8.5 实验：验证机械能守恒定律 学习任务单-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理学习任务单聚焦“验证机械能守恒定律”核心实验，课前梳理实验思路（自由下落、光滑斜面两种情形）、物理量测量（质量、高度及打点计时器与光电门测速度方法）、数据分析方案，搭建从动能势能概念到守恒规律验证的学习支架。 资料以物理观念中的能量观念为核心，通过科学探究完整流程（方案设计、数据获取、误差分析）培养实验能力，科学思维层面强化模型建构与推理论证。习题覆盖两种实验方案，课中例题聚焦误差分析，课后拓展不同系统，有效提升学生实验探究与知识迁移能力。

高中物理人教版必修第二册 第八章《机械能守恒定律》 第5节 实验：验证机械能守恒定律 学习任务单 课题 第5节 实验：验证机械能守恒定律 学习目标 1.能制订验证机械能守恒定律的实验方案，确定需要测量的物理量。 2.学会正确使用实验器材获取数据，对数据进行分析后得出结论。 3.会分析误差，用物理语言准确描述实验结论。 课前学习任务 知识点梳理 1．实验思路 机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此设计实验时要考虑满足这一条件的情形。 情形1：自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。 情形2：物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直，对物体不做功，也满足机械能守恒的条件。 2．物理量的测量 根据重力势能和动能的定义，需要测量的物理量有物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度。 (1)质量的测量：可用天平测量。 (2)高度的测量：可用刻度尺测量。 (3)瞬时速度的测量 a．用打点计时器打下的纸带测量： 测出打n点前、后相邻两段相等时间T内物体运动的距离xn和xn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝即可得到打n点时物体的瞬时速度，如图所示。 b．用光电门测量： 遮光条通过光电门时的瞬时速度等于遮光条通过光电门时的平均速度，则根据遮光条的宽度l和遮光时间Δt，可以算出物体经过光电门时的速度v＝。 3．数据分析 方法1：计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足 mv＋mgh2＝mv＋mgh1 ① 方法2：计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足 mv－mv＝mgh1－mgh2 ② 若在误差允许范围内，等式①(或②)满足，即可验证机械能守恒定律。 根据上述情况，有两种方案可以验证物体的机械能守恒。 课前练习 1.验证机械能守恒定律的实验装置已安装完毕，请完成如下实验操作： (1)将纸带穿过打点计时器的______，纸带下端固定在重锤上，上端用手提住，纸带不与限位孔接触。 (2)接通打点计时器的电源使它工作，让纸带从____状态开始释放，打点计时器在纸带上打出一系列的点。 (3)更换纸带重复进行四次实验，从打出的几条纸带中挑选点迹清晰的纸带进行下面的测量。 (4)在纸带上选取打下的第1个点记为0，在这个点后距离较远处任意选取一点P，数出由0到P_____数目n，用刻度尺测出______的距离。 (5)打点计时器工作电源频率为50 Hz，则打点间隔时间为________s，根据公式________计算出P点对应的速度。 (6)由上面的h和v分别计算______和______，看两者______。 (7)在其他纸带上再另选几个点，重复步骤(4)(5)(6)。 答案：限位孔并在复写纸下面经过   静止   自然点间隔的   0点到P点   0.02   vn＝    重锤重力势能的减少量ΔEp     重锤动能增量ΔEk     是否近似相等 课中学习任务 【例题1】图所示的是“用打点计时器验证机械能守恒定律”的实验装置。 （1） 实验中得到的一条纸带，在纸带上选取三个连续打出的点 、 、 测得它们到起始点 的距离分别为 、 、 ，如图2所示。重物质量用 表示，已知当地重力加速度为 ，打点计时器打点的周期为 。从打下 点到打下 点的过程中，重物重力势能的减少量 ，动能的增加量 。 （2） 在实验过程中，下列实验操作和数据处理错误的是 。 A. 重物下落的起始位置靠近打点计时器 B. 做实验时，先接通打点计时器的电源，再释放重物 C. 为测量打点计时器打下某点时重物的速度 ，可测量该点到 点的距离 ，再根据公式 计算，其中 应取当地的重力加速度 D. 用刻度尺测量某点到 点的距离 ，利用公式 计算重力势能的减少量，其中 应取当地的重力加速度 （3） 某同学在纸带上选取计数点后，测量它们到初速度为零的起始点的距离 ，并计算出打相应计数点时重物的速度 ，描点并绘出 的图像。若实验中重物所受阻力不可忽略，且阻力大小保持不变，从理论上分析，合理的 图像是图3中的 。 