第6章 第6讲 验证机械能守恒定律(课件PPT)-【新高考方案】2027年高考物理一轮总复习

该高中物理高考复习课件聚焦“验证机械能守恒定律”重点实验，依据高考评价体系梳理了实验原理、操作规范、数据处理（三种方法）、误差分析等核心考查维度，通过近五年高考真题及模拟题分析，明确了实验操作正误判断、瞬时速度计算、图像法验证等高频考点分布，构建了系统的实验复习框架。 课件亮点在于“真题情境+素养渗透+方法建模”的备考设计，如结合2025河南高考v²-h图像斜率分析题，引导学生通过科学推理推导v²=2gh关系，培养模型建构素养，归纳“质量是否需测量”“图像斜率物理意义”等解题方法，帮助学生掌握实验数据处理技巧，教师可依托此课件精准定位学生薄弱环节，提升高考实验题复习效率。

验证机械能守恒定律 （重点实验） 第 6 讲 一、实验知能/系统归纳 二、实验关键/重点解读 01 02 CONTENTS 目录 课时跟踪检测 03 一、实验知能/系统归纳 一、理清原理与操作 原理装置图 操作要领 (1)安装：打点计时器竖直安装；纸带沿竖直方向拉直。 (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：点迹清晰，第1个 点、第2个点间距离接近2 mm， 所选用的点在同一条直线上。 续表 二、掌握数据处理方法 方法1　利用起始点和第n点计算 算出mghn和m，如果在实验误差允许的范围内，mghn和m相等，则验证了机械能守恒定律。 方法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。 方法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。 三、注意实验细节 1.应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有： (1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。 (2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小。 2.实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直，先接通电源，待打点计时器工作稳定后再松开纸带。 3.测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60~80 cm之间。 4.某时刻的瞬时速度的计算应用vn=，不能用vn=或vn=gt来计算，否则犯了用机械能守恒定律验证机械能是否守恒的错误。 四、做好误差分析 误差 产生原因 减小误差的方法 偶然误差 测量距离带来的误差 (1)测量距离时应从计数点0量起，且选取的计数点离0点远些。 (2)多次测量取平均值。 系统误差 重物和纸带下落过程中存在阻力 (1)打点计时器安装稳固，并使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。 (2)选用质量大、体积小的物体作重物，以减小空气阻力的影响。 二、实验关键/重点解读 本实验是高考命题的常考实验，实验命题除考查计数点速度的计算外，还考查小球的质量是否需要测量、利用图像处理实验数据等，试题难度中等。 关键点(一) 质量是否需要测量 [题点训练] 1.为了探究“重力势能转化为动能过程机械能 守恒”，可使用的实验器材有：光滑带凹槽导轨 (两段)、钢球、电子秤、毫米刻度尺、停表、 木块等。 实验步骤如下： ①将两段导轨连接在一起，放在水平桌面上，抬起一段导轨的一端并在它下面垫一木块，如图甲所示。确保装置的稳固性，使钢球得以平滑地滚过两段导轨的连接处。 ②用毫米刻度尺测量导轨水平部分的长度为L。把一个钢球放在木块支撑点的正上方的导轨上，测得钢球离水平面的高度为h，然后静止释放这个钢球。当钢球到达导轨的水平段时，启动停表，当钢球到达导轨水平段的终点时，停下停表，测得运动时间为t1。 ③将支撑木块移动到倾斜导轨的中部下方，如图乙所示。把钢球放在木块支撑点的正上方的导轨上。释放钢球并测量钢球滚过导轨水平部分所用的时间t2。 ④将支撑木块移动到倾斜导轨长度约三分之一处的下方，如图丙所示。把钢球放在木块支撑点的正上方的导轨上。释放钢球并测量钢球滚过导轨水平部分所用的时间t3。 已知当地重力加速度为g，回答下列问题： (1)该实验________测量钢球的质量。(填“需要”或“不需要”)  不需要 解析：由于该实验是为了“探究重力势能转化为动能过程机械能守恒”，即mgh=mv2，该等式两边均有钢球的质量，可以约掉，不影响实验的探究，所以不需要测量钢球的质量。 (2)实验过程中，在实验误差允许范围内，若h=_________(用g、L、t1表示)，则说明钢球重力势能转化为动能的过程机械能守恒。  解析：实验过程中，钢球到达水平导轨时的速度设为v，钢球在水平导轨上近似做匀速直线运动，则有v=，在实验误差允许范围内，若满足mgh=mv2，联立解得h=，则说明钢球重力势能转化为动能的过程机械能守恒。 (3)多次重复实验，发现始终是t1>t2>t3，分析其主要原因可能是___________________________。  钢球克服导轨摩擦阻力做功 解析：由于钢球在沿倾斜导轨下滑时，导轨不可能绝对光滑，钢球需要克服摩擦阻力做功，设钢球与导轨间的动摩擦因数为μ，钢球从倾斜导轨上距水平导轨为s的位置从静止释放，倾斜导轨与水平面的夹角为θ，根据功能关系可知mgh-μmgscos θ=mv2，其中scos θ=x，x为钢球在倾斜导轨上的位移在水平面上的投影，可得mgh-μmgx=mv2，由题意可知x逐渐减小，可得v逐渐变大，钢球在水平导轨上运动的时间逐渐减小，所以多次重复实验，发现始终是t1>t2>t3，因此主要原因可能是钢球克服导轨摩擦力做功。 2.(2025·江苏南通模拟)小明利用如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律。细绳跨过固定在铁架台上的小滑轮，两端各悬挂一个重锤。 (1)部分实验步骤如下： ①用刻度尺测量遮光片中心到光电门的竖直距离H ②将遮光片固定在重锤1上，用天平测量重锤1(含遮光片)的质量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1压在桌面上，保持系统静止，重锤2离桌面高度适当 ④用刻度尺测量遮光片的宽度d ⑤启动光电门，释放重锤1，用数字毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t 其合理的顺序是_____(选填“A”“B”或“C”)。  A.③④②⑤①　　　　 B.④②③①⑤ C.②④③⑤① B 解析：首先，用刻度尺测量遮光片的宽度d(步骤④)，这是测量速度的关键物理量。接着，用天平测量重锤1(含遮光片)的质量m、重锤2的质量M(M>m)(步骤②)，为后续计算机械能做准备。然后，将光电门安装在铁架台上，将重锤1压在桌面上，保持系统静止，重锤2离桌面高度适当(步骤③)，完成装置的安装与调试。之后，用刻度尺测量遮光片中心到光电门的竖直距离H(步骤①)，确定下落高度。最后，启动光电门，释放重锤1，用数字毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t(步骤⑤)，进行实验数据采集。所以合理的顺序是④②③①⑤，故选B。 (2)测量d时，刻度尺的示数如图乙所示，可知遮光片的宽度d=____________________cm。  解析：由题图乙可知，刻度尺的分度值为1 mm，遮光片的宽度d=0.53 cm。 0.53(0.52~0.54均可) (3)重锤1通过光电门时的速度大小v=_____(用题中物理量的符号表示)。  解析：由于遮光片通过光电门的时间t很短，可认为遮光片通过光电门的平均速度等于瞬时速度，所以v=。 (4)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)，则验证了两重锤组成的系统机械能守恒。  解析：系统重力势能的减少量为gH，系统动能的增加量为(M+m)v2=，若机械能守恒，则gH= 。 gH= (5)实验中，忽略空气阻力，细绳与滑轮间没有相对滑动。小明认为细绳与滑轮间的静摩擦力做功但不产生内能，因此两重锤组成的系统机械能守恒。你是否同意他的观点，并简要说明理由________________ ______________________________________________________。  不同意。因为 静摩擦力对两重锤组成的系统做负功，所以系统机械能减小 解析：不同意。因为滑轮会转动，细绳与滑轮间的静摩擦力对滑轮做正功，使滑轮获得动能，而滑轮的动能是由两重锤组成的系统的机械能转化而来的，所以两重锤组成的系统机械能不守恒，系统机械能减小。 1.探究单个物体的机械能是否守恒时，物体的质量没有必要测量。如第1题。 2.探究多个物体组成的系统机械能是否守恒时，系统内各物体的质量必须测出具体值，才可计算系统动能的变化量和势能的变化量。如第2题。 归纳建模 关键点(二) 图像斜率的物理意义分析 [题点训练] 1.(2025·河南高考)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 ④①⑥⑤ 解析：根据机械能守恒定律mgh=mv2，可知质量可以约掉，不需要用电子天平称量重锤的质量。实验步骤为：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；先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带；关闭电源，取下纸带；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。故按实验顺序排列为④①⑥⑤。 (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)。  解析：根据题意可知纸带上相邻两点间的时间间隔为T==0.02 s，根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于该过程平均速度可得vB=≈1.79 m/s。 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_______(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(18.8~19.1均可) 解析：根据mgh=mv2，整理可得v2=2gh，可知若机械能守恒，题图3直线应通过原点，且斜率k=2g；由题图3可知直线的斜率k=≈19.0。 (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：根据题意有η=×100%=×100%；当地重力加速度大小取g=9.80 m/s2，代入数据可得η≈3.1%。 　 3.1(2.6~4.1均可) 2.某同学利用如图甲所示的气垫导轨 实验装置验证机械能守恒定律，主要 实验步骤如下： A.将桌面上的气垫导轨调至水平 B.测出遮光条的宽度d C.将滑块移至图甲位置，测出遮光条到光电门的距离l D.由静止释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间Dt E.称出托盘和砝码的总质量m1、滑块(含遮光条)的质量m2 已知当地重力加速度为g，回答以下问题(用题中所给的字母表示)。 (1)遮光条通过光电门时滑块的速度大小为_____。  解析：遮光条通过光电门时滑块的速度大小为v=。 (2)遮光条由静止运动至光电门的过程，系统重力势能减少了_______。遮光条经过光电门时，滑块、托盘和砝码的总动能为____________。  解析：从释放滑块到遮光条经过光电门这一过程中，系统重力势能减少量为ΔEp=m1gl，系统动能增加量为ΔEk=(m1+m2)。 m1gl (m1+m2) (3)通过改变滑块的释放位置，测出多组l、Δt数据， 利用实验数据绘制⁃l图像如图乙。若图中直线 的斜率近似等于________，可认为该系统机械能守恒。  解析：若机械能守恒定律成立，则有m1gl=(m1+m2)，整理有 =·l，可知若题图乙中直线的斜率近似等于，可认为该系统机械能守恒。 1.通过图像验证机械能是否守恒，要根据机械能守恒定律写出图像对应的函数表达式，再结合图像解答相关问题。 2.不同图像的斜率的物理意义不同，如第1题第(3)问中v2⁃h图像的斜率为2g，第2题第(3)问中⁃l图像的斜率为。 归纳建模 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 1.(6分)(2024·浙江6月选考)在“验证机械能守恒定律”的实验中， (1)下列操作正确的是_____。(1分)  B 1 2 3 4 5 解析：做该实验时，为了减小阻力的影响，且获得最多的数据，应手提纸带上端使纸带竖直，同时使重物靠近打点计时器，由静止释放，故选B。 1 2 3 4 5 (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(保留三位有效数字)。