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必修第二册

该高中物理课件聚焦“验证机械能守恒定律”实验，涵盖实验原理、器材、步骤及数据处理，帮助学生理解动能与势能转化规律，搭建从理论认知到实验操作的学习支架。 其特色在于融合科学探究与科学思维，通过多方法数据处理（如图像法验证v²/2-h图像斜率为g）、误差分析及高考真题实例，培养学生实验操作与数据分析能力。学生能提升科学探究素养，教师可借助系统实验方案优化教学效果。

第六节　验证 机械能守恒定律 [学习目标]　 1.结合验证机械能守恒定律的实验,理解机械能守恒定律,体会守恒观念对认识物理规律的重要性.2.理解实验设计思路,能规范地进行实验操作,通过实验收集的数据分析得出结论,实现对科学探究能力的培养.3.体会实验设计中的实验原理分析、实验数据处理过程,培养科学思维;通过实验探究,培养实事求是的态度. 一、实验目的 利用重物的自由下落验证机械能守恒定律. 二、实验原理 在只有重力做功的情况下,物体的动能和势能互相转化,但总的机械能保持不变,即可通过求做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量是否相等来判断机械能是否守恒,若相等,则可验证机械能守恒定律. 三、实验器材 铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、刻度尺、重物、纸带、电源等. 四、实验步骤 1.安装置:将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. 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:选择一条点迹清晰的纸带,将某一清晰的点记为0,与0点相隔一段距离以后的各点依次记为1,2,3,…,如图. 4.测距离:用刻度尺测出0点到1,2,3,…的距离,即为对应下落的高度h1,h2,h3,…. 五、数据处理 六、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.由于交流电源的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差. 七、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,以减小摩擦阻力. 2.重物密度要大:选用质量和密度较大的重物,增大其重力可使阻力的影响相对减小,增大其密度可以减小体积,可使空气阻力减小. [例1] (实验原理与探究过程)某班同学分成两组来进行“验证机械能守恒定律”的实验.甲组同学采用让重锤自由下落的方法验证机械能守恒,实验装置如图甲所示. 试回答以下问题. (1)实验过程中他们进行了如下操作,其中操作不当的步骤是　　　　　.  A.将打点计时器竖直固定在铁架台上 B.先释放纸带,后接通电源 C.在纸带上选取适当的数据点,并测量数据点间的距离 D.根据测量结果分别计算重锤下落过程中减少的重力势能及增加的动能 B 【解析】 (1)将打点计时器竖直固定在铁架台上,选项A正确,不符合题意;先接通电源,后释放纸带,选项B错误,符合题意;在纸带上选取适当的数据点,并测量数据点间的距离,选项C正确,不符合题意;根据测量结果分别计算重锤下落过程中减少的重力势能及增加的动能进行比较来验证机械能是否守恒,选项D正确,不符合题意. (2)在实验中,质量为m的重锤自由下落,带动纸带,纸带上打出的一系列点如图乙所示,O是重锤刚下落时打下的点.已知打点计时器打点的频率为f,则从打点计时器打下O点到打下B点的过程中,若在实验误差允许的范围内满足等式　　　　　　　　,则机械能守恒定律得到验证.  8gh2=(h3-h1)f2 [例2] (数据处理与误差分析)(2025·河南卷,12)实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律.可选用的器材有:交流电源(频率50 Hz)、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等. (1)下列所给实验步骤中,有4个是完成实验必需且正确的,把它们选择出来并按实验顺序排列:　　　　　　(填步骤前面的序号).  ①先接通电源,打点计时器开始打点,然后再释放纸带 ②先释放纸带,然后再接通电源,打点计时器开始打点 ③用电子天平称量重锤的质量 ④将纸带下端固定在重锤上,穿过打点计时器的限位孔,用手捏住纸带上端 ⑤在纸带上选取一段,用刻度尺测量该段内各点到起点的距离,记录分析数据 ⑥关闭电源,取下纸带 ④①⑥⑤ (2)图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离.则打出B点时重锤下落的速度大小为　　　　 m/s(保留3位有效数字).  