实验七　验证机械能守恒定律 课件- 2027届高考物理（通用版）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步骤、数据处理（三种方案）、误差分析等核心考查维度，通过近五年真题统计明确教材原型实验占60%、创新拓展实验占40%的高频考点分布，归纳出实验排序、速度计算、图像分析等常考题型。 课件亮点在于“真题解析+素养融合+技巧指导”，如以2025河南卷为例，通过实验步骤排序培养科学探究素养，用v²-h图像斜率分析强化能量观念，针对“误用v=gt算速度”等易错点设警示。创新实验（光电门测速、双物体系统）训练科学思维，帮助学生掌握数据处理技巧，教师可据此精准教学，提升复习效率。

实验七　验证机械能守恒定律 第五章　机械能守恒定律 目 录 CONTENTS 夯实必备知识 01 研透核心考点 02 提升素养能力 03 目录 2 夯实必备知识 1 目录 3 装置原理图 实验步骤 注意事项 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)。 3.选纸带:从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带。 目录 夯实必备知识 数据处理 目录 夯实必备知识 研透核心考点 2 考点二　创新拓展实验 考点一　教材原型实验 目录 6 考点一　教材原型实验 例1 (2025·河南卷,12)实验小组利用图甲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。 目录 研透核心考点 (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 目录 研透核心考点 解析　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 ①④⑤⑥是必需且正确的,正确实验操作排序为④①⑥⑤。 答案　④①⑥⑤ 目录 研透核心考点 (2)图乙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)。  解析　重锤带动纸带做匀加速直线运动,某段时间中间时刻的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。 答案　1.79 目录 研透核心考点 (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,并绘制图丙所示的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)。由图丙得直线的斜率k=　　　　(保留3位有效数字)。  解析　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 由题图丙可知直线的斜率 k= m/s2=19.1 m/s2。 答案　通过　2g　19.1 m/s2(18.9~19.3 m/s2均可) 目录 研透核心考点 (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　η=×100%=×100%=×100%, 代入数据解得η=2.6%。 答案　　2.6 目录 研透核心考点 1.(2025·吉林长春模拟)利用如图(a)所示装置验证机械能守恒定律。 跟踪训练 (1)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、打点计时器、 导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的器材有　　　　。  A.交流电源 B.刻度尺 C.天平(含砝码) 目录 研透核心考点 (2)实验中,先接通电源,再释放重物,得到图(b)所示的一条纸带。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。已知重力加速度为g,打点计时器打点周期为T。选取O点到B点的过程进行机械能守恒定律的验证,则需要验证的关系式为　　　　　　　　 (用图中已给物理量符号表示)。  (3)大多数学生的实验结果显示,重力势能的 减少量大于动能的增加量,原因是　　　　。  A.利用公式v=gt计算重物速度 B.利用公式v=计算重物速度 C.存在空气阻力和摩擦阻力 D.没有采用多次实验取平均值的方法 目录 研透核心考点 答案　(1)AB　(2)ghB=　(3)C 解析　(1)实验器材除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、打点计时器、导线及开关外,还必须使用的器材是交流电源(供打点计时器使用)和刻度尺(用于纸带上点迹间距离的测量),故选A、B。 目录 研透核心考点 (2)从打O点到打B点的过程中,重物的重力势能减少量为ΔEp=mghB 依题意,纸带上打B点时,重物的速度大小为 vB=== 则从打O点到打B点的过程中,动能增加量 为ΔEk=m= 选取O点到B点的过程进行机械能守恒定律的验证,则需要验证的关系式为ΔEp=ΔEk 则有mghB= 化简可得ghB=。 目录 研透核心考点 (3)利用公式v=gt计算重物速度和利用公式v=计算重物速度的前提是认为重物做自由落体运动,不会出现重力势能的减少量大于动能的增加量的情况,故A、B错误;大多数学生的实验结果显示,重力势能的减少量大于动能的增加量,造成这个结果的原因是存在空气阻力和摩擦阻力的影响,故C正确;采用多次实验取平均值的方法,只会提高实验的精确度,不是导致重力势能的减少量大于动能的增加量的情况的原因,故D错误。 