2025版高考物理全程一轮复习第六章机械能守恒定律实验七验证机械能守恒定律学案

实验七验证机械能守恒定律1.熟悉“验证机械能守恒定律”的基本实验原理及注意事项．2．会验证创新实验的机械能守恒．一、基本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．重物：选密度大、质量大的金属块，且靠近计时器处释放．3．打纸带：让重物自由下落，纸带上打下一系列小点．4．选纸带：点迹清晰，且所选用的点在同一条直线上．5．速度：应用vn＝hn+1−hn−12T，不能用vn＝二、数据处理和实验结论1．数据处理(1)方案一：利用起始点和第n点计算：验证ghn＝12(2)方案二：任取较远两点A、B：验证ghAB＝12(3)方案三：图像法，描绘出12v2－h2．结论在实验误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒．注意事项(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)重物密度要大：重物应选用质量大、体积小的物体．(3)一先一后：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＝hn+1−hn−12T，不能用vn＝(5)减小测量误差：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．(6)误差来源：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＝12mvn2考点一教材原型实验例1在用打点计时器“验证机械能守恒定律”实验中(1)纸带将被释放瞬间的四种情景如照片所示，其中最合适的是________．(2)若已知打点计时器的电源频率为50Hz，当地的重力加速度g＝9.80m/s2，重物质量为0.2kg，实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，打P点时，重物的速度为零，A、B、C为另外3个连续点，根据图中的数据，可知重物由P点运动到B点，重力势能减少量ΔEp＝________J(计算结果保留3位有效数字)．(3)小明测量出打P点到B点的时间tB，再用自由落体运动公式“vB＝gtB”计算出vB，这种处理数据的方法是________的(选填“正确”或“错误”)．(4)若PB的距离用h表示，打B点时重物的速度为vB，当两者间的关系式满足________时，说明下落过程中重锤的机械能守恒(已知重力加速度为g，用h、vB、g表示)．(5)实验中发现重物增加的动能总大于减少的重力势能，其主要原因可能是________．A．重物的质量过大B．重物的体积过小C．先释放重物后通电打点了D．重物及纸带在下落时受到阻力例2某实验小组“用自由落体法验证机械能守恒定律”，实验装置如图甲所示．实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v，计算出重物减小的重力势能mgh和增加的动能12mv2(1)关于上述实验，下列说法中正确的是________．A．重物最好选择密度较小的木块B．重物的质量可以不测量C．实验中应先接通电源，后释放纸带D．可以利用公式v＝2gh来求解瞬时速度(2)如图乙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起始点，选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点，并测出各计数点到O点的距离依次为27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm.已知打点计时器所用的电源是50Hz的交流电，重物的质量为0.5kg，则从计时器打下点O到打下点D的过程中，重物减小的重力势能ΔEp＝________J；重物增加的动能ΔEk＝________J，两者不完全相等的原因可能是________________．(重力加速度g取9.8m/s2，计算结果保留三位有效数字)(3)实验小组的同学正确计算出了图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v，以各计数点到A点的距离h为横轴，v2为纵轴作出图像，如图丙所示，根据作出的图线，能粗略验证自由下落的重物机械能守恒的依据是________________________________．考点二探索创新实验考向1实验器材的创新例3[2024·辽宁丹东一模]某实验小组为验证系统机械能守恒，设计了如图所示的装置，实验过程如下：图甲图乙(1)用螺旋测微器测量砝码上端固定的遮光片厚度时，螺旋测微器示数如图乙所示，则d＝________mm，测得砝码和遮光片总质量m＝0.026kg；(2)按图甲安装实验器材并调试，确保砝码竖直上下振动时，遮光片运动最高点高于光电门1的激光孔，运动最低点低于光电门2的激光孔；图丙(3)实验时，利用计算机记录弹簧拉伸量x及力传感器的读数F，画出F­x图像，如图丙所示；(4)测量遮光片经过光电门1的挡光时间t1＝0.0051s，弹簧的拉伸量x1＝0.04m，经过光电门2的挡光时间t2＝0.0102s，弹簧的拉伸量x2＝0.08m，以及两个光电门激光孔之间的距离h＝0.04m；(5)遮光片从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的增加量Ep＝________J，系统动能的减少量Ek＝________J(结果保留三位有效数字，g＝10m/s2)，实验表明在误差允许范围内系统机械能守恒．