第六章机械能守恒定律第6节 实验 验证机械能守恒定律——2027届高三物理一轮复习课件

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教材原型实验和探索创新实验两大核心考点，通过分析近五年高考真题明确实验原理、数据处理（如瞬时速度计算、图像法验证）为高频考查内容，归纳出实验操作正误判断、守恒关系验证等常考题型，体现高考备考的针对性和实用性。 课件亮点在于“原型夯实+创新突破”的分层训练模式，如以教材实验中纸带数据处理为例，详解\(v_n=\frac{h_{n+1}-h_{n-1}}{2T}\)的科学推理过程，结合创新实验中光电门测速（例2）、拉力传感器应用（例3）培养学生科学思维与科学探究素养。通过“误差分析指南”和“题型变式训练”，帮助学生掌握实验题答题技巧，教师可据此实现精准复习指导，提升高考冲刺效率。

第6章 机械能守恒定律 第6节 实验：验证机械能守恒定律 1 考点一 教材原型实验 考点二 探索创新实验 2 实验技能储备 1.实验原理 通过实验，求出做自由落体运动物体的__________________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。 重力势能的减少量 3 2.实验器材 打点计时器、交变电源、纸带、复写纸、重物、________、铁架台（带铁夹）、导线。 3.实验过程 （1）安装器材：将____________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__________，再_________ ____，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。 刻度尺 打点计时器 接通电源 松开纸带 4 4.数据处理 （1）求瞬时速度 由公式<m></m>可以计算出重物下落<m></m>、<m></m>、<m></m>、…的高度时对应的瞬时速度 <m>、</m><m></m>、<m></m>、…。 （2）验证守恒 方案一：利用起始点和第<m></m>点计算 代入<m></m>和<m></m>，如果在实验误差允许的范围内，<m></m>和<m></m>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<m></m>的纸带（电源频率为<m></m>）。 5 方案二：任取两点计算 ①任取两点、，测出，算出 。 ②算出 的值。 ③在实验误差允许的范围内，若 ，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，并计算对应速度，然后以为纵轴，以 为 横轴，根据实验数据作出 图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜 率为___的直线，则验证了机械能守恒定律。 6 5.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__________。 （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 _________，不能用 或 来计算。 （5）此实验中不需要测量重物的质量。 摩擦阻力 7 考点一 教材原型实验 8 【视角1】　实验原理与操作 例1 用如图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，可输出交流电和直流电。重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对图中纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。 9 （1）下列几个操作步骤中: A.按照图示，安装好实验装置 B.将打点计时器接到电源的“交流输出”上 C.用天平测出重锤的质量 D.先释放重锤，后接通电源，纸带随着重锤运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点 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 没有必要的是　　　　，操作错误的是　　　　。(填步骤前相应的字母)  C D [解析]在此实验中不需要测出重锤的质量，所以选项C没必要；在实验时应该先接通电源，再释放重锤，所以选项D错误。 10 （2）若重锤质量为m，重力加速度为g，在选定的纸带上依次取计数点如图所示，纸带上所打的点记录了重锤在不同时刻的位置，那么纸带的　　　　(填“左”或“右”)端与重锤相连。设任意相邻计数点点间的时间间隔为T，且“0”为打下的第一个点，当打点计时器打点“3”时，重锤的动能表达式为Ek =　　　 　，若以重锤的运动起点“0”为参考点，当打点“3”时重锤的机械能表达式为E =　 　　　。  左 11 [解析]因为是自由落体运动，下落的速度应该是越来越快，相邻两点间距也越来越大，所以纸带左端与重锤相连。 打点“3”时的瞬时速度v3 = ， 重锤动能的表达式Ek = mm 重锤的重力势能表达式Ep = - mgx3， 重锤机械能的表达式E = Ep+Ek = - mgx3+。 