高考物理一輪復(fù)習(xí)講義專題6.5本專題實驗（解析版）

專題6.5本專題實驗【講】【講核心素養(yǎng)】科學(xué)探究：探究動能定理；實驗：驗證機械能守恒定律（1）.熟悉“探究動能定理”的基本實驗原理及注意事項（2）.熟悉“驗證機械能守恒定律”的基本實驗原理及注意事項.（3）.會驗證創(chuàng)新實驗的機械能守恒．【講考點題型】【知識點一】探究動能定理一、實驗原理與操作二、數(shù)據(jù)處理與誤差分析1．?dāng)?shù)據(jù)處理（1）求小車速度實驗獲得如圖所示紙帶，利用紙帶上點跡均勻的一段測出兩點間的距離，如紙帶上A、C兩點間的距離x，則v＝eq\f(x,2T)（其中T為打點周期）。（2）計算W，2W，3W，…時對應(yīng)v、v2的數(shù)值，填入下面表格W2W3W4W5Wvv2（3）作圖像在坐標(biāo)紙上分別做出W-v和W-v2圖線，從中找出功與速度變化的關(guān)系。2．誤差分析（1）誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細(xì)不一，使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比。（2）沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大也會造成誤差。（3）利用打上點的紙帶計算小車的速度時，測量不準(zhǔn)帶來誤差。三、注意事項1．平衡摩擦力：將木板一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否勻速運動，找到木板一個合適的傾角。2．選點測速：測小車速度時，紙帶上的點應(yīng)選均勻部分的，也就是選小車做勻速運動狀態(tài)的。3．橡皮筋的選擇：橡皮筋規(guī)格相同時，力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值?！纠?】（2021·浙江·高考真題）用如圖所示裝置進(jìn)行“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗。裝有砝碼的盤用繞過滑輪的細(xì)線牽引小車，盤和砝碼的重力可當(dāng)作牽引力。小車運動的位移和速度可以由打點紙帶測出，以小車為研究對象，改變砝碼質(zhì)量，便可探究牽引力所做的功與小車速度變化的關(guān)系。①關(guān)于這個實驗，下列說法正確的是______；A．需要補償小車受到阻力的影響B(tài)．該實驗裝置可以“驗證機械能守恒定律”C．需要通過調(diào)節(jié)定滑輪使細(xì)線與長木板平行D．需要滿足盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量②如圖2所示是兩條紙帶，實驗時打出的應(yīng)是第______條（填寫“I”或“II”）紙帶；③根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出的W-v2圖象是一條過原點的直線，據(jù)此圖象______（填“能”或“不能”）求出小車的質(zhì)量。【答案】

