实验7 验证机械能守恒定律 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦“验证机械能守恒定律”实验专题，依据高考评价体系梳理了实验原理、数据处理、误差分析及操作规范等核心考点，通过2025浙江、江苏选考真题分析，明确了速度计算（占比30%）、误差分析（占比25%）等高频考查维度，归纳出操作排序、图像验证等常考题型。 课件亮点在于“真题精析+素养导向”的备考设计，如以浙江卷速度计算（v=(x_{n+1}-x_{n-1})/2T）和江苏卷误差分析为实例，强化科学思维中的科学推理与数据处理能力，通过“误区警示”（禁用v=√(2gh)）和“图像法验证”（v²-h图像斜率分析）指导应试技巧，助力学生掌握得分关键，为教师提供精准复习教学方案。

实验7 验证机械能守恒定律 要点梳理 一、实验要点 二、注意事项 1.打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。 2.重物密度要大:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 3.操作顺序:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。 4.测长度,算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=,不能用vn=或vn=gt来计算。 5.误差分析:由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功,故动能的增加量ΔEk=必定稍小于重力势能的减少量ΔEp=mghn,改进办法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。 方法指导 一、实验原理与实验操作 本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律,测出物体下落的高度及初、末位置的速度是实验的关键,操作上注意三点: (1)重物要靠近打点计时器。 (2)纸带要保持竖直。 (3)先接通电源再放开纸带。 典例　(2025浙江6月选考)在“验证机械能守恒定律”的实验中。 (1)下列操作正确的是　　　　。  B (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。(保留三位有效数字)  3.34 (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”过程中,重锤的重力势能减小值为5.09m(m为重锤质量),另计算得动能增加值为5.08m,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 不能 B 解析 (1)为了避免松弛状态的纸带与打点计时器之间产生摩擦,需要在纸带末端拉直纸带,选项B正确,选项A、C错误。 (2)v13= m/s=3.34 m/s。 (3)设阻力为Ff,根据牛顿第二定律可得重锤的加速度为a=,根据动能定理有W合=mah=ΔEk,若用纸带数据求出的加速度值作为g值,则有g'=a,这样计算出的重锤的重力势能的减小量始终等于动能增加量,因此不能验证机械能守恒,应当使用当地的重力加速度来计算重锤的重力势能减少量。 二、数据处理与误差分析 1.速度计算 计算速度必须用v=,要注意两个误区: (1)本实验要验证机械能守恒定律,不能用该定律的推导式v=求速度。 (2)要用实验数据求速度,不能用理论推导式v=gt求速度。 2.处理实验数据的方法有图像法和计算法 (1)本实验可以采用图像法验证机械能守恒。通过图像验证机械能是否守恒,要根据机械能守恒定律写出图像对应的函数表达式,弄清图像斜率的物理意义,如v2-h图像、v2-2h图像,根据图像计算出重力加速度,计算结果与当地重力加速度比较,根据二者是否在误差允许的范围内相等判断机械能是否守恒。 (2)本实验也可以利用计算法验证机械能守恒。计算法需要知道当地的重力加速度,通过计算重力势能的减少量与动能的增加量是否相等验证机械能守恒。 典例　(2025江苏卷)小明同学探究机械能守恒定律,实验装置如图1所示。实验时,将小钢球在斜槽上某位置A由静止释放,钢球沿斜槽通过末端O处的光电门,光电门记录下钢球的遮光时间t。用游标卡尺测出钢球的直径d,由v=得出其通过光电门的速度v,再计算出动能增加量ΔEk=mv2。用刻度尺测得钢球下降的高度h,计算出重力势能减少量ΔEp。 图1 (1)安装实验装置的操作有: ①在斜槽末端安装光电门 ②调节斜槽在竖直平面内 ③调节斜槽末端水平 ④将斜槽安装到底座上 其合理的顺序是　　。(选填“A”“B”或“C”)  A.①②③④ B.④②③① C.④①②③ (2)测量钢球直径的正确操作是图2中　　(选填“甲”或“乙”)所示的方式。  图2 B　 甲 (3)在斜槽上5个不同的位置由静止释放钢球。测量得出的实验数据见表1。已知钢球的质量m=0.02 kg,重力加速度g取9.80 m/s2。