人教版高中物理必修2教學設計

課題實驗：驗證機械能守恒定律單元8學科物理年級高一

本節課所采用的教材是人教版高中物理必修2第8章第5節的內容。本課時內容是驗證

機械能守恒定律，其中核心內容是數據處理。

本課時是在機械能守恒定律基礎上，進一步研究驗證機械能守恒定律。學生在掌握機械

能守恒定律需要滿足的條件的基礎上，通過對實驗處理，驗證機械能守恒定律。

教材機械能守恒定律在物理學理論和應用方面十分重要，是高中物理的重點內容，為今后學

分析習動量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎，起到了承上啟下的作用。但這種思想和有關的

概念、規律，由于其抽象性強，學生要真正的掌握和靈活運用還是很困難。

本節內容安排在學習機械能守恒定律之后，目的是為了使學生在理論上對機械能守恒定

律有所了解的基礎上，通過實驗測量及對實驗數據的分析處理，對機械能守恒定律及條件有

深刻的認識。

一、教學目標

1．要弄清實驗目的，本實驗為驗證性實驗，目的是利用重物的自由下落驗證機械能守

恒定律。

2．要明確實驗原理，掌握實驗的操作方法與技巧、學會實驗數據的采集與處理，能夠

進行實驗誤差的分析，深化對機械能守恒定律的理解。

3．通過學生自主學習，培養學生設計實驗、采集數據，處理數據及實驗誤差分析的能

教學

力。

目標

與核二、核心素養

心素物理觀念：通過同學們的親自操作和實際觀測掌握實驗的方法與技巧并構建能量觀念。

養

科學思維：通過學生自主學習，培養學生設計實驗、采集數據，處理數據廈實驗誤差分

析的能力。

科學探究：通過對紙帶的處理過程培養學生獲取信息、處理信息的能力，體會處理問題

的方法，領悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法。

科學態度與責任：通過實驗及誤差分析，培養學生實事求是的科學態度，激發學生對物

理規律的探知欲。

重點1．驗證機械能守恒定律的實驗原理。

2．實驗原理及方法的選擇及掌握。

難點實驗誤差分析的方法。

教學過程

教學環節教師活動學生活動設計意圖

導入新課知識回顧：機械能守恒定律的內容是什么？

只有重力或彈力做功的系統內，動能與勢能相

互轉化時總的機械能保持不變。學生回憶機溫故而知新為本

上節課我們從理論上學習了機械能守恒定律，械能守恒定節實驗的順利完

我們從定律內容及守恒條件上初步理解了機械能律的內容成作鋪墊

守恒定律，今天我們通過自己親身實驗從感性上對

定律再做進一步的理解。

講授新課一、實驗思路

機械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，

因此研究過程一定要滿足這一條件。想一想，滿足

這一條件的過程有哪些？

1.自由落體運動中動能與勢能變化

自由落體運動中只有重力做功，滿足機械能守閱讀課文總能列舉滿足“只有

恒的條件。結實驗思路重力或彈力做功”

