4.6验证机械能守恒定律 课件-2025-2026学年高一下学期物理粤教版（2019）必修第二册

该高中物理课件围绕“验证机械能守恒定律”实验展开，通过重物下落打纸带等操作导入，衔接机械能守恒定律理论，以实验原理、步骤、数据处理为支架，帮助学生掌握实验验证方法。 其亮点在于融合科学探究与科学思维，采用光电门测速、频闪照片等实验创新方案，结合v²-h图像数据处理及误差分析，辅以易错辨析。学生可提升实验操作与推理能力，教师能借助丰富案例优化教学效果。

第四章 机械能及其守恒定律 第六节 验证机械能守恒定律 学习目标 1.明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量.(科学思维) 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.(科学探究) 基础落实 必备知识全过关 一、实验原理 二、实验器材 铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、电源、重物、刻度尺、纸带等. 三、实验步骤 1.安装置:按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路. 上下限位孔在一条直线上 2.打纸带: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.更换纸带重复做3~5次实验. 3.选纸带:在实验得到的纸带中,选取一条点迹清晰的纸带.将某一清晰的点记为O,与O点相隔一段距离以后的各点依次记为1,2,3,… 4.测距离:用刻度尺测出O点到1,2,3…的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3… 四、数据处理 五、误差分析 1.在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差. 2.重物下落要克服阻力做功,部分机械能转化成内能,下落高度越大,机械能损失越多,所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象. 3.由于交变电流的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差. 六、注意事项 1.应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力的影响,采取的措施有: (1)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力. (2)应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可以减小体积,使空气阻力减小. 2.计算速度时不能用v=gt或 ,否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误. 易错辨析 (1)本实验,重物下落过程中,其动能的增加量 Ek比重力势能的减少量 Ep大些.( ) (2)因为要验证 Ek= Ep,故必须要测量物体的质量m.( ) (3)瞬时速度除了从纸带上测量计算求出或利用光电门直接测量出以外,还可以用速度公式vn=gtn或 计算.( ) 提示 因为重物下落过程中要克服各种阻力(来自打点计时器、空气等)做功,故动能的增加量 Ek一定小于重力势能的减少量 Ep. 提示 因为式子两边均有质量m,故不测量m也可以验证机械能守恒. 提示 只要认为加速度为g,相当于利用机械能守恒定律来验证机械能守恒定律. 重难探究 能力素养全提升 探究点一 实验原理和过程 知识归纳 1.原理:让重物自由下落,在忽略阻力情况下,物体的机械能守恒. 2.纸带选取: 典例剖析 【例题1】 请根据以下内容,完成下题. 某实验小组利用自由落体运动验证机械能守恒定律,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律. (1)本实验中,不同组学生在操作过程中出现如图的四种情况,其中操作正确的是 . B (2)为了减小由于阻力带来的实验误差,应选用的重物是 (选填“A”或“B”). A.质量为200 g的铁质重锤 B.质量为200 g的木球 (3)进行正确操作后,打下的纸带如图所示,在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T.从打点计时器打下O点到打下B点的过程中,若验证机械能守恒定律成立,需要满足的表达式为 . A 8ghBT2=(hC-hA)2 解析 (1)打点计时器的工作电压为交流电压,故A、C错误;实验时,为了减小纸带与打点计时器之间的阻力,打点之前,应该用手在竖直方向上提住纸带,不应该用手托住重物,故D错误,B正确. (2)为了减小由于阻力带来的实验误差,应选用质量大,体积小的重物. (3)匀变速直线运动全程的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,则打下B点 规律总结 1.本实验不需要测出重物的质量,除非题目中需要求出动能和势能的具体数值. 对点演练 C 1.用自由落体运动验证机械能守恒定律就是看是否等于mghn(n为计时点的编号).