【例题2】小刚同学用如图所示的实验装置“验证机械能守恒定律”，他进行如下操作： ①用天平测出小球的质量为0.50 kg； ②测出小球的直径为10.0 mm； ③电磁铁先通电，将小球吸在其下端； ④用刻度尺测出小球球心到光电门的距离为82.05 cm； ⑤电磁铁断电时，小球自由下落； ⑥在小球通过光电门时，计时装置记下小球通过光电门所用的时间为2.50×10－3 s，由此可算出小球通过光电门的速度． (1)由以上测量数据可计算出小球重力势能的减少量ΔEp＝________ J，小球动能的增加量ΔEk＝________ J．(g取9.8 m/s2，结果均保留三位有效数字) (2)从实验结果中发现ΔEp____________(选填“稍大于”“稍小于”或“等于”)ΔEk，试分析可能的原因：___________________________________________________________________. 课中学习任务答案 1. （1） 、 （2）C （3） 2.答案　(1)4.02　4.00　(2)稍大于　小球受到空气阻力的影响 解析　(1)小球重力势能的减少量ΔEp＝mgh＝0.50×9.8×0.820 5 J≈4.02 J；小球通过光电门的平均速度为＝＝ m/s＝4 m/s，小球动能的变化量ΔEk＝m2＝4.00 J. (2)从实验结果中发现ΔEp稍大于ΔEk，可能的原因是小球受到空气阻力的影响． 课后学习任务 1.现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”．图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的数字计时器都没有画出．让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的数字计时器显示的挡光时间分别为5.00×10－2 s、2.00×10－2 s．已知滑块质量为2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm，光电门1和2之间的距离为0.54 m，g取9.80 m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度．(结果均保留三位有效数字) (1)滑块通过光电门1时的速度v1＝______ m/s，通过光电门2时的速度v2＝________ m/s. (2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为________ J，重力势能的减少量为________ J. (3)实验可以得出的结论：______________________________________________________. 2．某实验小组利用图甲的装置验证钩码和滑块组成的系统机械能守恒，在水平桌面上固定一气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光条的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的钩码相连，导轨上B点处有一光电门，与光电门相连的数字计时器可以测量遮光条经过光电门时的挡光时间Δt，用d表示遮光条的宽度，s表示A、B两点的距离，g表示当地的重力加速度．(计算结果保留两位有效数字) (1)实验时，将滑块从A点处由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门时的挡光时间Δt＝1.3×10－2 s，已知遮光条的宽度d＝5.2 mm，则滑块经过光电门时的瞬时速度大小v为________． (2)改变光电门的位置进行多次实验，每次均令滑块自A点处由静止开始运动，测量相应的s与Δt的值，并计算出经过光电门时的瞬时速度大小v，作出v2－s图线，若不考虑误差，认为系统的机械能守恒，则v2与s应满足的关系式为v2＝________.(用题中所给的符号表示) (3)实验中，若已知M∶m＝3∶1，利用数据作出的v2－s图线如图乙所示，则可求得当地的重力加速度g＝________. 课后学习任务答案 1.答案　(1)1.00　2.50　(2)5.25　5.29　(3)在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒 解析　(1)v1＝＝ m/s＝1.00 m/s v2＝＝ m/s＝2.50 m/s (2)动能增加量 ΔEk＝mv22－mv12＝5.25 J. 重力势能的减少量： ΔEp＝mgssin 30°≈5.29 J. (3)在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒． 2.答案　(1)0.40 m/s　(2) (3)9.0 m/s2 解析　(1)滑块经过光电门时的瞬时速度大小v＝＝0.40 m/s. (2)如果不考虑误差，认为系统的机械能守恒，则mgs＝(M＋m)v2，得v2＝. (3)v2－s图线的斜率为k＝＝，由题图可知k＝4.5 m/s2，可求得当地的重力加速度g＝9.0 m/s2. 学科网（北京）股份有限公司 $