的一些實例

自由落體

2.物體沿光滑斜面下滑中動能與勢能變化

沿光滑斜面下滑的物體受重力和支持力，但支

持力與物體位移方向垂直對物體不做功，這種情況

也滿足機械能守恒的條件。

3.用細線懸掛的小球擺動中動能與勢能變化

細線的拉力與小球的運動方向垂直，對物體不

做功。如果忽略空氣阻力，這個過程中只有重力做

功，也滿足機械能守恒的條件。

以上幾種情況都可以用來驗證機械能守恒定

律。

二、物理量的測量

驗證機械能守恒定律，涉及的物理量有動能和

閱讀課文掌鍛煉學生的自主

勢能，所以需要測量物體的、

————握驗證機械學習能力

以及物體的這三

———————————————————————能守恒定律

個物理量。

需要測量的

答案:質量;物體所處位置的高度;運動速度

物理量

注意：如果實驗要求計算勢能和動能的具體數

據，那就必須要知道物體的質量；如果只是驗證機

械能守恒定律可以不測物體的質量。

三、數據分析

根據選定的實驗方案設計相應的表格記錄實

驗數據。實驗中可采用兩種驗證方案來驗證機械能

守恒定律。

1.計算物體在選定位置上動能與勢能的和是否

閱讀課文知理解兩種方案的

滿足

道驗證機械本質都是重物動

能守恒定律能的增加量等于

2.計算重物在某兩點間的動能變化和勢能變化的方案。其重力勢能的減

是否滿足少量

本實驗我們提供物體做自由落體運動及沿光

滑斜面下滑這兩種方案來驗證機械能守恒定律。

實驗一：研究自由下落物體的機械能

（一）實驗原理

在只有重力做功的自由落體運動中，物體的重

力勢能減少，動能增加，如果重力勢能的減少量——

————動能的增加量，就驗證了機械能守恒定律.

答案:等于

（二）實驗器材

學生掌握實鍛煉學生的動手

鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、重物(帶夾

驗原理實驗能力

子)、紙帶、復寫紙、導線、毫米刻度尺、低壓交流

器材組裝實

電源(4～6V).

驗儀器

（三）實驗步驟

1.安裝置：將打點計時器固定在鐵架臺上，把

紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點學生閱讀實鍛煉學生的動手

計時器的限位孔。驗步驟掌握能力

2.打紙帶：用手提著紙帶使重物停靠在打點計操作過程并

時器附近。然后先接通電源，再松開紙帶，讓重物動手進行實

自由下落。驗操作

3.更換紙帶，重復幾次。

3.紙帶的處理

方法1：利用起點和距起點較遠的點從打好點

的紙帶中挑選點跡清晰紙帶上的第一個點為計時

起點0，且開始的兩點間距接近2mm的一條紙帶，在教師的引鍛煉學生邏輯思

在起始點標上0，以后任取間隔相同時間的點依次導下學生學維能力和計算能

標上1、2、3…….用刻度尺測出0到1、2、3……習怎樣處理力

的距離，即為對應下落的高度h1、h2、h3…….數據驗證機

械能守恒

m=0.2992kgg=9.8m/s2

-1

計數點hn/mVn/msmghn

n

10.1440

20.17901.860.52480.5176

30.21842.0650.64040.6379

40.26162.2580.76710.7627

50.30872.4350.90520.8887

60.35902.6351.05261.0387

70.4141

結論：在實驗誤差允許范圍內重力勢能減少量

為mghn動能增加量相等即機械能守恒。

出示驗證機械能守恒定律視頻。

思考：紙帶上的頭兩個點間的距離為什么應接

近2mm？

學生思考討重溫自由落體運

論并回答動是初速度為零

因為起始點的速度應該為零，t=0.02s，g=10m/s2的勻加速直線運

動

方法2：任取兩點A、B

方法2：任取兩點A、B

任取兩點A、B，計算重力勢能的減少量

mghA-mghA動能增加量

學生動手測驗證機械能是否

如果在實驗誤差允許范圍內

量數據并計守恒

則機械能守恒定律得到算

驗證。

4.整理器材，使器材復位

思考討論1：實驗時，其實可以不測量物體的

質量。想一想，這是為什么？

驗證機械能守恒定律實驗，需要驗證：

或學生思考討知道驗證機械能

論并回答守恒定律可以不

只需驗證或即測量物體的質量

可因此可以不測量物體的質量。

思考討論2：速度能不能用v=gt計算？

參考答案：這種方法認為加速度為g，由于各

種摩擦阻力不可避免，所以實際加速度必將小于g，

學生思考討知道速度不能用

這樣將得到機械能增加的結論，有阻力作用機械能

論并回答v=gt

應該是減少的，故這種方法也不能用。

思考討論3：如何測量物體的瞬時速度?