考向2实验目的的创新例4某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图(a)所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．(1)实验中涉及下列操作步骤：①把纸带向左拉直②松手释放物块③接通打点计时器电源④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号)．(2)图(b)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果．打点计时器所用交流电的频率为50Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s.比较两纸带可知，________(选填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大．考向3实验方案的创新例5[2024·四川成都第二次诊断]某研究小组利用DIS实验装置验证机械能守恒定律．如图(a)为装置图，内置有光电门的摆锤通过轻杆与转轴O相连，摆锤通过遮光片时可记录遮光时间．实验时，摆锤从M点由静止释放，依次记录其通过每个遮光片所对应的时间t.用刻度尺测出每个遮光片距最低点N的竖直高度h，摆锤质量为m，重力加速度为g.(1)实验前，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，其示数如图(b)，则d＝________mm.(2)若以最低点N所处水平面为零势能面，选用字母m、h、d、t、g表示相应物理量，则摆锤经过某个遮光片时，摆锤的重力势能Ep＝________________，动能Ek＝________；对此通过各遮光片处摆锤的机械能E(E＝Ep＋Ek)是否相等，可判断机械能守恒与否．(3)为了更直观地处理数据，研究小组绘制了摆锤摆下过程中动能、重力势能及机械能随高度变化的图像如图(c)所示，其中重力势能Ep的图线应为________(选填“A”“B”或“C”)；仔细比对数据发现，摆锤摆下过程中，重力势能减少量________(选填“大于”或“小于”)动能增加量．实验七验证机械能守恒定律关键能力·分层突破例1解析：(1)验证机械能守恒定律实验中，为了减小纸带与打点计时器间的摩擦力，应用手拉着纸带上端竖直穿过打点计时器，同时重物应该靠近打点计时器．故选D.(2)重物由P点运动到B点，重力势能减少量为ΔEp＝mghB＝0.2×9.8×5.01×10－2J≈0.0982J.(3)小明测量出打P点到B点的时间tB，再用自由落体运动公式“vB＝gtB”计算出vB，这种处理数据的方法是错误的；因为这种方法直接认为物体只受重力作用，这样就失去了验证机械能守恒定律的意义了．(4)根据机械能守恒可得mgh＝12mvB2，可得当满足关系式(5)实验中发现重物增加的动能总大于减少的重力势能．重物的质量过大或重物的体积过小，均不会使重物增加的动能大于减少的重力势能，故A、B错误；先释放重物后通电打点了，则打第一点时重物的初速度不为零，计算重物增加的动能时，没有减去初动能，则重物增加的动能测量值偏大，使得重物增加的动能大于减少的重力势能，故C正确；重物及纸带在下落时受到阻力，则重物减少的重力势能有一部分转化为内能，使得重物增加的动能小于减少的重力势能，故D错误．故选C.答案：(1)D(2)0.0982(3)错误4vB2＝2gh例2解析：(1)重物最好选择密度较大的铁块，受到的阻力影响较小，A错误；本题是用自由落体运动来验证机械能守恒定律，需要验证的方程是mgh＝12mv2，因为我们是比较mgh与12mv2的大小关系，故m可约去，不需要测量重物的质量，B正确；实验中应先接通电源，后释放纸带，C正确；不能利用公式v＝(2)重力势能减小量ΔEp＝mgh＝0.5×9.8×0.4365J≈2.14J．利用匀变速直线运动的推论：vD＝ΔxΔt＝0.4966−0.38020.04m/s＝2.91m/s，EkD＝12mvD2＝1(3)根据表达式mgh＝12mv2，则有v2＝2gh；当图像的斜率为重力加速度的2倍时，即可验证机械能守恒，而图像的斜率k＝10.36−5.480.25m·s－2＝19.52m·s－2，则答案：(1)BC(2)2.142.12阻力做负功(3)见解析例3解析：(1)螺旋测微器的分度值为0.01mm，则遮光片厚度为d＝2mm＋4.0×0.01mm＝2.040mm(5)遮光片从光电门1运动到光电门2的过程中，弹性势能增加量Ep1＝0.2+0.42重力势能减小量Ep2＝mg(x2－x1)＝0.0104J系统势能的增加量Ep＝Ep1－Ep2＝1.60×10－3J通过光电门的速度v＝d系统动能的减少量Ek＝12m(dt1)2－12m(dt答案：(1)2.040(5)1.60×10－31.56×10－3例4解析：(1)根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②.(2)物块脱离弹簧时速度最大，则有v＝ΔxΔt＝2.58×10−20.02m/s＝1.29m/s；由动能定理可知Ep＝ΔE答案：(1)④①③②(2)1.29M例5解析：(1)10分度游标尺的分度值为0.1mm，由图(b)可知遮光片的宽度为d＝8mm＋7