下列说法不正确的是( ) A.打点计时器打第一个点O时,重物的速度为0 B.hn是计时点n到第一个点O的距离 C.m为重物的质量,需用天平称量 D.不可以用vn=gtn计算vn,其中tn=(n-1)T(T为打点周期) 探究点二 实验数据处理和误差分析 知识归纳 1.计算各点对应的瞬时速度:用毫米刻度尺测量出各计数点到第一个点“O点”的距离h1、h2、h3、…、hn,再根据公式 ,计算出各点的瞬时速度. 2.机械能守恒验证 线,则验证了机械能守恒定律;若不是从第一个点“O点”开始取计数点,则如图乙所示 斜率也是重力加速度g 典例剖析 【例题2】 某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源,其频率为40 Hz,打出纸带的一部分如图乙所示. 甲 乙 (1)已测得s1=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm,当地重力加速度大小为9.8 m/s2,重物的质量为m=1.00 kg.若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,请计算打点计时器打出B点时重物下落的速度大小为 m/s,打出C点时重物下落的速度大小为 m/s.(保留3位有效数字) (2)打点计时器打出B点到打出C点的过程中,重物增加的动能 (选填“大于”“等于”或“小于”)减少的重力势能.造成这一现象的原因是 (填下列选项的字母). A.有阻力存在 B.打点计时器打B点时的速度不为零 3.68 3.92 小于 A (3)如果此实验用于测量当地的重力加速度,且实验允许的相对误差绝对值 答案 见解析 规律总结 实验的误差来源主要是阻力的存在,因此要减小误差主要是减小阻力的影响,比如将电磁打点计时器换成电火花计时器或用光电门测量物体运动的速度等. 对点演练 2.若“验证机械能守恒”实验中所用重锤质量为1 kg,所用交流电的频率为50 Hz,打出的纸带如图所示,其中O为第一个点,A、B、C、D是依次打下的点.已知当地重力加速度为9.8 m/s2,则打下C点时,重锤的动能EkC=_ J,从开始下落至C点,重锤的重力势能减少量为 J,实验中发现重锤增加的动能 (选填“略大于”“略小于”或“等于”)重锤减少的重力势能,其主要原因是 .(保留3位有效数字) 2.53 2.60 略小于 重锤及纸带在下落时受到阻力 探究点三 实验创新 知识归纳 本实验典型创新方案: 创新角度 实验装置图 创新解读 实验 原理 的创 新 (1)利用系统机械能守恒代替单个物体的机械能守恒. (2)利用光电门测算滑块的瞬时速度 创新角度 实验装置图 创新解读 实验 器材 的创 新 (1)小球在重力作用下做自由落体运动. (2)利用频闪照片获取实验数据 (1)用光电门测定小球下落到B点的速度. (2)结合 图像验证小球下落过程中机械能守恒. (3)分析实验误差 Ep- Ek随H变化的规律 创新角度 实验装置图 创新解读 实验 过程 的创 新 (1)利用钢球摆动来验证机械能守恒定律. (2)利用光电门测定摆球的瞬时速度 典例剖析 【例题3】某实验小组利用重物下落验证机械能守恒定律. (1)下图是四位同学释放纸带瞬间的照片,操作最合理的是 . A (2)关于此实验,下列说法中正确的是 . A.打点计时器安装时,要使两限位孔的中线在同一竖直线上,以减小摩擦阻力 B.重物的质量可以不测量 C.实验中应先释放纸带,后接通电源 AB (3)实验小组的同学发现所做的重物下落实验误差较大,操作也不便,于是在老师的指导下利用如图甲所示的DIS实验装置对验证机械能守恒定律实验进行改进. ①如图乙所示,主要由光电门与轻质摆杆组成单摆绕O点转动,实验时,质量为m的光电门从M点由静止向下摆动,依次经过6个宽度为d的遮光片,光电门摆至左边海绵止动阀处被卡住不再回摆,忽略光电门的大小对实验的 影响.已知摆长为L,当摆杆与竖直方向的夹角为 ( 小于90 )时,光电门经过遮光片的时间为 t,以圆弧最低点N所在平面为参考平面,则光电门的势 能Ep= ,动能Ek= ,然后对比不同遮光片处势能和动能之和是否相等.(选用字母m、L、 、d、 t、g表示) ②实验结束后,得到了如题表所示的实验数据,其中动能变化的图像应该是 (选填“A”“B”或“C”). B mgL(1-cos ) 解析 (1)实验释放纸带时,应使重物靠近打点计时器,纸带处于竖直状态,手提着纸带上端.故选A. (3)①根据题意可知,以圆弧最低点N所在平面为参考平面,当摆杆与竖直方向的夹角为 ( 小于90 )时,光电门的势能为Ep=mgh=mgL(1-cos ),光电门 中,光电门的机械能守恒,则光电门在不同遮光片处势能和动能之和相等,则随着高度h的降低,势能减小,动能应该增加.故动能变化的图像应该是B. 规律总结 本实验创新思路 1.速度测量方法的创新 (1)由光电门测速度;(2)由频闪照片测速度;(3)由平抛运动测速度. 2.研究对象的创新 从单个物体创新为两个物体组成的系统,验证系统在某个过程机械能守恒. 对点演练 3.某小组为了验证机械能守恒定律,设计了如图甲所示的实验装置.物块P、Q用跨过定滑轮的轻绳相连,P底端固定一宽度为d的轻质遮光条,托住P,用刻度尺测出遮光条所在位置A与固定在铁架台上的光电门B之间的高度差h(d≪h).