參考答案：自由落體運動是勻變速直線運動，

所以可以根據學過的勻變速直線運動的規律來物

體的瞬時速度。

學生思考討重溫做勻變速運

論并回答動的物體某點的

瞬時速度，等于相

做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于

鄰兩點間的平均

相鄰兩點間的平均速度。

速度

vB＝vAC平均=

B點的瞬時速度等于A、C點之間的平均速

度

（四）實驗中需要注意的問題：

1.重物下落過程中，除了重力外會受到哪些阻

力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響？

阻力主要有空氣阻力、紙帶與計時器間的摩擦

阻力等。

選擇質量適當大些、體積盡量小些的重物來減

小空氣阻力；

安裝打點計時器時，必須使兩紙帶限位孔在同掌握實驗中幫助學生進一步

一豎直線上，以減小摩擦阻力。需要注意的了理解實驗中的

2.重物下落時，最好選擇哪兩個位置作為過程問題問題

的開始和結束的位置？

開始點選擇紙帶上的起點，且第1、2兩點間

的距離應接近2mm。終結點應選擇距起點較遠的

點，這樣測是的相對誤差較小。

3.實驗時，應先接通電源，讓打點計時器正常

工作后再松開紙帶讓重物下落。

4.實驗中要克服阻力做功，所以動能增加量必

定稍小于重力勢能減少量。

5.本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的

質量m。

（五）誤差分析

本實驗的誤差主要是由紙帶測量產生的偶然

誤差，測量時采取多次測量求平均值的方法來減小

偶然誤差。

重物和紙帶運動中的空氣阻力及打點計時器

的摩擦阻力引起的系統誤差.實驗中注意安裝打點

計時器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質量適當大學生在老師讓學生認識到減

些、體積盡量小些的重物來減小系統誤差。的引導下進小誤差的方法

實驗注意事項行誤差分析

1.打點計時器安裝要穩固，并使兩限位孔的中

線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.

2.應選用質量和密度較大的重物，增大重力可

使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，

可使空氣阻力相對減小.

3.實驗時，應先接通電源，讓打點計時器正常

工作后再松開紙帶讓重物下落.

4.本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的

質量m。

例題“驗證機械能守恒定律”的實驗采用重物

自由下落的方法。

(1)本實驗中，除鐵架臺、夾子、交流電源、紙

帶和重物外，還需選用的儀器是______。

A.秒表B.刻度尺C.天平

D.打點計時器

(2)在驗證機械能守恒定律的實驗中，得到一條

在老師的引掌握用重物自由

紙帶如圖2所示，圖中O點為打點計時器打下的第

導下學生完下落“驗證機械能

一點，可以看做重物運動的起點，若重物的質量為

成例題守恒定律”的方法

1kg，已知相鄰兩點時間間隔為0.02s，圖中長度單

位是cm，g取9.8m/s2，則打點計時器打下B點時，

重物的速度VB=______m/s。從起點O到打下B點

的過程中，重物動能的增加量△Ek=______J，重力

勢能的減小量△EP=______J，經過計算發現動能

的增加量略小于重力勢能的減少量，為什么

___________________。(以上計算結果均保留兩位

有效數字)

