定律的原理和方法。 2、 科学思维 1.会使用气垫导轨、光电门，理解、利用并掌握滑块沿导轨下滑验证机械能守恒定律的原理和方法。 2.通过几个实例分析推理计算机械能守恒。 3、 科学探究 1.能制订验证机械能守恒定律的实验方案，确定需要测量的物理量。 2.学会正确使用实验器材获取数据，对数据进行分析后得出结论。 四、科学态度与责任 体验生产生活实际中的机械能守恒，培养学以致用的科学态度。 学习重难点 1.分类掌握多物体的机械能守恒问题。 2.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性地分析产生误差的原因。 教学过程 一、新课引入 知识回顾：机械能守恒定律 1.机械能：动能和势能统称为机械能，其中势能包括弹性势能和重力势能。 2.机械能守恒定律 (1)内容：在只有重力或弹簧弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。 (2)表达式：mgh1＋mv＝mgh2＋mv。 3.守恒条件：只有重力或弹簧的弹力做功。 二、新课内容 （一）物理量的测量 1.质量的测量：可用天平测量。 2.高度的测量：可用刻度尺测量。 3.瞬时速度的测量 （1）用打点计时器打下的纸带测量： 测出打n点前、后相邻两段相等时间T内物体运动的距离xn和xn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝即可得到打n点时物体的瞬时速度，如图所示。 （2）用光电门测量： 遮光条通过光电门时的瞬时速度等于遮光条通过光电门时的平均速度，则根据遮光条的宽度l和遮光时间Δt，可以算出物体经过光电门时的速度v＝。 【典例1】图甲为“验证机械能守恒定律”的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重物。回答下列问题： 若实验中所用重物质量 ，打出的纸带如图乙所示， 点为开始下落时打出的第一个点，打点时间间隔为 ，则打 点时，重物动能 0.342 ，从开始下落起至 点，重物的重力势能减少量 0.372 （ 取 ，结果均保留3位有效数字）。 [解析]打点计时器打下 点时的速度 所以 ，重力势能的减少量 。 （二）数据处理方法 方法1：计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足 mv＋mgh2＝mv＋mgh1 ① 方法2：计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足 mv－mv＝mgh1－mgh2 ② 若在误差允许范围内，等式①(或②)满足，即可验证机械能守恒定律。 根据上述情况，有两种方案可以验证物体的机械能守恒。 【典例2】如图所示，某同学利用竖直上抛小球的频闪照片“验证机械能守恒定律”．频闪仪每隔0.05 s闪光一次，用毫米刻度尺测得相邻两个时刻小球上升的高度分别为h1＝26.3 cm，h2＝23.68 cm，h3＝21.16 cm，h4＝18.66 cm，h5＝16.04 cm，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表所示(当地重力加速度g＝9.80 m/s2，小球质量m＝0.10 kg)： 时刻 t2 t3 t4 t5 速度(m/s) 4.48 3.98 3.47 (1)上面测量高度的五个数据中不符合有效数字读数要求的是________段，应记作________cm. (2)由频闪照片上的数据计算t2时刻小球的速度v2＝______ m/s.(计算结果保留三位有效数字) (3)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝________ J，动能减少量ΔEk＝________ J．(计算结果均保留三位有效数字) (4)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算所得ΔEp________ΔEk(选填“>”“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是_____________________________________________________． 答案　(1)h1　26.30　(2)5.00　(3)0.622　0.648 (4)<　上升过程中有空气阻力做负功 (或受到空气阻力) 解析　(1)从题中可得测量工具是毫米刻度尺，所以h1在有效数字读数要求上有错误，应记作26.30 cm. (2)匀变速直线运动过程中中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度， 所以有： v2＝≈5.00 m/s. (3)根据重力做功和重力势能的关系有： ΔEp＝mg(h2＋h3＋h4)≈0.622 J ΔEk＝mv22－mv52≈0.648 J. (4)因上升过程中有空气阻力做负功，故ΔEp<ΔEk. （三）研究自由下落物体的机械能 1.实验器材 铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6 V)。 2.实验步骤 ①安装实验装置 如图所示，将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压交流电源相连接。 ②进行实验 a．将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔。