实验7 验证机械能守恒定律-【优学精研】2027年高考物理一轮总复习学用Word（提升版）

该高中物理高考复习学案系统梳理了“验证机械能守恒定律”实验专题，涵盖实验原理、操作规范、数据处理（起始点计算、任取两点计算、图像法）、误差分析及创新拓展（器材、运动形式、研究对象），通过问题链和任务单引导学生自主构建从基础到创新的知识网络，体现考点梳理的系统性和层次性。 亮点在于诊断性自测与分层训练设计，如开篇设置实验器材选择、操作正误判断等诊断题，搭配教材原型实验（2025河南高考题）和创新拓展实验（光电门、连接体）的真题演练，培养科学探究和科学思维素养。每个模块配有数据处理反思表，帮助学生自主诊断薄弱环节，教师可依据学情精准指导，提升自主复习能力和备考实效。

实验7　验证机械能守恒定律 【实验基础·必备】 竖直　接通电源　放开纸带　 【实验技能·创新】 【典例1】　（1）C　（2）B　（3）ghB＝ 解析：（1）验证机械能守恒定律时由mgh＝mv2可知，两边的质量可以消掉，故该实验不需要天平，故A错误；打点计时器打出的纸带可以得到运动时间，不需要秒表，故B错误；由于该实验需要测量距离，故需要毫米刻度尺，故C正确。 （2）在验证机械能守恒定律的实验中，要先接通电源，再释放重物，故A错误；实验中重力势能的减小量会稍大于动能的增加量，其误差主要是由空气阻力和摩擦阻力引起的，故B正确；若通过描绘v2-h图像研究机械能是否守恒，合理的图像应该是过原点的一条直线，由机械能守恒定律可知mgh＝mv2，整理得v2＝2gh，则该直线的斜率应约为2g，故C错误；重物下落的速度需要用平均速度法求解，用与某点相邻的两点间的距离除以两点间对应的时间，来求该点的瞬时速度，而不能用匀变速直线运动公式v＝gt求解，故D错误。 （3）从O点到B点，重力势能的减小量为ΔEp＝mghB，动能的增加量ΔEk＝m，若机械能守恒则有mghB＝m，整理得ghB＝。 【典例2】　（1）④①⑥⑤　（2）1.79　（3）通过　2g　19.1（19.0也可）　（4）　2.6（3.1也可） 解析：（1）根据题图1可知，本实验的实验原理是通过验证重锤重力势能的减少量等于动能的增加量，来验证机械能守恒定律，验证的关系式为mgh＝mv2，因为等式两边的质量可以消去，所以测量重锤的质量（步骤③）不是必需的；又因为测量重锤下落的高度和速度均能通过打点计时器与纸带完成，按照打点计时器与纸带的使用规则可知，应先接通打点计时器的电源，打点计时器工作稳定后再释放纸带，步骤②错误，所以步骤①④⑥⑤是必需且正确的，正确实验操作排序为④①⑥⑤； （2）重锤带动纸带做匀加速直线运动，某段时间中间时刻的瞬时速度等于该段时间的平均速度，所以打出B点时重锤下落的速度大小vB＝＝×10－2 m/s≈1.79 m/s； （3）若机械能守恒，对重锤有mgh＝mv2，整理得v2＝2gh，所以v2-h图线应通过原点且斜率为2g。由题图3可知直线的斜率k＝ m/s2≈19.1 m/s2； （4）η＝×100％＝×100％，代入数据解得η＝2.6％。 【典例3】　（1）6.860（6.860或6.861或6.862）　（2）　大　（3） 解析：（1）螺旋测微器读数d＝6.5 mm＋36.0×0.01 mm＝6.860 mm。 （2）遮光条经过光电门2时的速度为v＝，根据匀变速运动规律，位移中点的瞬时速度大于中间时刻的瞬时速度，v＝为中间时刻的速度，故遮光条的中心位置经过此光电门时的速度比该速度要大。 （3）根据机械能守恒定律，变形有mgx＝（M＋m），得＝＋在-x图像中斜率k＝，即机械能守恒。 【典例4】　（1）5.25　（2）　（3）mgh＝（2M＋m）·　（4）C （5）不正确　静摩擦力对重锤A、B和钩码组成的系统做负功，系统机械能减小 解析：（1）遮光条的宽度为d＝5 mm＋0.05 mm×5＝5.25 mm。 （2）重锤A经过光电门2时速度的大小为v2＝。 （3）若系统机械能守恒定律，则有（2M＋m）＋（M＋m）gh＝（2M＋m）＋mgh，即mgh＝（2M＋m）－，根据题意得v1＝，v2＝，可知系统机械能守恒需要满足关系式mgh＝（2M＋m）。 （4）存在空气阻力或细线与滑轮间有摩擦力，都会使系统增加的动能略小于系统减少的重力势能，A、B错误；若遮光条宽度d的测量值偏大，则可能导致mgh＜（2M＋m）·，即系统增加的动能略大于系统减少的重力势能，C正确。 （5）该同学的观点不正确；静摩擦力对重锤A、B和钩码组成的系统做负功，系统机械能减小。 学科网（北京）股份有限公司 $ 实验7　验证机械能守恒定律 原理装置图 数据处理 （1）利用起始点和第n点计算： 如果在实验误差允许的范围内，mghn＝m，则验证了机械能守恒定律。 （2）任取两点计算： ①任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB；②算出m－m的值；③在实验误差允许的范围内，若mghAB＝m－m，则验证了机械能守恒定律。 （3）图像法： 从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出v2-h图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律 操作要领 （1）安装：如图所示，将打点计时器　　　　固定在铁架台上； （2）打纸带：先　　　　　，再　　　　　让重物带着纸带自由下落； （3）选纸带：点迹清晰，且所选用的点在同一条直线上； （4）求速度：应用vn＝，（不能用vn＝或vn＝gtn） 注意事项 （1）安装：打点计时器竖直安装，纸带沿竖直方向拉直； （2）重物：选密度大、质量大的金属块，且在靠近打点计时器处释放； （3）选纸带：点迹清晰，且第1个点与第2个点间距离接近2 mm； （4）速度：vn＝，不能用vn＝计算 误差分析 （1）系统误差：因重物在下落过程中要克服各种阻力（空气阻力、打点计时器阻力）做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp； （2）偶然误差：长度测量、遮光条宽度测量时产生的误差，多次测量取平均值可以减小偶然误差 一、教材原型实验 （2026·湖南长沙开学考）如图甲所示，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置做“验证机械能守恒定律”实验。 （1）已准备的器材有打点计时器（带导线）、低压交流电源、纸带、复写纸、铁架台和带夹子的重物，此外还必需的器材是　　　　。 A.天平　　　　B.秒表　　　　C.刻度尺 （2）下列关于该实验的一些说法正确的是　　　　。 A.做实验时，要先释放重物，再接通电源 B.实验中的误差主要是由于存在空气阻力和摩擦阻力引起的 C.若某同学通过描绘v2-h图像研究机械能是否守恒，合理的图像应该是过原点的一条直线，并且该直线的斜率应约为g D.可以用v＝gt来计算重物下落的速度 （3）安装好实验装置，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图乙所示。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。当地重力加速度为g，打点计时器打点周期为T。为了验证此实验过程中机械能是否守恒，应满足　　　　　　　　（用题中所给字母表示）。 尝试解答 （2025·河南高考12题）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 （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）。 （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）。 （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。 尝试解答 二、创新拓展实验 创新角度1： 实验器材的创新 利用光电门测出Δt，进而计算滑块的速度利用气垫导轨减小阻力的影响 见〔典例3〕 创新角度2： 物体运动形式的创新 物体从自由落体改为沿圆弧面下滑 见〔课时训练T3〕 创新角度3： 研究对象的创新 研究对象从单个物体变为研究连接体 见〔典例4〕、〔课时训练T4〕 （2026·甘肃平凉模拟）实验小组利用如图甲所示实验装置来验证机械守恒定律，实验步骤如下： a.用螺旋测微器测量并记录遮光条的宽度d；用天平测出滑块及遮光条的质量M和钩码的质量m； b.在水平桌面上安装气垫导轨并调节水平，在导轨上放置好滑块，安装好两个光电门1和2，用刻度尺测出两光电门之间的距离为x； c.细线一端与滑块相连另一端跨过定滑轮与槽码相连，调节细线与气垫导轨平行，在光电门1右侧同一位置无初速释放滑块，记录遮光条分别通过两光电门的时间Δt1、Δt2； d.改变光电门2的位置，重复实验，并进行数据处理与分析。 （1）遮光条的宽度如图乙所示，则遮光条的宽度d＝　　　　mm； （2）遮光条经过光电门2时的速度为　　　　（用题目中字母表示），遮光条的中心位置经过此光电门时的速度比该速度　　　　　（选填“大”“小”或“相等”）。 （3）若已知当地重力加速度为g，根据测出的x和Δt2，作出-x图像如图丙所示，其直线斜率为k＝　　　　　　（用题目中字母表示），则机械能守恒得到验证。 尝试解答 （2025·江苏宿迁三模）实验小组用图甲所示的装置验证机械能守恒定律。细绳跨过固定在铁架台上的小滑轮，两端各悬挂一个质量均为M的重锤A（含遮光条）、重锤B。主要的实验操作如下： ①用游标卡尺测量遮光条的宽度d； ②用米尺量出光电门1、2间的高度差h； ③在重锤A上加上质量为m的小钩码； ④将重锤B压在地面上，由静止释放，记录遮光条先后经过两光电门的遮光时间t1、t2； ⑤改变光电门2的位置，重复实验。 请回答下列问题： （1）如图乙所示，游标卡尺测得遮光条的宽度d＝　　　　mm。 （2）重锤A经过光电门2时速度的大小为　　　　（用题中物理量的符号表示）。 （3）已知重力加速度为g，若满足关系式　　　　　　　　（用题中物理量的符号表示），则验证了重锤A、B和钩码组成的系统机械能守恒。 （4）某小组实验中发现系统增加的动能略大于系统减少的重力势能，下列原因中可能的是　　　　。 A.存在空气阻力 B.细绳与滑轮间有摩擦力 C.遮光条宽度d的测量值偏大 （5）实验中，忽略空气阻力，细绳与滑轮间没有相对滑动。有同学认为细绳与滑轮间的静摩擦力做功但不产生内能，因此重锤A、B和钩码组成的系统机械能守恒。该同学的观点　　　　（选填“正确”或“不正确”），理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 尝试解答 提示：完成课后作业　第六章　实验7 4 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $