新版推荐学习2023年高考物理总复习第23讲实验五验证机械能守恒定律讲义

生活的色彩就是学习生活的色彩就是学习K12的学习需要努力专业专心坚持K12的学习需要努力专业专心坚持生活的色彩就是学习K12的学习需要努力专业专心坚持第23讲实验五：验证机械能守恒定律考情剖析考查内容考纲要求考查年份考查详情能力要求实验、探究：验证机械能守恒定律16年T11—实验，以单摆为背景考查验证机械能是否守恒探究、推理弱项清单1.根本仪器是否估读掌握不准确；2.在实验原理分析上、理解并运用功能关系和动能定理及用准确的物理语言进行描述等方面的掌握不够；3.不理解实验原理；处理实验数据能力不强等；4.教学中强调打点计时器的纸带处理较多，对电磁打点计时器的实际操作无视.实验储藏一、实验目的验证机械能守恒定律．二、实验原理通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，假设二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律．三、实验器材打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(附铁夹)、导线两根．四、实验步骤1．根据实验原理图安装仪器．2．将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔．3．用手提着纸带，让重物靠近打点计时器并处于静止状态，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列小点．4．从几条打下点的纸带中挑选出点迹清晰的纸带进行测量，ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，ΔEp＝mgdn，vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T).5．计算比照ΔEp与ΔEk.五、实验结论在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒．六、误差分析1．测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值．2．系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mgdn，改良方法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．七、考前须知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平面内，以减少摩擦阻力．2．重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．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vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2gdn)或vn＝gt来计算．

技能优化释难答疑的金钥匙考点1实验原理和实验操作【典型例题1】(16年南京模拟)利用如图甲装置做“验证机械能守恒定律〞实验．甲(1)为验证机械能是否守恒，需要比拟重物下落过程中任意两点间的()A．动能变化量与势能变化量B．速度变化量与势能变化量C．速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在以下器材中，还必须使用的两种器材是()A．交流电源B．刻度尺C．天平(含砝码)(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图2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.当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________.乙(4)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＝eq\r(2gh)计算重物速度C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响D．没有采用屡次实验取平均值的方法(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2­h图象，并做如下判断：假设图象是一条过原点的直线，那么重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确的．1.利用图甲实验装置探究重物下落过程中动能与重力势能的转化问题．(1)实验操作步骤如下，请将步骤B补充完整：A．按实验要求安装好实验装置；B．使重物靠近打点计时器，接着先________________，后________________，打点计时器在纸带上打下一系列的点；C．图乙为一条符合实验要求的纸带，O点为打点计时器打下的第一点．分别测出假设干连续点A、B、C……与O点之间的距离h1、h2、h3….甲乙(2)打点计时器的打点周期为T，重物质量为m，重力加速度为g，结合实验中所测得的h1、h2、h3，可得重物下落到B点时的速度大小为________，纸带从O点下落到B点的过程中，重物增加的动能为________，减少的重力势能为________．(3)取打下O点时重物的重力势能为零，计算出该重物下落不同高度h时所对应的动能Ek和重力势能Ep，建立坐标系，横轴表示h，纵轴表示Ek和Ep，根据以上数据在图丙中绘出图线Ⅰ和图线Ⅱ.已求得图线Ⅰ斜率的绝对值k1＝2.94J/m，请计算图线Ⅱ的斜率的绝对值k2＝________J/m(保存3位有效数字)．重物和纸带下落过程中所受平均阻力与重物所受重力的比值为________(用k1和k2表示)．(4)通过对k1和k2的比拟分析，可得到的结论是(只要求写出一条)：____________________________________．丙考点2数据处理与误差分析【典型例题2】某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50Hz，得到如图乙所示的纸带．选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0＝19.00cm，点A、C间的距离为s1＝8.36cm，点C、E间的距离为s2＝9.88cm，g取9.8m/s甲(1)以下做法正确的有()A．图甲中两限位孔必须在同一竖直线上B．实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直C．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源D．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J，打下C点时重物的速度大小是________m/s.(结果保存三位有效数字)乙(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，那么以eq\f(v2,2)为纵坐标、以s为横坐标画出的图象应是下面的()(4)重物减少的重力势能总是略大于增加的动能，产生这一现象的原因是________________．(写出一条即可)考点3实验的改良与创新【典型例题3】(16年江苏高考)某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律．一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条．将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v＝eq\f(d,t)作为钢球经过A点时的速度，记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比拟钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒．甲(1)ΔEp＝mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到______之间的竖直距离．A．钢球在A点时的顶端B．钢球在A点时的球心C．钢球在A点时的底端(2)用ΔEk＝eq\f(1,2)mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图乙所示，其读数为________cm.某次测量中，计时器的示数为0.0100s，那么钢球的速度为v＝________m/s.乙(3)下表为该同学的实验结果：ΔEp(×10－2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10－2J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的．你是否同意他的观点？请说明理由．(4)请你提出一条减小上述差异的改良建议．【学习建议】根本仪器的使用要掌握，例如：刻度尺、游标尺、螺旋测微器、电流表、电压表等，它们的度数规那么要掌握．实验要分组做，讲实验不能代替做实验．清楚各实验的系统误差来源．慢慢接触数字实验，数字多用电表、数字游标卡尺、光电计时器等．

