(共45张PPT)
[学习目标]
1.明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量。
2.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性分析产生误差的原因。
三、参考案例
案例(一) 研究自由下落物体的机械能
1.实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸(或墨粉纸盘)、导线、刻度尺、交流电源。
2.实验步骤
(1)安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。
(2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3～5条打好点的纸带。
(3)选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及在两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证。
方法三：图像法(如图丙所示)。
若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证。
4.误差分析
本实验的误差主要是测量纸带产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。
案例(二) 研究沿斜面下滑物体的机械能
1.实验器材
如图所示，气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。
2.实验步骤
把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大。
测量两光电门之间高度差Δh和滑块通过两个光电门时的速度v1、v2，代入表达式验证。
题型一 教材原型实验
[例1] (2025·河南卷)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
(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(保留三位有效数字)。
(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________(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＝________(保留三位有效数字)。
[例2] 为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置(包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计)进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。
(1)某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是________。
①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；
②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；
③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；
④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l；
⑤调整好气垫导轨的倾斜状态；
⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，由静止开始释放，从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间Δt1、Δt2；
⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度h1、h2；
⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。
(2)用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝5.00 mm；某次实验中，测得Δt1＝11.60 ms，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度v1＝________ m/s(保留三位有效数字)。
(3)在误差允许范围内，若h1－h2＝________________________(用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g)，则认为滑块下滑过程中机械能守恒。
(4)写出两点产生误差的主________________________________________________
________________________________________________________________________。
题型二 拓展创新实验
[例3] 用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，物块2从高处由静止开始下落，物块1上拖着的纸带打出了一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带，其中0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示。已知物块1、2的质量分别为m1＝50 g、m2＝150 g(电源频率为50 Hz，结果均保留两位有效数字)。
答案 (1)2.4 (2)0.58 0.60 (3)9.7
[例4] 在“验证机械能守恒定律”的实验中，一实验小组给小球一个初速度，让小球从倾角为30°的斜面底端A点沿斜面向上运动，用频闪相机记录了小球沿斜面上滑的过程，如图所示，测得B、C、D、E到A的距离分别为x1，x2，x3，x4，已知相机的频闪频率为f，当地的重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)小球经过位置D时的速度vD＝________。
(2)小球上滑的过程中动能的减少量ΔEk与重力势能的增加量ΔEp进行比较，有ΔEk________(选填“>”“<”或“＝”)ΔEp。
(3)选取A为位移起点，根据实验数据，作出v2－x图线，若图线斜率k＝________，则小球上滑过程中机械能守恒。
(4)若改变斜面倾角进行实验，请写出斜面倾角大小对实验误差的影响：_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
1.某实验小组利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。
(1)为了验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________。
A.速度变化量和势能变化量
B.速度变化量和高度变化量
C.动能变化量和势能变化量
(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、交流电源、导线和开关外，还必须使用的一种器材是________[选填“天平(含砝码)”或“刻度尺”]。
答案 (1)C (2)刻度尺
解析 (1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量，故选C。
(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、交流电源、导线和开关外，还必须使用的一种器材是刻度尺，需要测量纸带上两点间的距离。
2.某同学用图甲所示的实验装置测量当地的重力加速度，先接通电源后释放纸带，在纸带上打出一系列的点如图乙所示，图中A、B、C、D、E、F是纸带上打出的连续的点，测出B、C、D、E、F这几点到A点的距离并标在纸带上，打点计时器的打点周期为T。
(1)电火花计时器所用电源为________(选填“交流电源”或“直流电源”)。
(2)打下点D时，重锤的速度vD＝________(用题中所给字母表示)。
(3)若分别计算出纸带上B、C、D、E各点对应的速度，并在坐标系中画出v2－h的关系图线，如图丙所示，则重力加速度g＝________(计算结果保留三位有效数字)。
3.某实验小组用如图所示的装置验证机械能守恒定律，物块A、B的质量分别为mA、mB(mA>mB)，C为固定在物块A上、宽度为d的细遮光条(质量不计)，D为铁架台，E为固定在铁架台上的轻质定滑轮，F为光电门，在铁架台上标记一位置O，测得该位置与光电门之间的高度差为h，让物块A从位置O由静止开始下降，遮光条通过光电门的时间为t，当地重力加速度大小为g，回答下列问题：
(1)遮光条经过光电门时系统的总动能Ek＝____________。
(2)从释放物块A到遮光条经过光电门的过程中，系统减少的重力势能Ep＝____________。
(3)实验发现Ek总略小于Ep，该误差来源为______________________(写出一条即可)。
4.如图所示的装置可用来“验证机械能守恒定律”。长度为L的轻绳一端固定在O点，另一端系一摆锤A，在A上放一个小铁片。现将摆锤拉起，使轻绳偏离竖直方向θ角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P阻挡而停止运动，这时铁片将做平抛运动而飞离摆锤，用刻度尺量出铁片的水平位移为x，下落高度为H(不计A与铁片间的摩擦)。
(1)要验证摆锤在运动中机械能守恒，必须求出摆锤初始位置离最低位置的高度，其高度应为________________，同时还应求出摆锤在最低位置时的速度，其速度应为____________(重力加速度为g)。
(2)用实验中测量的物理量写出验证摆锤在运动中机械能守恒的关系式为____________________________。
5.实验小组用如图所示的装置验证机械能守恒定律。小组同学将气垫导轨调节水平后，将带遮光条的滑块置于导轨之上，调整装置，使动滑轮两侧的细绳竖直、定滑轮右侧的细绳水平。小组同学测得重锤及动滑轮的总质量为m、滑块的质量为M、遮光条的宽度为d、遮光条至光电门的距离为x，遮光条通过光电门的时间为t，已知当地重力加速度为g。
(1)已知d＝6.800 mm，t＝3.5×10-3 s，则遮光条通过光电门时滑块的速度大小为______ m/s(保留三位有效数字)。
(2)若在误差允许范围内满足____________(用M、m、d、t、x、g等题目所给字母填写相应的关系式)，即可知重锤、动滑轮与滑块组成的系统机械能守恒。
(3)实验小组发现系统增加的动能总是略小于减少的重力势能，原因可能是
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(1)在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置，测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源。从静止释放钩码，弹簧收缩，得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图乙所示，纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T(在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点)。从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为______________，钩码的动能增加量为________，钩码的重力势能增加量为________。
(2)利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧的弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系，如图丙所示。由图丙可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是______________________________________
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