目录 研透核心考点 考点二　创新拓展实验 1.速度测量方法的创新 2.研究对象的创新 从单个物体创新为两个物体组成的系统,来验证系统在某一过程机械能守恒。 目录 研透核心考点 例2 [2025·河北卷,11(2)]某学习小组在倾斜的气垫导轨上验证机械能守恒定律,实验装置如图所示,当地重力加速度为g。 ①方案设计阶段,该小组同学对需要测量 哪些物理量产生了不同意见。 甲同学:需测量滑块和遮光条的总质量、 滑块通过两个光电门的速度、两个光电门间的竖直高度差。 乙同学:只需测量滑块通过两个光电门的速度、两个光电门间的竖直高度差。 丙同学:只需测量滑块通过两个光电门的速度、两个光电门间的距离。 你认为　　　　(选填“甲”“乙”或“丙”)同学的方案不可行。  目录 研透核心考点 ②如图,光电门中光源与光敏管相对,光源发出的光使光敏管感光。当滑块经过时,遮光条把光遮住,计时器记录遮光时间,可计算出滑块的速度。实验中使用的遮光条宽度d1=10.0 mm,光电门宽度d2=20.0 mm。某次测量时,记录通过光电门A的遮光时间为25.0 ms,则滑块经过光电门A的速度大小为　　　　m/s。  目录 研透核心考点 答案　①丙　②0.4 解析　①要验证的关系式为mgΔh=m-m,可得2gΔh=-,则需要测量滑块经过两光电门时的速度和两个光电门间的竖直高度差,即甲、乙同学的方案可行,丙同学的方案不可行。 ②滑块经过光电门A的速度为 vA== m/s=0.4 m/s。 目录 研透核心考点 例3 (2025·湖北卷,12)某同学利用如图(a)所示的实验装置来测量重力加速度大小g。细绳跨过固定在铁架台上不可转动的小圆柱体,两端各悬挂一个重锤。实验步骤如下: ①用游标卡尺测量遮光片的宽度d。 ②将遮光片固定在重锤1上,用天平测量重锤1和遮光片的总 质量m、重锤2的质量M(M>m)。 ③将光电门安装在铁架台上,将重锤2离地面足够高。用刻度尺测量出遮光片中心到光电门的竖直距离H。 ④启动光电门,释放重锤2,用数字毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t。 ⑤根据上述数据求出重力加速度大小g。 ⑥多次改变光电门高度,重复步骤③④⑤,求出g的平均值。 目录 研透核心考点 回答下列问题: (1)测量d时,游标卡尺的示数如图(b)所示,可知d=　　　　cm。  解析　遮光片的宽度 d=5 mm+3×0.05 mm=5.15 mm=0.515 cm。 答案　0.515 目录 研透核心考点 (2)重锤1通过光电门时的速度大小为v=　　(用d、t表示)。若不计摩擦,g与m、M、d、t、H的关系式为g=　　　　　　　　。  解析　重锤1通过光电门时的速度大小为v= 对两个重锤组成的系统,由机械能守恒定律有 (M-m)gH=(m+M)v2 解得g=。 答案　　　 目录 研透核心考点 (3)实验发现,当M和m之比接近1时,g的测量值明显小于真实值。主要原因是圆柱体表面不光滑,导致跨过圆柱体的绳两端拉力不相等。理论分析表明,圆柱体与绳之间的动摩擦因数很小时,跨过圆柱体的绳两端拉力差ΔT=4γg,其中γ是只与圆柱体表面动摩擦因数有关的常数。保持M+m=2m0不变,其中M=(1+β)m0,m=(1-β)m0。β足够小时,重锤运动的加速度大小可近似表示为a=(β-γ)g。调整两重锤的质量,测得不同β时重锤的加速度大小a,结果如下表。根据表格数据,采用逐差法得到重力加速度大小g=　　　　m/s2(保留3位有效数字)。  β 0.04 0.06 0.08 0.10 a/(m·s-2) 0.084 0.281 0.477 0.673 解析　由a=(β-γ)g可得Δa=gΔβ,所以由逐差法得g= = m/s2=9.81 m/s2。 答案　9.81 目录 研透核心考点 2.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。 跟踪训练 目录 研透核心考点 (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　　　　。   (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)。  (3)该实验系统误差的主要来源是　　　　(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 目录 研透核心考点 答案　(1)-2　(2)-2.1　0.59　(3)C 解析　(1)设初始位置时,轻绳与竖直方向的夹角为θ, 则轻绳拉力最小值为Tmin=mgcos θ,到最低点时 轻绳拉力最大,则有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,则题图乙中直线 斜率的理论值为-2。 (2)由题图乙得直线的斜率为k==-2.1,由Tmax=3mg-2Tmin可知3mg=1.77 N,则小钢球的重力为mg=0.59 N。 (3)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,使得机械能减少,故选C。 目录 研透核心考点 提升素养能力 3 目录 1.(2024·浙江6月选考,16-Ⅰ)在“验证机械能守恒定律”的实验中: (1)下列操作正确的是　　　　。