1.79 (3)纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h,计算相应的重锤下落速度v,并绘制图3所示的v2-h关系图像.理论上,若机械能守恒,图中直线应 　　　　　(选填“通过”或“不通过”)原点且斜率为　　　　(用重力加速度大小g表示).由图3得直线的斜率k=　　　　(保留3位有效数字).  通过 2g 19.0 3.1 [例3] (实验拓展创新)某同学设计了如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律.铁架台上固定有带格子的圆弧形背板及拉力传感器,将质量为m的小球 (可视为质点)用不可伸长且长度为L的轻绳悬挂在传感器上. (1)请将下列实验步骤按正确顺序排序　　　　.  ①当小球静止在最低点O′时,记录此时拉力传感器的示数F0. ②改变小球与O′的高度差,重复实验. ③保持绳子拉直,将小球拉至与O′高度差为h(h≤L)处,释放小球,记录小球下摆过程中拉力传感器的最大示数F. ①③② 【解析】 (1)正确实验步骤为:当小球静止在最低点O′时,记录此时拉力传感器的示数F0;保持绳子拉直,将小球拉至与O′高度差为h(h≤L)处,释放小球,记录小球下摆过程中拉力传感器的最大示数F;改变小球与O′的高度差,重复实验,故正确排序为①③②. (2)实验过程中获取的数据F0　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)小球重力.  等于 【解析】 (2)小球自由静止在最低点O′时,小球所受拉力与重力二力平衡,有F0=mg. (3)若传感器最大示数F满足F=　　　　(用F0、L、h表示)时,则可验证小球从初始位置摆至O′点的过程中机械能守恒定律成立.  (4)该同学采用图像法处理数据.多次实验得出多组F和h的数据,在坐标纸上描点连线作出F-h图像如图乙所示,理论上图中的a和b数值满足 a=　 　b (填上合适的数字)关系时,可验证小球下摆过程中机械能守恒定律成立.  3 感谢观看 1.计算各点对应的瞬时速度:根据公式vi=,计算出2,3,4,…,i点的瞬时速度v2,v3,v4,…,vi. 2.验证机械能守恒定律 方法一:利用起始点和第i点. 如果在实验误差允许的范围内ghi=,则可验证机械能守恒定律. 方法二:任取两点A、B. 如果在实验误差允许的范围内ghAB=-,则可验证机械能守恒定律. 方法三:图像法. 根据实验数据绘出v2-h图像,若在实验误差允许的范围内图像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. 3.一先一后: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. 【解析】 (2)打B点时的速度vB==,则要验证的关系是mgh2= m,即若在实验误差允许的范围内满足等式8gh2=(h3-h1)2f2,则机械能守恒定律得到验证. 【解析】 (1)将纸带下端固定在重锤上,穿过打点计时器的限位孔,用手捏住纸带上端,先接通电源,打点计时器开始打点,然后再释放纸带,关闭电源,取下纸带,在纸带上选取一段,用刻度尺测量该段内各点到起点的距离,记录分析数据,根据原理mgh=mv2可知质量可以约掉,不需要用电子天平称量重锤的质量.故选择正确且排序为④①⑥⑤. 【解析】 (2)根据题意可知纸带上相邻计数点间的时间间隔T==0.02 s,根据匀变速直线运动中,某一段时间内中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度可得vB=,代入数据可得vB≈1.79 m/s. 【解析】 (3)根据mgh=mv2,整理可得v2=2g·h,可知理论上,若机械能守恒,题图3中直线应通过原点,且斜率 k=2g.由题图3得直线的斜率k=≈ 19.0. (4)定义单次测量的相对误差η=||×100%,其中Ep是重锤重力势能的减小量,Ek是其动能增加量,则实验相对误差为η=　　　　×100%(用字母k和g表示);当地重力加速度大小取g=9.80 m/s2,则η=　　　　 %(保留2位有效数字),若η<5%,可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒.  【解析】 (4)根据题意有η=×100%,可得η=×100%,当地重力加速度大小取g=9.80 m/s2,代入数据可得η≈3.1%. F0 【解析】 (3)若小球从初始位置摆至O′点的过程中机械能守恒,有mv2=mgh,小球摆至O′点时细线拉力最大,由牛顿第二定律可得F-mg=m,联立解得F=F0,故传感器最大示数F满足此式时,可验证小球从初始位置摆至O′点的过程中机械能守恒定律成立. 【解析】 (4)由(3)问整理得F=h+F0,F-h图像的斜率k==,解得a-b= 2F0,F-h图像的纵截距b=F0,联立解得a=3b,故理论上a、b数值满足a=3b关系时,可验证小球下摆过程中机械能守恒定律成立. $