请将表1的数据补充完整。 表1 h/(10-2 m) 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 ΔEk/(10-3 J) 4.90 6.25 7.45 8.78 10.0 ΔEp/(10-3 J) 7.84 9.80 11.76 13.72 　　   15.68　 (4)实验数据表明,ΔEk明显小于ΔEp,钢球在下降过程中发生机械能的损失。小明认为,机械能的损失主要是由钢球受到的摩擦力做功造成的。 为验证此猜想,小明另取一个完全相同的斜槽按图3平滑对接。若钢球从左侧斜槽上A点由静止释放,运动到右侧斜槽上,最高能到达B点,A、B两点高度差为H,则该过程中,摩擦力做功大小的理论值W理=　　　　。(用m、g、H表示)  图3 mgH　 (5)用图3的装置,按表1中所列部分高度h进行实验,测得摩擦力做功大小W测。由于观察到H值较小,小明认为,AO过程摩擦力做功近似等于AB 过程的一半,即Wf=。然后通过表1的实验数据,计算出AO过程损失的机械能ΔE=ΔEp-ΔEk。整理相关数据,见表2。 表2 h/(10-2 m) 4.00 5.00 6.00 7.00 ΔE/(10-3 J) 2.94 3.65 4.31 4.94 Wf/(10-3 J) 0.98 1.08 1.18 1.27 表2中ΔE与Wf相差明显。小明认为这是由于用近似计算Wf不合理。你是否同意他的观点?请根据表2数据简要说明理由。 不同意,因为AB段整个过程摩擦力做功大小仍然明显小于AO段机械能ΔE的减少量。 解析 (1)安装实验装置顺序:先将斜槽安装到底座上,再调节斜槽在竖直平面内,接着调节斜槽末端水平,最后在斜槽末端安装光电门,合理的顺序为④②③①,故B正确。 (2)测量钢球直径时,应使用游标卡尺的外测量爪卡住钢球,图甲所示的操作方式正确。 (3)根据ΔEp=mgh,代入数据得ΔEp=15.68×10-3 J。 (4)钢球从A点到B点,由动能定理得mgH-W理=0,得W理=mgH。 (5)不同意,因为AB段整个过程摩擦力做功大小仍然明显小于AO段机械能ΔE的减少量。 三、实验的改进与创新 在浙江选考实验中往往以课本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥教材,体现开放性、探究性、创新性等特点,如以下拓展创新角度。 创新角度 实验装置图 创新解读 实验 原理 的创新   1.利用机械能守恒定律确定弹簧弹性势能。 2.由平抛运动测量球的初速度。 3.利用平抛位移—弹簧压缩量图线处理数据   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 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竖直上抛运动。 2.利用频闪照片获取实验数据 创新角度 实验装置图 创新解读 实验 过程 的创新   1.用光电门测定小球下落到B点的速度。 2.结合-H图线判断小球下落过程中机械能守恒。 3.分析实验误差ΔEp-ΔEk随H变化的规律   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 典例　一位同学利用数字计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验,如图甲所示。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间的距离为H(H≫d),数字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: (1)如图乙所示,用20分度的游标卡尺测得小球的直径d=　　　　 mm。  (2)小球经过光电门B时的速度表达式为v=　　　　。  (3)多次改变高度H,重复上述实验,作出随H的变化图像如图丙所示,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。  (4)实验中发现动能增加量ΔEk总是稍　　　　(选填“大于”或“小于”)重力势能减少量ΔEp,增大下落高度后,则ΔEp-ΔEk将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。  7.15 (或d2=2gH0) 小于 增大 解析 (1)小球的直径d=7 mm+3×0.05 mm=7.15 mm。 (2)小球经过光电门B时的瞬时速度近似等于t时间内的平均速度,即v=。 (3)根据机械能守恒定律有mgH=mv2,解得,根据题图丙可知,若小球下落过程中机械能守恒,则图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d应满足的表达式为。 (4)由于空气阻力的作用,使得动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp;根据功能关系可知ΔEp-ΔEk=FfH,所以H增大后,ΔEp-ΔEk将增大。 $