9第8章 第5节 实验：验证机械能守恒定律-【优学精讲】2025-2026学年高中物理必修第二册教用课件(人教版)

该高中物理课件聚焦“验证机械能守恒定律”实验，从自由下落和斜面下滑两种实验思路切入，衔接机械能守恒条件，通过打点计时器、光电门测量及计算法、图像法数据分析，构建完整实验学习支架，帮助学生掌握实验原理与操作。 其亮点在于实验方案多元（含打点计时器与气垫导轨）和题型创新（如连接体、单光电门实验），结合科学探究（方案设计、误差分析）与科学思维（图像推理、数据处理），培养能量观念。典例中“拆掉光电门1的图像分析”等实例，提升学生探究能力，教师可借助系统资料高效教学。

第5节　实验：验证机械能守恒定律 1 课前知识梳理 1 典例分类讲解 2 内 容 索 引 随堂巩固落实 3 课前知识梳理 PART 01 第一部分 3 一、实验思路 1．实验目的 (1)掌握验证机械能守恒定律的方法。 (2)会用计算法和图像法处理实验数据。 返回导航 2．实验思路 情形1：自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。 情形2：物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直，对物体不做功，也满足机械能守恒的条件。 返回导航 返回导航 返回导航 返回导航 四、实验方案 方案一　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)。 返回导航 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。 返回导航 (2)进行实验 ①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。 ②更换纸带重复做3～5次实验。 返回导航 返回导航 返回导航 返回导航 4．误差分析 (1)偶然误差：在进行长度测量时，测量及读数不准确造成误差。 (2)系统误差：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。 返回导航 方案二　研究沿斜面下滑物体的机械能 利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。 实验装置如图所示。 返回导航 返回导航 返回导航 典例分类讲解 PART 02 第二部分 19 题型一　研究自由下落物体的机械能 　 (2025·广西玉林市期中)某同学用如图甲所示的实验装置做“验证机械能守恒定律”的实验。实验时让质量m＝0.5 kg的重物从高处由静止开始下落，重物上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，如图乙为实验时打出的一条纸带，选取纸带上连续打出三个点A、B、C，测出各点距起点P的距离，重力加速度g取9.8 m/s2，请回答下列问题： 返回导航 (1)下列操作或分析中正确的有________。 A．必须要称出重物的质量 B．计时器两限位孔必须在同一竖直线上 C．实验时，应先释放重物，再打开电源 D．用秒表测重物下落的时间 B　 返回导航 返回导航 (2)打下计数点B时重物的速度大小为______m/s。 0.98 返回导航 (3)重物从P到B减小的重力势能为________J，增加的动能为________J(计算结果保留3位小数)。 0.245 0.240 返回导航 C 返回导航 题型二　研究连接体的机械能 　(2025·河北保定市期末)如图所示的是一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。 返回导航   主要实验步骤如下： A．将气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平； B．测出遮光条的宽度d； C．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离l； D．释放滑块，读出遮光条通过光电门的挡光时间t； E．用天平称出托盘和砝码的总质量m； F．…… 返回导航 已知重力加速度为g，回答下列问题： (1)为验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量是__________________________。 [解析]　托盘、砝码以及滑块和遮光条组成的系统机械能守恒，所以还需要测量滑块和遮光条的总质量M。 滑块和遮光条的总质量M 返回导航 (2)若以上测得的物理量满足关系式________________(用测得的物理量符号表示)，则可以得出机械能守恒的结论。 返回导航 　用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，物块2从高处由静止开始下落，物块1上拖着的纸带打出了一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带，其中0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个计时点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示。