(1)【答案】BD

【解析】根據實驗原理可知，需要計算重物重

力勢能的減少量，所以需要刻度尺測量高度，動能

的表達式中需要有重物的速度，所以需要使用打點

計時器打點來計算瞬時速度的大小，方程兩邊都有

質量，所以不需要天平，綜上本題選BD。

(2)【答案】0.97，0.47J，0.48J，重物克服阻

力做功

【解析】根據平均速度等于該段時間內中間時

刻的瞬時速度可得，

vB=xAC/2T=((0.0702-0.0313)/0.04m)/s=0.97

2

m/s，重物動能的增加量△Ek=1/2mv≈0.47J；重力

勢能的減小量△EP=mgh≈0.48J，實驗過程中，由于

有阻力，所以重物減少的重力勢能會有一部分轉變

成熱量，所以導致動能的增加量略小于重力勢能的

減少量。

實驗二：研究沿斜面下滑物體的機械能

（一）實驗器材

氣墊導軌、數字計時器、滑塊

研究沿斜面下滑物體的機械能的實驗裝置

思考討論1：為什么利用氣墊導軌可以提高實

驗的精確度？

參考答案：因為氣墊導軌上有很多小孔，氣泵

送來的壓縮空氣從小孔噴出，使得滑塊與導軌之間

有一層薄薄的空氣層，兩者不會直接接觸。這樣，學生閱讀實學生動手操作實

滑塊運動時受到的阻力很小，實驗的精確度能大大驗研究沿斜驗并記錄數據

提高。面下滑物體鍛煉學生的自主

思考討論2：你知道數字計時器是如何計時的的機械能學習能力

嗎？

參考答案：計時系統的工作要借助于光源和光

敏管（統稱光電門）。光源與光敏管相對，它射出

的光使光敏管感光。

當滑塊經過時，其上的遮光條把光遮住，與光

敏管相連的電子電路自動記錄遮光時間，通過數碼

屏顯示出來。根據遮光條的寬度和遮光時間，可以

算出滑塊經過時的速度。因為這樣的計時系統可以

測出0.001s的時間，并且能直接以數字顯示，所

以又叫數字毫秒計。

（二）實驗步驟：

1.把氣墊導軌調成傾斜狀態，滑塊沿傾斜的氣

墊導軌下滑時，重力勢能減小，動能增大。

2.用光電門測量滑塊的瞬時速度。測量滑塊下

降的高度Δh和初、末速度v1、v2

3.如果在實驗誤差允許范圍內

則機械能守恒定律得到驗證。

課堂練習

1.在做驗證機械能守恒定律實驗時，發現重物

減少的勢能總是大于重物增加的動能,造成這種現

象的主要原因是()

A.選用的重物質量過大

B.空氣對重物的阻力和打點計時器對紙帶的

阻力

C.選用的重物質量過小

D.實驗時操作不太仔細,實驗數據測量不準

確

答案:B

2.某位同學做“驗證機械能守恒定律”實驗，

下列操作步驟中錯誤的是()

A.把電磁打點計時器固定在鐵架臺上，用導

線連接到低壓交流電源上

B.將連有重物的紙帶穿過限位孔，將紙帶和

重物提升到一定高度學生練習鞏固所學知識

C.更換紙帶,重復實驗,根據記錄處理數據

D.先釋放紙帶，再接通電源

答案:D

3.驗證動量守恒定律的實驗中，關于入射小球

在斜槽上釋放點的高低對實驗影響，下列說法正確

的是()

A.釋放點越低,小球受阻力越小，入射小球速

度越小，誤差越小

B.釋放點越低,兩球碰后水平位移越小，水平

位移測量的相對誤差越小，兩球速度的測量越準確

C.釋放點越高，兩球相碰時，相互作用的內

力越大，碰撞前后動量之差越小,誤差越小

D.釋放點越高，入射小球對被碰小球的作用

力越大，軌道對小球的阻力越小。

答案:C

4.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,下列說

法正確的是()

A.重錘的質量相等時,密度大的好

B.必須用天平稱出重錘的質量，以便計算重錘

的重力勢能和動能

C.為了減小實驗誤差,重錘的質量要適當大一

些

D.重錘下落的瞬時速度可用v=gt求出

答案:AC

拓展提高

1.驗證機械能守恒定律可以采用研究自由落

體運動的方法，也可以采用研究物體從斜面上自由

下滑運動的方法，但后者誤差較大，其原因是

_________________。為了減小誤差，提出如下措

施：

A.減小物體的質量B.增大物體的質量

C.減小斜面的傾角D.增大斜面的傾角

E.用小車代替滑塊F.給物體一定的初速度合

理的措施是：——————。

【答案】摩擦阻力的影響;DE

2.如圖是用自由落體法驗證機械能守恒定律

時得到的一條紙帶，有關尺寸在圖中已注明，我們

選中n點來驗證機械能守恒定律，下面舉一些計