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (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3位有效数字)。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (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”过程重锤的重力势能减小值为5.09m,另计算得动能增加值为5.08m(m为重锤质量),则该结果　　　　(选填“能”或“不能”)验证机械能守恒定律,理由是　　　　(填选项前的字母)。  A.在误差允许范围内 B.没有用当地的重力加速度g 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 答案　(1)A　(2)3.34　(3)不能　B 解析　(1)为了减小阻力对该实验的影响和获取更多的数据点,重锤应该靠近打点计时器,且手捏住纸带上端由静止释放,A正确。 (2)打点计时器的打点周期T==0.02 s,根据匀变速直线运动的推论可得 v13=×10-2 m/s=3.34 m/s。 (3)在求解重力势能的减少量时,应使用当地的重力加速度g,而该同学使用的是纸带上求出的重力加速度,故该结果不能验证机械能守恒定律,故选B。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 2.(2026·河南商丘模拟)某同学验证机械能守恒定律,实验装置及主要步骤如下,请完成下列问题: (1)测量小球所带遮光片的宽度d。 (2)将轻质细弹簧上端固定于O点,下端挂上小球后缓慢 释放,待小球静止时,记下该位置,测出弹簧的伸长量为x0, 并在该位置固定好光电门,如图所示。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (3)把小球竖直向下拉至距弹簧原长2x0的位置,由静止释 放,记录小球经过光电门时遮光片的遮光时间t0,则小球经 过光电门时的速度大小v=　　　(用题中所给字母表示)。  (4)保证弹簧始终处于弹性限度内,把小球依次竖直向下 拉至距弹簧原长3x0、4x0、…、nx0的位置,重复(3)的操 作,记录对应的遮光时间t,若已知弹簧的弹性势能Ep=kx2 (k为弹簧的劲度系数,x为弹簧的形变量),当地的重力加速度为g,则小球从距弹簧原长3x0到x0的过程中,小球和弹簧组成的系统机械能守恒定律的式子为 =　　　(选用题中所给或测量的合适的物理量字母表示),由此可验证小球和弹簧组成的系统机械能守恒,　　　(选填“还需要”或“不需要”)测量小球的质量m。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 答案　(3)　(4)　不需要 解析　(3)小球经过光电门时的速度大小v=。 (4)小球从距弹簧原长3x0到x0的过程中,弹簧减少的弹性势能等于小球增加的机械能,即 k(3x0)2-k=mg·2x0+m 结合kx0=mg,解得= 故不需要测量小球的质量m。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 3.(2026·湖北武汉高三期末)某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。用细线把钢制的圆柱挂在架子上,架子下部固定一个小电动机,电动机轴上装一支软笔。电动机转动时,软笔尖每转一周就在钢柱表面画上一条痕迹,电动机的转速为n(单位:r/s)。如图乙,在钢柱上从痕迹起点O开始选取5条连续的痕迹A、B、C、D、E,测得它们到痕迹O的距离分别为hA、hB、hC、hD、hE。已知当地重力加速度为g。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (1)关于本实验操作,下列说法正确的是　　　　。  A.先打开电源使电动机转动,后烧断细线使钢柱自由下落 B.先烧断细线使钢柱自由下落,后打开电源使电动机转动 C.本次实验必须要测量钢柱的质量 (2)画出痕迹D时,钢柱下落的速度vD=　　　　(用题中 所给物理量的字母表示)。  (3)设痕迹到O的距离为h,对应钢柱的下落速度为v,某同学画出h-v2的图像,并求得该图线的斜率为k,则重力加速度g=　　　　。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 答案　(1)A　(2)　(3) 解析　(1)为了在钢柱表面画上更多的痕迹,需要先打开电 源使电动机转动,后烧断细线使钢柱自由下落,故A正确,B 错误;由于本实验验证机械能守恒定律,钢柱下落过程中减 少的重力势能与增加的动能表达式中均包含钢柱质量,而 钢柱的质量可以约掉,所以不需要测量钢柱质量,故C错误。 (2)根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程 的平均速度知,画出痕迹D时,钢柱下落的速度为vD=,T=,所以vD=。 (3)若钢柱下落过程机械能守恒,有mgh=mv2,所以h=,h-v2图像的斜率k=,则g=。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 4.(2026·山东淄博高三期末)某同学利用图甲所示装置验证机械能守恒定律。细线一端系住直径为d的小球,另一端系在O点,O点的正下方适当距离处固定一光电门,以记录小球经过最低点时的遮光时间。安装好实验装置,测出小球的直径d,再测出O点与小球上端之间的距离L;将小球拉离竖直位置,测量细线偏离竖直方向的夹角θ,由静止释放小球,小球摆至最低点时光电门光线恰好射向小球的球心,小球的遮光宽度可近似为d,记下小球第一次经过光电门的遮光时间t,试回答下列问题: 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (1)为提高实验的精确度,小球应选用　　　　(填选项前的字母)。  A.塑料球 B.泡沫球 C.钢球 D.木球 (2)如图乙所示,用游标卡尺测得小球的 直径d=　　　　mm。  (3)将小球拉离竖直位置,测量细线偏离竖直方向的夹角θ,θ　　　　(选填“可”或“不可”)大于90°。小球从释放位置运动至最低点时的速度为v=　　　　　　(用题中相关物理量的字母表示),重力加速度为g,则验证机械能守恒定律的表达式为　　　　　　　　　　　　(用题中相关物理量的字母表示)。多次改变θ值,重复以上实验过程。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (4)本实验也可以测量重力加速度的大小。利用实验测得的数据,作出-cos θ的关系图像如图丙所示,测得图像斜率的绝对值为k,则重力加速度的表达式为g = 　　　　　　(用k、L和d表示)。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 答案　(1)C　(2)12.20　(3)不可　 g(1-cos θ)=　(4) 解析　(1)为提高实验的精确度,减小空气阻力的影响,小球应选用钢球,故选C。 (2)由题图乙可知,用游标卡尺测得小球的直径 d=12 mm+4×0.05 mm=12.20 mm。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (3)若θ大于90°,由静止释放小球后,小球将做一段自由落体运动,细线绷紧后做圆周运动,而在细线绷紧的过程中,小球的机械能将损失一部分,因此θ不可大于90°。小球从释放位置运动至最低点时的速度为v= 验证机械能守恒定律的表达式为 mg(1-cos θ)=mv2 联立解得g(1-cos θ)=。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (4)由上一问表达式整理可得 =-cos θ+ 结合图像可知k= 解得g=。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 5.(2025·湖南长沙模拟)用如图所示装置验证机械能守恒定律,装有遮光条的滑块放置在气垫导轨上的A位置,细线绕过固定在导轨右端的定滑轮,一端与滑块连接,另一端悬挂钩码。测出遮光条的宽度d,滑块与遮光条的总质量M,A到光电门中心的距离x。调节气垫导轨水平,由静止释放滑块,读出遮光条通过光电门的挡光时间t。将遮光条通过光电门的平均速度看作滑块中心到达光电门中心点时的瞬时速度。已知钩码的质量为m,当地重 力加速度为g。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (1)滑块从A处到达光电门中心处时,m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk=　　　　　　,系统的重力势能减少量可表示为ΔEp=　　　　,在误差允许的范围内,若ΔEk=ΔEp,则可认为系统的机械能守恒(均用题中字母表示)。  (2)某同学实验时,保持光电门的位置不变,改变滑块的位置A,测出多组对应的x与t的数值,经过计算发现系统动能的增加量大于钩码重力势能的减少量,其原因可能是　　　　。  A.钩码质量太大 B.气垫导轨未完全调水平,左端高于右端 C.系统受到空气阻力 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (3)某同学为了减小误差,通过调整A的位置来改变x,测出对应的通过光电门的时间t,得到若干组数据后,在坐标纸上描点,拟合出直线,则该同学描绘的 是　　　　图像。  A.x-t B.x- C.x- D.x-t2 (4)某同学实验时,气泵不能工作,他想到用使轨道倾斜的方法来平衡摩擦力,如果已经平衡了摩擦力,　　　　(选填“能”或“不能”)用此装置验证系统机械能守恒定律。  01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 答案　(1)　mgx　(2)B　(3)C (4)不能 解析　(1)滑块到达光电门的速度为v= 则动能的增加量 ΔEk=(m+M)= 系统的重力势能减少量可表示为ΔEp=mgx。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 (2)钩码质量大小对实验不产生影响,A错误;气垫导轨未完全调水平,左端高于右端,则滑块的重力势能会减少,系统动能增加量等于系统重力势能的减少量,所以系统动能的增加量大于钩码重力势能的减少量,B正确;若存在空气阻力,则ΔEp会略大于ΔEk,C错误。 (3)根据ΔEk=ΔEp,则有=mgx 整理可得x=·,则该同学描绘的是 x-图像,故选C。 (4)若已经平衡了摩擦力,对整个系统,该装置仍不能验证系统机械能守恒定律,因为有摩擦力做功,没有满足只有重力做功的条件,系统的机械能不守恒。 01 02 03 04 05 目录 提升素养能力 本节内容结束 THANKS $