第6章 第8讲 实验7：验证机械能守恒定律（PPT课件）-【满分思维】2027年高考一轮总复习·物理

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、器材操作、数据处理（含图像法）、误差分析四大考查模块，通过近三年高考真题分析明确“数据处理与误差分析”占50%、“实验改进创新”占30%的高频考点分布，归纳出教材原型实验、创新装置应用两类常考题型。 课件亮点在于“真题溯源+素养导向”的备考设计，如以2025河南卷“v²-h图像验证”为载体，通过“瞬时速度计算（vn=(hn+1-hn-1)/(2T)）”“斜率与2g关系推导”培养学生科学思维与科学探究素养。特设“易错警示库”（如避免用v=gt计算速度）和“创新实验模型”（气垫导轨、DIS装置），助力学生掌握实验答题规范，教师可依托此课件实现考点精准突破与高效复习。

第8讲　实验7:验证机械能守恒定律 强基础·教考衔接 研考点·精准突破 目 录 索 引 强基础·教考衔接 一、实验原理 通过实验,求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和对应过程动能的增加量,在实验误差允许范围内,若二者相等,说明机械能守恒,从而验证机械能守恒定律。 二、实验器材 打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。 三、实验过程 1.安装器材:将打点计时器固定在铁架台上,用导线将打点计时器与电源相连。 2.打纸带 用手竖直提起纸带,使重物停靠在打点计时器下方附近,先接通电源,再松开纸带,让重物自由下落,打点计时器就在纸带上打出一系列的点,取下纸带,换上新的纸带重打几条(3~5条)纸带。 3.选纸带:从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带。 4.进行数据处理并验证。 四、数据处理 1.求瞬时速度 由公式vn=可以计算出重物下落h1、h2、h3、…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3、…。 2.验证守恒 方案一:利用起始点和第n点计算 代入mghn和,如果在实验误差允许的范围内,mghn和相等,则验证了机械能守恒定律。 注意:应选取最初第1、2两点间距离接近2 mm的纸带(电源频率为50 Hz)。 方案二:任取两点计算 (1)任取两点A、B,测出hAB,算出mghAB。 (2)算出的值。 (3)在实验误差允许的范围内,若mghAB=,则验证了机械能守恒定律。 方案三:图像法 测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算对应速度v,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。 五、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线上,以减小摩擦阻力。 2.重物应选用质量大、体积小、密度大的。 3.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.此实验中不需要测量重物的质量。 √ √ √ × 研考点·精准突破 考点一　教材原型实验 考向一　实验原理与操作 典题1 (2026湖南长沙高三月考)如图所示,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 C B (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)。 ghB= 解析 (1)验证机械能守恒定律时有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,其误差主要是由存在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,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=, 若机械能守恒,则有mghB=,整理得ghB=。 考向二　数据处理与误差分析 典题2 (2025河南卷)实验小组利用如图所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材: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,并绘制如图所示的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 m/s2 (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g取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。 3.1 解析 (1)实验时应将纸带下端固定在重锤上,穿过打点计时器限位孔,并用手捏着纸带上端;先接通电源之后再释放纸带;实验完成后,先关闭电源再取下纸带;之后在纸带上选取一段,测量各点到起点距离,记录分析数据。在本实验中,机械能守恒的验证主要是验证重力势能和动能的转换关系,质量可以约去,所以不必称质量,故四个必需步骤按实验顺序排序为④①⑥⑤。 (2)vb= m/s=1.79 m/s。 (3)机械能守恒时满足mv2=mgh,化简得v2=2gh,因此,若机械能守恒,图中直线应通过原点且斜率为2g,图中斜率k==19.0 m/s2。 (4)η=×100%=×100%=×100%,将v2=kh代入化简有η=×100%,代入数据解得η=×100%=3.1%。 考点二　实验的改进与创新 考向一　实验原理的改进 典题3 (2025河北张家口二模)某实验小组探究滑块在气垫导轨上运动规律的实验装置如图甲所示,实验步骤如下: a.将一端带有定滑轮的气垫导轨放置于水平桌面上,调节气垫导轨水平; b.在气垫导轨上安装光电门1和2,将光电门1固定; c.测出遮光条的宽度d如图乙所示,将遮光条安装在滑块上, 测出滑块和遮光条的总质量m总; d.用细线连接滑块,将滑块放置在光电门1右侧气垫导轨上 的某一位置,细线绕过左侧的定滑轮,悬挂质量为m的钩码, 调节细线与导轨平行; e.启动气源,气垫导轨正常工作后,由静止释放滑块,记录 遮光条通过光电门1的时间t0和通过光电门2的时间t; f.改变光电门2的位置,保持滑块从同一位置释放,多次记录遮光条通过光电门2的时间t和光电门1、2的间距L,作出图像如图丙所示。 (1)遮光条的宽度d=　　　　 mm。 (2)滑块在导轨上滑动时的加速度大小a=　　 　　(用d、t、t0、L表示)。 (3)若图丙中的图像的斜率为k,截距为b,重力加速度为g,则遮光条通过光电门1的瞬时速度为v1=　　　　,=　　　　。(均从b、d、k、g中选用合适的字母表示)  1.103 d 解析 (1)螺旋测微器的精确值为0.01 mm, 由图可知遮光条的宽度为d=1 mm+10.3×0.01 mm=1.103 mm。 (2)滑块经过光电门1的速度为v1=,滑块经过光电门2的速度为v2=,根据运动学公式可得=2aL,联立解得滑块在导轨上滑动时的加速度大小为a=。 (3)根据钩码与滑块组成的系统机械能守恒,可得mgL=(m总+m)(m总+m),整理可得,则图丙中截距为b=,解得遮光条通过光电门1的时间为t0=,遮光条通过光电门1的瞬时速度为v1==d,图丙中斜率为k=,解得。 考向二　实验器材的创新 典题4 (2025江西鹰潭一模)某研究小组利用DIS实验装置验证机械能守恒定律。如图甲所示,内置有光电门的重锤通过轻杆与转轴O相连,重锤通过遮光片时可记录遮光时间。实验时,重锤从M点由静止释放,依次记录其通过每个遮光片所对应的时间t。用刻度尺测出每个遮光片距最低点N的竖直高度为h,重锤质量为m,重力加速度为g。 (1)实验前,用螺旋测微器测量遮光片的宽度d,其示数 如图乙,则d=　　　　 mm。 (2)若以最低点N为零势能面,则经过某个遮光片时,重锤 的重力势能Ep=mgh,动能Ek=　　　　(选用字母m、h、 d、t、g等物理量表示);对比通过各遮光片处重锤的机械 能E(E=Ep+Ek)是否相等,可判断机械能是否守恒。 (3)若某同学作出h-图像如图丙,图像斜率为k,则当地的 实际重力加速度可以表达为g=　　　(选用题中字母k、 m、h、d、t等表示)。 7.882 解析 (1)遮光片的宽度为d=(7.5+38.2×0.01) mm=7.882 mm。 (2)经过遮光片时的动能为Ek=mv2=。 (3)如果机械能守恒,取初始位置为零势能点, 则-mgh=0,整理得h=,则k=,所以g=。 $