已知当地的重力加速度为g. (1)用刻度尺测量遮光条的宽度d,示数如图乙所示,其读数为d=_ cm.记下遮光条通过光电门的时间t,则遮光条通过光电门的速度大小 为 .(用题目中的字母表示) (2)下列实验步骤必要的是 . A.可以选择两个质量相等的物块进行实验 B.实验时,需要确保物体P由静止释放 C.需要测量出两物块的质量mP和mQ D.需要测量出遮光条从A到达B所用的时间T 1.50 BC 绳子与滑轮之间存在摩擦阻力 解析 (1)刻度尺的分度值为0.1 cm,需要估读到下一位,由图乙可知遮光条的宽度为d=1.50 cm,由于挡光时间很小,可认为遮光条通过光电门的速度大小等于挡光过程的平均速度,则有 物体后需要P向下加速通过光电门,Q向上加速,则需要P的质量大于Q的质量,故A错误;实验时,需要确保物体P由静止释放,保证系统初动能为零,故B正确;由表达式可知,需要测量出两物块的质量mP和mQ,不需要测量出遮光条从A到达B所用的时间T,故C正确,D错误. (4)实验发现 图像的斜率k的测量值总是小于理论值,除了空气阻力的影响外,还可能存在的原因是:绳子与滑轮之间存在摩擦阻力. 1.计算各点对应的瞬时速度:用公式vi=计算各点的瞬时速度v1、v2、v3、v4、… 2.计算各点重力势能的减少量 Ep=mghi和动能的增加量 Ek=.并比较 Ek与 Ep的值,如果在实验误差允许的范围内 Ek= Ep成立,即=mghi成立,即可验证机械能守恒定律. v= vn= (1)以第一个点为起点时,要验证的是=mghn,必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点,所以前两个点的间距为h=gt2= 10 (0.02)2 m=2 mm. (2)以下落中某点为起点时,要验证的是=mghmn,这时选择纸带不需要满足两点间距为2 mm. 时重物的速度为vB= 从打点计时器打下O点到打下B点的过程中,若机械能守恒,则有mghB= 解得8ghBT2=(hC-hA)2. 2.计算速度时不能利用vn=或vn=gtn直接计算. 解析 根据题意可知,重物动能的增加量应为 Ek=Ekn-Ek0,验证机械能守恒定律就是看Ekn=是否等于mghn,是将Ek0看成零,即打点计时器打第一个点O时,重物的速度为零,故A正确;mghn是重物重力势能的减少量,故hn为点n到第一个点O的距离,故B正确;根据题意可知,看是否等于mghn,质量可以消掉,故不需测量重物的质量,故C错误;实验中应用公式vn=来计算vn,如果用vn=gtn计算速度的话,相当于默认重物做的是自由落体运动,那重物的机械能必然守恒,实验没有意义,故D正确.本题选错误的,故选C. vn= (1)计算法:mghn=或mg h=. (2)图像法:如图甲所示,以v2为纵轴,以各计数点到第一个点的距离h为横轴,绘出v2-h图线,若在误差许可的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直 最大为3%,则此次实验是否成功?通过计算说明. 解析 (1)由交流电的频率为40 Hz,可知T=0.025 s;在打点计时器打出B点时,重物下落的速度大小为vB= m/s≈3.68 m/s,打出C点时重物下落的速度大小为vC= m/s=3.92 m/s. (2)打点计时器打出B点到打出C点的过程中,重物增加的动能 Ek=m()=0.912 J;重力势能的减少量 Ep=mgs2=1 9.8 0.095 0 J=0.931 J,则重物增加的动能小于减少的重力势能.造成这一现象的原因是有阻力存在,要克服阻力做功. (3)根据 s=gT2可解得g测量= m/s2=9.6 m/s2,则 100%= 100%=2%<3%,所以此次实验成功. 解析 打下C点时,重锤的速度vC= m/s≈2.25 m/s,重锤的动能EkC= 1 2.252 J=2.53 J;从开始下落至C点,重锤的重力势能减少量EpC=mghC=1 9.80 0.265 6 J=2.60 J;实验中发现重锤增加的动能略小于重锤减少的重力势能,其主要原因是重锤及纸带在下落时受到阻力. H- D.可以利用公式v=来求解瞬时速度 (2)打点计时器安装时,要使两限位孔的中线在同一竖直线上,以减小摩擦阻力,故A正确;机械能守恒定律实验过程中需要验证mgh=mv2是否成立,重物的质量可以消去,故重物的质量可以不测量,故B正确;实验中应先接通电源,后释放纸带,故C错误;不可以利用公式v=来求解瞬时速度,因为利用此公式可以得到mgh=mv2恒成立,不能体现实验验证,故D错误. 通过遮光片的速度为v=,则光电门的动能为Ek=mv2=,②若实验过程 (3)改变高度h,重复实验,测得各次遮光条的挡光时间t,以h为横轴、为纵轴建立平面直角坐标系,在坐标系中作出-h图像,如图丙所示,该图像的斜率 为k,在实验误差允许范围内,若k= (用题目中的字母表示),则验证了机械能守恒定律. (4)实验发现-h图像的斜率k的测量值总是小于理论值,除了空气阻力的影响外,还可能存在的原因是: . v=. (2)验证机械能守恒的表达式为(mP-mQ)gh=(mP+mQ)v2-0=(mP+mQ),释放P (3)根据机械能守恒可得(mP-mQ)gh=(mP+mQ)v2-0=(mP+mQ),可得 h,可知-h图像的斜率满足k=,则验证了机械能守恒定律. -h $