用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落，打点结束后立即关闭打点计时器电源。 b．更换纸带重复做3～5次实验。 ③选取纸带(分两种情况) a．如果根据mgh＝mv2验证，应选点迹清晰，所打点在同一条直线上，且第1、2两点间距离略小于2 mm的纸带(根据h＝gt2，当t＝0.02 s时h＝1.96 mm，说明重物是在打第一个点时开始下落的)。 b．如果根据mgΔh＝mv－mv验证，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否略小于2 mm就无关紧要了，只要后面的点迹清晰就可选用。 (3)数据处理 方法1：利用起始点和第n点计算 代入mghn和mv，如果在实验误差允许的范围内mghn和mv相等，即可验证机械能守恒定律。 方法2：任取两点计算 a．任取两点A、B，测出hAB，计算出mghAB。 b．计算出mv－mv的值。 c．在实验误差允许的范围内，若mghAB＝mv－mv成立，即可验证机械能守恒定律。 方法3：图像法 从纸带上选取多个点，测量从第一个点到选取各点的下落高度h，并计算出各点速度的二次方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2­h图线。若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。 【典例3】在“验证机械能守恒定律”的实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。 图1 图2 ①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是______________________________________________________________。 ②已知交流电频率为50 Hz，重物质量为200 g，当地重力加速度g取9.8 m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|＝________J、C点的动能Ek＝__________J(计算结果均保留三位有效数字)。比较Ek与|ΔEp|的大小，出现这一结果的原因可能是________(单选)。 A．工作电压偏高 B．存在空气阻力和摩擦力 C．接通电源前释放了纸带 [答案]　①阻力与重力之比更小(或其他合理解释)　②0.542～0.550　0.570～0.590　C （四）实验创新 【典例4】如图甲所示，一同学利用光电计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的高度差为H(H≫d)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则： 甲　　　　　　　　　乙 (1)多次改变H，重复上述实验，作出H随的变化图像如图乙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式________时，可判断小球下落过程中机械能守恒。 (2)实验中，因受空气阻力的影响，小球动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，适当降低下落高度后，ΔEp－ΔEk将________(选填“增加”“减少”或“不变”)。 [答案]　(1)H0＝·(或2gH0t＝d2)　(2)减少 板书设计 （一）物理量的测量 （二）数据处理方法 （三）研究自由下落物体的机械能 （四）实验创新 课后作业 1.为了验证矩形线框自由下落过程中上、下边经过光电门时机械能是否守恒，使用了如图所示的实验装置。已知矩形线框用直径为d的圆柱形材料做成，用刻度尺测出矩形线框上、下边之间的距离L。某次实验中矩形线框下边和上边先后经过光电门的挡光时间分别为Δt1和Δt2。 (1)通过实验可测出下、上边通过光电门的速度v1和v2，分别为v1＝________，v2＝________。 (2)如果满足关系式　 (请用测量的物理量和已知量来表示，重力加速度为g)，则自由下落过程中线框的机械能守恒。 2.为了验证机械能守恒定律，同学们设计了如下的实验： (1)不计挡光片的质量，所用钩码的质量相同，如图所示，由静止释放钩码A、B、C，实验测得，释放钩码时挡光片距光电门的距离为h，挡光片遮光的时间为t，挡光片宽度为d.若系统机械能守恒，则需要验证：h＝________(用物理量字母表示，已知当地的重力加速度为g)； (2)下列建议中能对减小该实验误差有作用的是________． A．绳子越长越好 B．使用质量小且结实的绳子 C．尽量保证钩码只沿竖直方向运动，不要摇晃 教学反思 1.答案　(1)　　(2)2－2＝2gL 解析　(1)本实验中利用矩形线框的下、上边框通过光电门的平均速度来代替其各自通过光电门时的瞬时速度，故有：v1＝，同理v2＝。 (2)根据机械能守恒定律有：mgL＝mv－mv，整理得2－2＝2gL。 2.答案　(1)　(2)BC 解析　(1)钩码通过光电门的速度为v＝ 若系统机械能守恒，则有(2m－m)gh＝×3mv2 解得h＝＝ (2)由h＝知，与绳子长度无关，A错误；钩码在运动的过程中，细绳也在运动，也具有动能，故使用质量小且结实的绳子可使实验减小系统误差，B正确；尽量保证钩码只沿竖直方向运动，因为摇晃会使得钩码在水平方向上有速度分量，影响实验验证结果，C正确． 学科网（北京）股份有限公司 $