当堂检测1.用如下图装置验证机械能守恒定律．实验前调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束．实验中通过断开电磁铁开关使小球从A点下落，经过光电门B，记录挡光时间Δt，测出小球在AB间下落的距离h.竖直平移光电门B，重复上述步骤，测得多组h及相应的Δt，当地重力加速度为g.第1题图(1)实验中还需测量的物理量是____________．(2)小球通过光电门速度的表达式为v＝__________．(3)根据测量数据描绘eq\f(1,Δt2)­h图象，能否仅依据图象是过原点的直线就得出机械能守恒的结论？____________，理由是________________________________________________________________________．2．某同学利用倾斜气垫导轨做“验证机械能守恒定律〞的实验，实验装置如图甲所示．其主要实验步骤如下：第2题图甲a．用游标卡尺测量挡光条的宽度l，结果如图乙所示；b．读出导轨标尺的总长L0，并用直尺测出导轨标尺在竖直方向的高度H0；c．读出滑块释放处挡光条与光电门中心之间的距离s；d．由静止释放滑块，从数字计时器(图中未画出)上读出挡光条通过光电门所用的时间t.答复以下问题：(1)由图乙读出l＝________mm.第2题图乙(2)________(选填“有〞或“没有〞)必要用天平称出滑块和挡光条的总质量M.(3)屡次改变光电门位置，即改变距离s，重复上述实验，作出eq\f(1,t2)随s的变化图象，如图丙所示，当量t0、s0、l、L0、H0和当地重力加速度g满足表达式eq\f(1,teq\o\al(2,0))＝________时，可判断滑块下滑过程中机械能守恒．第2题图丙

第23讲实验五：验证机械能守恒定律技能优化·典型例题1·(1)A(2)AB(3)－mghBeq\f(1,2)m(eq\f(hC－hA,2T))2(4)C(5)不正确，理由见解析【解析】(1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比拟重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差范围内是否相等，A项正确．(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故要选A，需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，选B，根据mgh＝eq\f(1,2)mv2－0可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不需用C.(3)重物的重力势能变化量为ΔEp＝－mghB，动能的变化量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)＝eq\f(1,2)m(eq\f(hC－hA,2T))2(4)重物重力势能的减少量略大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力的影响，C正确．(5)该同学的判断依据不正确，在重物下落h的过程中，假设阻力f恒定，根据mgh－fh＝eq\f(1,2)mv2－0，那么v2＝2(g－eq\f(f,m))h可知，v2­h图象就是过原点的一条直线．要想通过v2­h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g.·变式训练1·(1)接通电源放开纸带(2)eq\f(h3－h1,2T)eq\f(m〔h3－h1〕2,8T2)mgh2(3)2.86(2.73～2.87均可)eq\f(k1－k2,k1)(k1用mg表示也可)(4)k2小于k1，动能的增量小于重力势能的减少量(其他结论合理的也可)【解析】(1)使用打点计时器时应先接通电源后放开纸带．(2)做匀变速直线运动的物体，在某段时间内的平均速度等于该段时间的中间时刻的瞬时速度，所以vB＝v＝eq\f(Δs,Δt)＝eq\f(h3－h1,2T).纸带从O点下落到B点的过程中，重物增加的动能为Ek＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)＝eq\f(m〔h3－h1〕2,8T2)，减少的重力势能为mgh2.(3)由题图可知k2＝eq\f(1.40－0,49)≈2.86；对图线Ⅰ：Ep＝－mgh，即k1＝mg，对图线Ⅱ：Ek＝(mg－Ff)h，即k2＝mg－Ff，所以Ff＝k1－k2，eq\f(Ff,mg)＝eq\f(k1－k2,mg)＝eq\f(k1－k2,k1).(4)由(3)可知，k2<k1，动能的增量小于重力势能的减少量(其他结论合理的也可)．·典型例题2·(1)AB(2)2.682.28(3)C(4)重物受到空气阻力(或纸带与打点计时器之间存在阻力)【解析】(1)图甲中两限位孔必须在同一竖直线上，实验前手应提住纸带上端，并使纸带竖直，这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦，选项A、B正确；实验时，应先接通打点计时器的电源再放开纸带，选项C错误；数据处理时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，以减小长度的测量误差，选项D错误．(2)重物减少的重力势能为ΔEp＝mg(s0＋s1)＝2.68J，由于重物下落时做匀变速运动，根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知，打下C点时重物的速度为vC＝eq\f(s1＋s2,4T)＝2.28m/s.(3)物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出mgs＝eq\f(1,2)mv2，即gs＝eq\f(1,2)v2，所以eq\f(v2,2)­s图线应是一条过原点的倾斜直线，选项C正确．(4)在实验过程中，纸带与打点计时器之间的阻力、空气阻力是存在的，克服阻力做