4.6 实验：验证机械能守恒定律 课件-2025-2026学年高一下学期物理教科版必修第二册

该高中物理课件围绕“验证机械能守恒定律”实验展开，通过复习自由落体、光滑斜面滑动等运动，选用自由落体运动为实验对象，搭建新旧知识联系的学习支架，系统呈现实验目的、器材、原理及操作。 其亮点在于采用公式法、图像法等多元数据处理方式，结合误差分析（阻力、测量误差）和拓展例题（光电门、斜面装置），培养学生科学探究与科学思维能力，深化能量观念，助力学生理解实验本质，教师可高效开展教学。

wù lǐ kè kāi kè le 物 理 课 开 课 了！ 醒醒 4.6 实验：验证 机械能守恒定律 复习导入 自由落体运动 沿光滑斜面滑动 小球自由摆动 平抛运动、竖直上抛、光滑竖直平面圆周运动…… 选用自由落体运动来验证机械能守恒定律 一、实验目的 验证只有 做功时，系统的机械能守恒。 重力 二、实验器材 铁架台(带铁夹)、_________________、重物(带夹子)、纸带、墨粉纸盘、 _______、__________。 电火花打点计时器 刻度尺 交流电源 三、实验原理 在重物自由下落的过程中，忽略重物受到的 和纸带受到的摩擦力，则机械能守恒。 设重物的质量为m，利用纸带可以测出重物对应于A点的速度vA，再测出重物由A点下落Δh后经过B点的速度vB。在误差允许范围内，若等式 ____________________成立，则机械能守恒定律得到验证。 空气阻力 m-m=mgΔh 问题1：本实验要不要测量物体的质量？ mgh = mv 2 1 2 gh = v 2 1 2 方程两边都有质量m，可约去，可不测量物体的质量。 如果实验要求计算重力势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。 四、实验操作 限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3~5条打好点的纸带。 2.打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的 1.安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。 甲 h = gt2= ×9.8×0.022m ≈ 2 mm 1 2 1 2 h 问题2：如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？ 用 验证 ，这是以纸带上第一点（起始点）为基准验证机械能守恒定律的方法。纸带上的第一个点为计时起点O，该点的速度应该为零。 选择开始的两点间距接近2 mm的纸带 环节 问题3：可以回避起始点吗（即处理纸带时可以不用起始点吗）? Δh A B 用 　 验证 ，我们可以选取A、B两点 四、实验操作 3.选纸带并测量：选择一条点迹清晰开始的两点间距接近2 mm的纸带，选定两个计数点，测量并计算出它们之间的距离Δh及重物在各点的速度，记录在表格中。 五、数据处理 1.计算各点对应的瞬时速度：根据公式vn= ，计算出1、2、3、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、…、vn。 2.机械能守恒定律的验证 方法一：利用起始点和第n点。 选择开始的两点间距接近2 mm的一条纸带，打的第一个点为起始点， 如果在实验误差允许范围内mghn=m，则机械能守恒定律得到验证。 问题4：能否用v=gt 或 求瞬时速度？ 1.利用v=gt求瞬时速度，因重物下落过程中受阻力影响，重物实际加速度比g小，如果用v=gt来求瞬时速度，会导致计算出的速度比实际值大，从而导致△Ek大于△EP，与事实不符； 2.利用 求瞬时速度，相当于默认机械能守恒来验证机械能守恒 计数点 A B C D E F G hn(×10-2m) vn(m/s) (m2/s2) ghn(m2/s2) 11.61 14.88 18.34 22.30 26.50 31.28 36.20 1.683 1.855 2.040 2.245 2.425 1.416 1.721 2.081 2.520 2.940 1.458 1.798 2.186 2.597 3.066 在= m成立，重物下落过程中机械能守恒。 问题5：为什么重物的重力势能减少量略大于动能的增加量？ 如何减小它们之间的误差？ 1.重物下落过程中阻力做功。 系统误差 阻力来源： （1）重物下落过程中受空气阻力； （2）纸带与打点计时器之间存在摩擦阻力。 2.减小误差的措施： （1）减小重物下落时受到的空气阻力（选择体积小、密度大的重物）； （2）安装打点计时器时保证两个限位孔竖直； （3）用电火花计时器代替电磁打点计时器； （4）释放纸带时，保证纸带竖直。 问题6：实验中是否存在其他误差？若存在如何减小误差？ 测量纸带长度时存在误差 减小误差的措施： （1）多次测量取平均值； （2）依次测量后面的点与第一点之间的距离。 偶然误差 h h2 h1 O A B C 五、数据处理 方法二：任取两点A、B。 如果在实验误差允许范围内 ，则机械能守恒定律得到验证。 mghAB=m-m 计数点 A B C D E F G hn(×10-2m) 11.61 14.88 18.34 22.30 26.50 31.28 36.20 vn(m/s) 1.683 1.855 2.040 2.245 2.425 (m2/s2) 1.416 1.721 2.081 2.520 2.940 ghn(m2/s2) 1.458 1.798 2.186 2.597 3.066 五、数据处理 方法三：图像法 若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证。 