(2分)  3.34 1 2 3 4 5 解析：由T=知，T=0.02 s，根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程平均速度可得，打点“13”时，重锤下落的速度大小为v13==m/s=3.34 m/s。 1 2 3 4 5 (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，理由是____。(3分)  A.在误差允许范围内 B.没有用当地的重力加速度g 解析：不能验证机械能守恒； 计算重力势能时应用当地的重力加速度g计算，故选B。 不能 B 1 5 2 3 4 2.(6分)某同学使用手机自带的传感器设计了一套实验装置用来验证机械能守恒定律。实验过程如下： 1 5 2 3 4 ①一钢尺伸出水平桌面少许，将质量为m=60 g的小钢球放在钢尺末端，如图甲所示； ②用刻度尺测量钢尺上表面与水平地板间的高度h=100.00 cm； ③打开手机中的声音“振幅”(声音传感器)项目； ④迅速敲击钢尺侧面，让小钢球自由下落。手机中的传感器记录下声音“振幅”随时间变化的曲线，如图乙所示，第一、第二个尖峰的横坐标分别对应小钢球离开钢尺时刻和落地时刻。测得这两个尖峰的时间间隔t=0.46 s。 1 5 2 3 4 (1)当地重力加速度g取9.8 m/s2，则下落过程中，重力势能减小量ΔEp=_______J，动能增加量ΔEk=______J。据此可以得出实验结论：在误差允许的范围内，小钢球自由下落过程中机械能守恒。(结果均保留三位有效数字)(4分)  0.588 0.567 解析：下落过程中，重力势能减小量ΔEp=mgh=0.588 J，小钢球下落过程中的平均速度== m/s，根据=和ΔEk=mv2，解得ΔEk≈0.567 J。 1 5 2 3 4 (2)敲击钢尺侧面时，若导致小钢球获得了一个水平方向的未被察觉的小速度，对实验测量结果_______ (选填“有”或“没有”)影响。(2分)  解析：根据运动的独立性，敲击钢尺侧面时，若导致小钢球获得了一个水平方向的未被察觉的小速度，不会影响小钢球在竖直方向的运动，对实验测量结果没有影响。 没有 1 5 2 3 4 3.(8分)(2025·江苏常州模拟)某实验小组利用光电门遮光时可测速度的特性来做“验证机械能守恒定律”实验。实验装置主体如图甲所示。当地重力加速度为g。 1 5 2 3 4 (1)将宽度d=0.5 cm的黑色胶带等间隔贴在__________(选填“透明塑料”或“铁质”)刻度尺上，相邻胶带中心线之间的距离Δh=2.5 cm。(1分)  透明塑料 解析：光电门遮光时可测速度，所以应该用透光的塑料刻度尺贴上不透光的黑胶带，光电门测黑胶带通过时的速度。 1 5 2 3 4 (2)图乙为某条胶带在刻度尺上的位置，该胶带右侧边缘所对应的读数为______cm。(1分)  解析：由于刻度尺的分度值为1 mm，读数时应估读到分度值的下一位，故其读数为3.00 cm。 3.00 1 5 2 3 4 (3)将光电门固定在铁架台上，由静止竖直释放刻度尺，测得第1个和第4个胶带通过光电门的时间分别为t1和t4。已知刻度尺质量m=0.4 kg，t1=0.010 s，则第1个胶带经过光电门时刻度尺的动能为________J(保留两位有效数字)。(2分)  解析：第1个胶带通过光电门的速度v1==0.5 m/s， 故第1个胶带通过光电门时刻度尺的动能E1=m=0.050 J。 0.050 1 5 2 3 4 (4)在误差允许范围内，若关系式________________(用Δh、d、t1、t4、g表示)成立，说明刻度尺下落过程中机械能守恒。(2分)  解析：由题可知，第4个胶带通过光电门时的速度v4=，若系统的机械能守恒，则有mg·3Δh=m()2-m()2，整理可得6gΔh=()2-()2。 6gΔh=- 1 5 2 3 4 (5)为了更精确验证机械能守恒，就题中相关参数，提出一条改进措施： ______________________________________________________ ________________________________。(2分)  减小黑色胶带的宽度(或者选取间隔更远的胶带进行测量，或 者增加刻度尺的质量，合理即可) 解析：可以采取“减小黑色胶带的宽度，或者选取间隔更远的胶带进行测量，或者增加刻度尺的质量”来减小误差。 1 5 2 3 4 4.(8分)(2025·甘肃高考)某学习小组使用如图1所示 的实验装置验证机械能守恒定律。 