已知物块1、2的质量分别为m1＝50 g、m2＝150 g。(电源频率为50 Hz，结果均保留2位有效数字) 返回导航 (1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝______m/s。 2.4 返回导航 (2)在打点0～5过程中，系统动能的增加量ΔEk＝______J，系统重力势能的减少量ΔEp＝________J。(g取10 m/s2) 0.58　 0.60 返回导航 9.7 返回导航 题型三　教材实验创新 　 (2025·江苏无锡市期中)某同学设计出如图所示的实验装置来验证机械能守恒定律。让小球自由下落，下落过程中小球的球心经过光电门1和光电门2。小球直径为d，光电计时器记录下小球通过光电门的时间Δt1、Δt2，已知当地的重力加速度为g。 返回导航 (1)为了验证机械能守恒定律，该实验还需要测量下列哪些物理量____(填选项序号)。　 A．小球的质量m B．光电门1和光电门2之间的距离h C．小球从光电门1到光电门2下落的时间t B 返回导航 返回导航 (2)小球通过光电门1时的瞬时速度v1＝__________(用题中所给的物理量 符号表示)。 返回导航 (3)若满足表达式________________(用题中所给的物理量符号表示)，就可以验证小球下落过程中机械能守恒。 返回导航 (4)小明和小凯实验前发现光电门1损坏，就拆掉光电门1，用其余器材做实验，他们上下调节光电门2，记录多组实验数据，利用记录的数据作出图像，根据图像判断机械能守恒是否成立。 ①除光电门记录Δt以外，他们还补充测量了一个物理量X，X应该代表________________________。 释放点到光电门2的高度 返回导航 返回导航 随堂巩固落实 PART 03 第三部分 41 1．(2024·6月浙江选考，T16­-Ⅰ)在“验证机械能守恒定律”的实验中： (1)下列操作正确的是________。 A 解析：为了减小阻力对实验的影响，且获得最多的数据，故选A。 返回导航 (2)实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图所示。已知打点的频率为50 Hz，则打点“13”时，重锤下落的速度大小为________m/s(保留3位有效数字)。 3.34 返回导航 (3)某同学用纸带的数据求出重力加速度g＝9.77 m/s2，并用此g值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力势能减小值为5.09m，另计算得动能增加值为5.08m(m为重锤质量)，则该结果________(选填“能”或“不能”)验证机械能守恒，理由是________。 A．在误差允许范围内 B．没有用当地的重力加速度g 解析：计算重力势能时应用当地的重力加速度计算，故不能验证机械能守恒定律，故选B。 不能　 B 返回导航 2．(2025·江苏淮安市期中)为验证机械能守恒定律，某小组同学设计的实验装置如图所示，细线的一端拴一个金属小球，另一端连在天花板O处。先用水平作用力将小球从最低点A处缓慢拉至B点，然后由静止释放，B、A的竖直高度差为h，记录小球通过A处光电门的遮光时间为t，金属小球的直径为d(d≪h)，整个过程中细线都处于绷直状态，已知当地重力加速度为g。 返回导航 (1)为了验证机械能守恒定律，下列必须使用的器材是________。(填正确答案前的字母标号) A．秒表　　B．刻度尺　　C．天平(含砝码) 解析：光电门具有计时功能，故不需要秒表；实验需使用刻度尺测量B、A的竖直高度差h；验证机械能守恒的表达式中，小球的质量可以约去，故不需要使用天平(含砝码)。 B　 返回导航 (2)若小球质量为m，小球从B点至A点过程中，重力势能减少量为________。 解析：小球从B点至A点过程中，重力势能减少量ΔEp＝mgh。 mgh (3)小球通过最低点的速度大小为________。 返回导航 (4)小球从静止释放到最低点的过程中，满足机械能守恒的关系式为________(用d、g、h、t表示)。 返回导航 (5)实验时应选用密度稍大的重物，这样做能减小误差的主要原因是____________________________________。 解析：实验时应选用密度稍大的重物，这样做能减小误差的主要原因是减小空气阻力对实验的影响。 减小空气阻力对实验的影响 返回导航 二、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＝或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＝。 三、数据分析 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＋mgh1① 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－mgh2② 若在误差允许范围内，等式①(或②)成立，即可验证机械能守恒。 (3)选取纸带(分两种情况) ①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知，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) ②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 (1)任取两点A、B，测出hAB，计算出mghAB。 (2)计算出mv－mv的值。 (3)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v2－h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，则可验证机械能守恒定律。 (1)先非常仔细地把气垫导轨调成水平，然后用垫块把导轨的一端垫高h1。 质量为m的滑块上面装有宽为l的挡光片，让它由导轨上端任一处滑下，测出它通过光电门G1和G2时的时间Δt1和Δt2，就可算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量ΔEk＝m。　 (2)由图可知＝，由已知的L值和所取的h1、s值可算出Δh值，然后可以求出滑块由G1到G2这段过程中重力势能的减少量ΔEp＝mgΔh。 (3)由实验结果可看出，在误差允许的范围内ΔEp＝ΔEk，从而验证了机械能守恒定律。 [解析]　因为我们是比较mgh、mv2的大小关系，m可约去，不需要测量重物的质量，故A错误；为了减小纸带与限位孔之间的摩擦力，两限位孔必须在同一竖直线，故B正确；实验时，为了尽量多的利用纸带的有效长度，应先打开电源，再释放重物，故C错误；打点计时器本身就是计时仪器，不需用秒表测重物下落的时间，故D错误。 [解析]　B点的瞬时速度vB＝，带入数值计算得vB＝＝＝0.98 m/s。 [解析]　从开始下落到B点的过程中，重力势能的减小量ΔEp＝mgΔh，带入数值，计算得ΔEp＝0.5×9.8×(5.01×10-2) J≈0.245 J。 重物到B点时增加的动能Ek＝mv，又vB＝0.98 m/s，带入数值得Ek＝×0.5×0.982 J≈0.240 J。　 (4)根据纸带计算出相关各点的速度v，用刻度尺量出下落的距离h，以为纵轴，以h为横轴做出的图像应该是图中的________。 [解析]　由机械能守恒有mgh＝mv2，即＝gh，则－h图像为过原点的直线。 (M＋m)＝mgl [解析]　根据系统机械能守恒，动能的增量等于势能的减少量，则可得(M＋m)v2＝mgl，又v＝，联立可得(M＋m)＝mgl。 [解析]　每相邻两计数点间还有4个计时点，相邻计数点的时间间隔T＝5×0.02 s＝0.1 s，根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，可知打点5时的速度v5＝＝×10-2 m/s＝ 2.4 m/s。 [解析]　在打点0～5过程中，系统动能的增量ΔEk＝(m1＋m2)v＝×(50＋150)×10-3×2.42 J≈0.58 J，系统重力势能的减少量等于重力做功，故ΔEp＝(m2－m1)gh5＝(150－50)×10-3×10×(38.40＋21.60)×10-2 J＝0.60 J。 (3)若某同学作出的v2－h图像如图丙所示，则当地的实际重力加速度g＝________ m/s2。 [解析]　根据机械能守恒定律得(m1＋m2)v2＝(m2－m1)gh，则有v2＝gh，图像的斜率大小k＝g＝ m/s2＝4.85 m/s2，解得g＝9.7 m/s2。 [解析]　小球经过光电门1和光电门2的速度可表示为v1＝，v2＝，小球从光电门1运动到光电门2的过程，根据机械能守恒定律可得mgh＝ mv－mv，联立可得2gh＝－，由上可知，还需要知道光电门1和光电门2之间的距离h。 [解析]　小球经过光电门1的速度可表示为v1＝。 2gh＝－ [解析]　由(1)分析可知，若满足表达式2gh＝－，就可以验证小球下落过程中机械能守恒。 －X ②最能直观地判断出结论的是__________(选填“－X”“－X”“Δt－X”或“(Δt)2－X”)图像。 ③若该图像满足斜率k ＝ __________(用题中所给的物理量符号表示)，可以证明小球下落过程中机械能守恒。 [解析]　①由题意知，拆掉光电门1，上下调节光电门2，即改变光电门2与释放点的高度，设为H，释放点的初速度为零，根据机械能守恒则有mgH＝mv2，又v＝，可得2gH＝，由此可知X应该代表释放点到光电门2的高度。 ②用X代替H，则有2gX＝，变形得＝X，可知最能直观地判断出结论的是－X。 ③根据＝X，可得该图像斜率k＝，即可以证明小球下落过程中机械能守恒。 解析：由f＝知T＝0.02 s，则打点“13”时重锤的速度v13＝＝ m/s＝3.34 m/s。 解析：根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度，小球通过最低点的速度大小v＝。 gh＝ 解析：小球从静止释放到最低点的过程中，若小球机械能守恒，则有mgh＝mv2，整理得gh＝。 $