计数点 B C D E F hn(×10-2m) 14.88 18.34 22.30 26.50 31.28 (m2/s2) 1.416 1.721 2.081 2.520 2.940 (m2/s2) /m 0.1 0.2 0.3 1.0 2.0 3.0 k = 9.4 g = 9.8 m/s2 斜率略小于g 六、误差分析 本实验的误差主要是 测量纸带产生的偶然误差； 重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。 七、注意事项 1.打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一 线上，以减小摩擦阻力。 2.应选用质量和密度较 的重物。 3.实验时，应先 ，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。 4.本实验中的几种验证方法均 (填“需要”或“不需要”)测重物的质量m。 5.速度不能用v=gt或v=计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn=计算瞬时速度。 竖直 接通电源 大 不需要 例1.某物理兴趣小组利用如图甲所示装置验证机械能守恒定律，该小组同学让重物带动纸带从静止开始自由下落，按正确操作得到了一条完整的纸带如图乙所示。 (1)下列关于该实验说法正确的是　 。  A.实验时重物可以用木质小球替代 B.打点计时器工作时的电压应选择直流6~8 V C.安装实验器材时，必须使打点计时器的两个限位孔 在同一竖直线上 D.实验时应先手掌托住重物使其紧靠打点 计时器，待接通电源后，再释放重物 C (3)实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是　　。  A.重物的质量过大 B.重物的体积过小 C.电源的电压偏低 D.重物及纸带在下落时受到阻力 (2)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，打点计时器的打点周期为T。设重物质量为m。从打O点到B点的过程中，重物的重力势能变化 量ΔEp=　　　，动能变化量ΔEk=　　　　　。(用已知字母表示)  mghB D 例2.现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”。图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的数字计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的数字计时器显示的挡光时间分别为5.00×10-2 s、2.00×10-2 s。已知滑块质量为2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm，光电门1和2之间的距离为0.54 m，g取9.80 m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度(结果均保留三位有效数字)。 (1)滑块通过光电门1时的速度v1=　　　 m/s， 通过光电门2时的速度v2=　　　 m/s。 1.00 2.50 (2)滑块通过光电门1、2过程的动能增加量为　　　 J，重力势能的减少量为　　　 J。  5.25 5.29 (3)实验可以得出的结论：________________________________________ 。 在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒 (2)动能的增加量ΔEk增=m-m=5.25 J 重力势能的减少量ΔEp减=mgxsin 30°≈5.29 J。 例3.用如图甲所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带通过打点计时器，打出一系列的点。对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。如图乙所示是实验中获取的一条纸带；0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离已标注，打点计时器所接电源频率为50 Hz。已知m1=50 g，m2=150 g(计算结果均保留两位有效数字)。 (1)在纸带上打下计数点5时的速度v5=　　　 m/s。  2.4 (2)在打下第“0”点到打下第“5”点的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。在误差允许的范围内，系统机械能守恒(当地的重力加速度g取10 m/s2)。  0.58 0.60 (3)若某同学作出v2-h图像如图丙所示，则当地的重力加速度g=　　　 m/s2。 9.7 环节七：课堂小结 实验：验证机械能守恒定律 实验思路 要验证表达式： m-m=mgh1-mgh2 所测量物理量：高度差、运动速度 实验器材 实验步骤 数据分析 误差分析 公式法 图像法 实验方案 自由下落物体的机械能 课时对点练 1.(2025·南充市高一期中)某同学利用如图甲所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。 (1)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、打点计时器、 导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是 　 　； A.交流电源 B.刻度尺 C.秒表 D.天平(含砝码) AB (2)图乙是该同学在某次实验中得到的一条纸带，O是重物开始下落时打出的点，A、B、C是按照打点先后顺序选取的三个计数点，通过测量得到O、A间距离为h1，O、B间距离为h2，O、C间距离为h3。已知计数点A、B间和B、C间的时间间隔均为T，重物质量为m，从重物开始下落到打点 计时器打B点的过程中，重物动能的增加量为　　　　　； (3)该同学在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离为h，计算对应计数点的重物速度为v，得到如图丙所示的v2-h图像，由图像可求出当地的重力加速度g=　　　 m/s2。 9.70 2.(2024·重庆市高一期末)某同学用如图甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”，实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为6 V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50 Hz。重锤从高处由静止开始下落，电磁打点计时器在纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律。 (1)他进行了下面几个操作步骤： A.按照图示的装置安装器材； B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上； C.用天平测出重锤的质量； D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带； E.测量纸带上某些点间的距离； F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能 其中没有必要进行的步骤是　　　，操作不当的步骤是 　　　。(均填步骤前的选项字母)  C B (2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计时点，根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重锤的速度为　　 m/s，若重锤的质量为1.0 kg，从O点下落到B点的过程中重力势能的减少量为　 　 J，从O点下落到B点的过程中动能增加量为　　 J(g取9.8 m/s2，计算结果均保留3位有效数字)。 1.84 1.74 1.69 (3)若通过计算发现，重锤动能的增加量ΔEk大于重力势能减少量ΔEp，则原因可能是下列选项的　　。 A.重锤受到空气阻力的影响 B.打点计时器的电压较低 C.纸带和打点计时器间存在摩擦 D.实验时先释放纸带再接通电源 D 3.(2023·天津卷)如图放置实验器材，连接小车与托盘的绳子与桌面平行，遮光片与小车位于气垫导轨上，气垫导轨没有画出(视为无摩擦力)，重力加速度为g。接通电源，释放托盘与砝码，并测得： a.遮光片长度d b.遮光片到光电门长度l c.遮光片通过光电门时间Δt d.托盘与砝码质量m1，小车与遮光片质量m2 (1)小车通过光电门时的速度为　　； (2)从释放到小车经过光电门，这一过程中，系统重力势能减少量为　　 ， 动能增加量为　　 　　 ； m1gl (m1+m2)()2 (3)改变l，做多组实验，作出以l为横坐标，以()2为纵坐 标的图像。若机械能守恒成立，则图像斜率为　　　　。 4.(2024·重庆市江北区高一期中)某实验小组用如图所示装置验证机械能守恒定律。光电门1、光电门2固定在铁架台上，两光电门分别与数字计时器连接。实验前先测量小球的直径d，两个光电门的高度差h，查出当地的重力加速度为g。 (1)关于实验，下列说法正确的是　　； A.天平和刻度尺是实验中必须使用的仪器 B.两光电门要在同一竖直线上 C.小球的密度不影响实验结果 B (2)让小球从光电门1正上方某位置由静止释放，小球通过光电门1和光电门2时，小球的挡光时间分别为t1、t2， 则小球通过光电门1时的速度大小为v1=　　(用所给物理量的符号表示)； (3)改变小球在光电门1上方释放的位置，重复实验多次，测 得多组通过光电门1和光电门2的挡光时间t1、t2，作 - 图像，如果图像的斜率为　　　，图线在纵轴的截距为 　　　(用题目中相关物理量符号表示)，则机械能守恒定律得到验证。 1 5.(2022·湖北卷)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值Tmin。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的 Tmax-Tmin图像是一条直线，如图乙所示。 (1)若小钢球摆动过程中机械能守恒，则图 乙中直线斜率的理论值为　　。 -2 (2)由图乙得：直线的斜率为　　　　，小钢球的重力为　　　　 N。(结果均保留2位有效数字)  -2.1 0.59 (3)该实验系统误差的主要来源是　　(单选，填正确答案标号)。 A.小钢球摆动角度偏大 B.小钢球初始释放位置不同 C.小钢球摆动过程中有空气阻力 C $