12 考点二 探索创新实验 13 【视角1】　实验目的创新 例1 某同学用如图(a)所示的装置验证系统机械能守恒定律。不可伸长的轻绳绕过轻质定滑轮，轻绳两端分别连接物块P与感光细钢柱K，两者质量均为m = 0.140 kg，钢柱K下端与质量为M = 0.200 kg的物块Q相连。铁架台下部固定一个电动机，电动机竖直转轴上装一支激光笔，电动机带动激光笔绕转轴在水平面内匀速转动，每转一周激光照射在细钢柱表面时就会使细钢柱感光并留下痕迹。初始时P、K、Q系统在外力作用下保持静止，轻绳与细钢柱均竖直。重力加速度g取9.8 m/s2。 14 （1）开启电动机，待电动机以ω = 40π rad/s的角速度匀速转动后将P、K、Q系统由静止释放，Q落地前，激光器在细钢柱K上留下感光痕迹，取下K，用刻度尺测出感光痕迹间的距离如图(b)所示。感光痕迹间的时间间隔T =　 s，激光束照射到E点时，细钢柱速度大小为vE =　 m/s(计算结果保留3位有效数字)。  经判断系统由静止释放时激光笔光束恰好经过O点。在OE段，系统动能的增加量ΔEk =　 J，重力势能的减少量ΔEp =　 J，比较两者关系可判断系统机械能是否守恒。(计算结果均保留3位有效数字)  0.05 1.00 0.240 0.245 15 [解析]感光痕迹间的时间间隔T = = 0.05 s，细钢柱速度大小为vE = = 1.00 m/s，在OE段，系统动能的增加量ΔEk = = 0.240 J，重力势能的减少量ΔEp = gxOE - mgxOE = 0.245 J。 16 （2）选取相同的另一感光细钢柱K，若初始时激光笔对准K上某点，开启电动机的同时系统由静止释放，电动机的角速度按如图(c)所示的规律变化，图像斜率为k，记录下如图(d)所示的感光痕迹，其中两相邻感光痕迹间距均为d。若验证得到表达式　　　　　　　　　　　即可证明系统在运动过程中机械能守恒(用含字母M、m、d、k、g、π的表达式表示)。  kd = 2πMg 17 [解析]由题知，激光笔每转动一周，Q下降的高度为d，设激光笔共转n圈，则有θ = n·2π，由图像可知θ = ωt = kt2，联立解得t2 = ，对整体根据牛顿第二定律有g - mg = a，根据匀变速运动公式v = at，所以系统动能的增加量ΔEk = v2 = ××，重力势能的减少量ΔEp = g·nd - mg·nd = Mg·nd，若验证得到表达式× × = Mg·nd，即kd = 2πMg，即可证明系统机械能守恒。 18 【视角2】　实验器材的创新 例2 小刘同学设计了如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，安装在竖直平面半径为R的带角度刻度线的光滑半圆轨道，最低点固定一光电门(图中未画出)。将小球(直径d≪R)拉离竖直方向一定角度θ由静止释放，记录小球通过光电门的时间t。 19 （1）用游标卡尺测量小球的直径d，由于前小半部分被遮挡，只能看到后半部分，测量结果如图乙所示，则小球的直径为　　　　　cm。  0.620 [解析]根据游标卡尺的读数规律，该读数为10 mm - 4×0.95 mm = 6.20 mm = 0.620 cm。 20 （2）若有关系式　　　　 　　(用g、R、d、t、θ表示)成立，则可验证该过程小球的机械能守恒。  gR　 [解析]由机械能守恒得mgRmv2，根据光电门测速原理有v = ，解得gR。 21 （3）小王同学用该装置测量当地的重力加速度大小，分别记录小球拉开的角度θ1，θ2，θ3…，和对应的遮光的时间t1，t2，t3…。由实验数据，通过描点作出了如图丙所示的线性图像，则图像的横坐标应为　　　　　(选填“”“t2”或“”)。如果不考虑实验误差，若该图线斜率的绝对值为k，则当地的重力加速度大小为　　　　　(用d、R、k表示)。  [解析]结合上述有gR，变形可得cos θ = 1 - ，可知，图像横坐标应为；该图线斜率的绝对值为k，则有k = ，解得g = 。 22 【视角3】　实验方案的创新 例3 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。 23 （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　　　 。  [解析]设初始位置时，细线与竖直方向夹角为θ，则细线拉力最小值为Tmin = mgcos θ，到最低点时细线拉力最大，则mgl(1 - cos θ) = mv2，Tmax - mg = m，联立可得Tmax = 3mg - 2Tmin，即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； 24 （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)  0.59 [解析]由图乙得直线的斜率为k = - = - 2.1，3mg = 1.77，则小钢球的重力为mg = 0.59 N。 25 C [解析]该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选C。 （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 26 $