把一个直径为d的小球用不可伸长的细线悬挂， 光电门置于小球平衡位置处，其光线恰好通过小 球球心，计时器与光电门相连。 将小球拉离平衡位置并记录其高度h，然后由静止 释放(运动平面与光电门光线垂直)，记录小球经过光电门的挡光时间Δt。改变h，测量多组数据。已知重力加速度为g，忽略阻力。 1 5 2 3 4 (1)以h为横坐标、_______(填“Δt”“(Δt)2”“”或“” )为纵坐标作直线图。若所得图像过原点，且斜率为_________(用d和g表示)，即可证明小球在运动过程中机械能守恒。(4分)  1 5 2 3 4 解析：小球经过光电门的挡光时间为Δt，可得小球到达平衡位置的速度大小为v=，若此过程满足mgh=mv2，联立解得=h，则以h为横坐标、以为纵坐标作直线图。若所得图像过原点，且斜率为k=，即可证明小球在运动过程中机械能守恒。 1 5 2 3 4 (2)实验中，用游标卡尺测得小球直径d=20.48 mm。 ①由结果可知，所用的是____分度的游标卡尺(填“10”“20”或“50”)；(2分)  ②小组设计了一把25分度的游标卡尺，未测量时的状态如图2所示。如果用此游标卡尺测量该小球直径，则游标尺上第_____条刻度线与主尺上的刻度线对齐。(2分)  50 12 1 5 2 3 4 解析：①10分度、20分度、50分度的游标卡尺的精确度分别为0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm，小球直径d=20.48 mm，有两位小数，且末位是非零偶数，根据游标卡尺的读数规则可知，所用的是50分度的游标卡尺。 ②25分度的游标卡尺的精确度为0.04 mm，用此游标卡尺测量该小球直径为d=20 mm+n×0.04 mm=20.48 mm，解得n=12，则游标尺上第12条刻度线与主尺上的刻度线对齐。 1 5 2 3 4 5.(8分)(2025·江西高考)某小组利用气垫导轨、两个光电门、滑块、遮光片等，组成具有一定倾角的导轨装置，研究机械能守恒定律。重力加速度g取9.80 m/s2。 1 5 2 3 4 (1)实验前，应合理安装实验器材。图(a)中光电门___的位置安装不合理，应如何调整： _____________________。 (2分)  1 适当向右移动光电门1 解析：(1)由题图(a)可知，滑块释放点到光电门1的距离较短，速度较小，会导致滑块通过光电门1的速度测量误差较大，故光电门1安装不合理；应适当向右移动光电门1进行调整。 1 5 2 3 4 (2)实验时，导轨倾斜角的正弦值sin θ=0.061 3，光电门1、2相距L。将宽度d=4.82 mm的遮光片固定于滑块上，从导轨最左端静止释放滑块，分别记录遮光片通过光电门1、2的时间Δt1和Δt2。移动光电门2的位置改变L，重复实验，所测数据见下表。 L/cm 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 … 60.00 65.00 70.00 Δt1/ms 9.982 9.883 10.019 10.068 10.049 … 10.073 10.066 10.170 Δt2/ms 8.016 7.578 7.032 6.583 6.583 … 4.938 4.787 4.677 1 5 2 3 4 滑块经过光电门1、2的速度分别为v1和v2。当L=65.00 cm时，v2=_____m/s， 滑块通过两光电门下降的高度HL=_____ cm。(结果保留2位小数)(3分)  1.01 3.98 解析：当L=65.00 cm时，由题表可知遮光片通过光电门2的时间为Δt2=4.787 ms，故滑块通过光电门2的速度v2== m/s≈1.01 m/s。根据几何关系可得滑块通过两光电门下降的高度HL=Lsin θ=65×0.061 3 cm≈3.98 cm。 1 5 2 3 4 (3)处理上表数据，并绘制Δv2⁃HL关系曲线(其中Δv2=-)，如图(b)所示。根据图(b)中的信息，分析滑块在下滑过程中机械能是否守恒： ______，并给出理由： __________。(3分)  守恒 见解析 1 5 2 3 4 解析：根据题图(b)可知Δv2⁃HL图像的斜率k≈ m/s2=19.75 m/s2≈2g，在误差范围内，故Δv2=2gHL成立，说明下滑过程中滑块的动能增加量等于重力势能的减少量，即机械能守恒。 本课结束 更多精彩内容请登录：www.zghkt.cn $