ACD

Ⅱ

能【解析】①A．題中需要將盤和砝碼的重力可當(dāng)作牽引力，所以首先需要補償小車受到阻力的影響，即抬高長木板右端，小車在不接盤和砝碼的情況下，輕推小車，使小車做勻速直線運動，說明小車重力沿斜面的分力與小車所受阻力等大反向，A正確；D．然后掛上盤與砝碼SKIPIF1<0，根據(jù)牛頓第二定律SKIPIF1<0對小車SKIPIF1<0，根據(jù)牛頓第二定律SKIPIF1<0兩式相比解得繩子拉力SKIPIF1<0當(dāng)滿足盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，即SKIPIF1<0，盤和砝碼的重力可當(dāng)作牽引力，D正確；B．實驗過程中摩擦阻力無法消除，本實驗裝置無法驗證“機械能守恒定律”故B錯誤。C．細(xì)線與長木板平行需要平行，保證繩子的拉力與小車運動方向一致，這樣盤和砝碼的重力可完全當(dāng)作牽引力，C正確。故選ACD。②小車做勻加速直線運動，位移逐漸增大，所以實驗打出的紙帶是第II條。③根據(jù)動能定理可知SKIPIF1<0，圖像的斜率為SKIPIF1<0，據(jù)SKIPIF1<0能求出小車的質(zhì)量。【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)探究要求考生能理解實驗原理及方法并且能利用紙帶處理實驗數(shù)據(jù)?！咀兪接?xùn)練1】（2022·黑龍江·齊齊哈爾市第一中學(xué)校二模）用圖甲所示的實驗裝置探究“動能定理”。某學(xué)習(xí)小組在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個光電門B，滑塊上固定一遮光條。細(xì)線一端連著滑塊，另一端繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力電傳感器相連，傳感器下方懸掛鉤碼，每次滑塊都從A處由靜止釋放。（1）某同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d，如圖乙所示，則d=_______mm。（2）下列實驗要求中不必要的一項是_______（請?zhí)顚戇x項前對應(yīng)的字母）。A．應(yīng)使A位置與光電門間的距離適當(dāng)大些B．應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力電傳感器的總質(zhì)量C．應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平D．應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行（3）實驗時保持滑塊的質(zhì)量M和A、B間的距離L不變，改變鉤碼質(zhì)量m，測出對應(yīng)的力電傳感器的示數(shù)F和遮光條通過光電門的時間t，通過描點作出線性圖象，研究滑塊動能的變化量與合外力對它所做功的關(guān)系，處理實驗數(shù)據(jù)時應(yīng)作出的圖象是_______（請?zhí)顚戇x項前對應(yīng)的字母）。A．作出“t-F”圖象

B．作出“t2-F”圖象C．作出“t2-SKIPIF1<0”圖象

D．作出“SKIPIF1<0-F2”圖象【答案】

2.30

B

C【解析】（1）讀數(shù)為SKIPIF1<0（2）A．應(yīng)使A位置與光電門間的距離適當(dāng)大一些，有利于減小誤差，故A有必要，不符合題意；B．拉力是直接通過傳感器測量的，與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小無關(guān)，故B沒有必要，符合題意；C．D．氣墊導(dǎo)軌對滑塊的摩擦幾乎為零，應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平，保持細(xì)線方向與氣墊導(dǎo)軌平行，這樣拉力才等于合力，故CD有必要，不符合題意；故選B。（3）根據(jù)牛頓第二定律SKIPIF1<0速度為SKIPIF1<0由勻變速直線運動的速度位移公式得SKIPIF1<0得SKIPIF1<0所以，研究滑塊的加速度與力的關(guān)系，處理數(shù)據(jù)應(yīng)作SKIPIF1<0圖像。故選C。【方法總結(jié)】1、處理實驗數(shù)據(jù)的方法有平均值法、列表法和圖象法，本題主要用了后兩種方法處理實驗數(shù)據(jù)．列表法的優(yōu)點是將數(shù)據(jù)列成表格，可以簡明地表示出有關(guān)物理量之間的關(guān)系，便于檢查測量結(jié)果和運算是否合理，有助于發(fā)現(xiàn)和分析問題，而且列表法還是圖象法的基礎(chǔ)．圖象法的優(yōu)點是通過作圖可以找到或反映物理量之間的變化關(guān)系，并便于找出其中的規(guī)律，確定對應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系.2、信息含義（1）氣墊導(dǎo)軌——不需要平衡摩擦力；（2）光電門——根據(jù)eq\f(d,Δt)計算速度；（3）力傳感器——直接讀出拉力．【知識點二】實驗：驗證機械能守恒定律一．實驗基本要求1.實驗?zāi)康尿炞C機械能守恒定律。2.實驗原理（如圖所示）通過實驗，求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和對應(yīng)過程動能的增加量，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。3.實驗器材打點計時器、交流電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（帶鐵夾）、導(dǎo)線。4.實驗步驟（1）安裝器材：將打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線將打點計時器與電源相連。（2）打紙帶用手豎直提起紙帶，使重物停靠在打點計時器下方附近，先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落，打點計時器就在紙帶上打出一系列的點，取下紙帶，換上新的紙帶重打幾條（3～5條）紙帶。（3）選紙帶：分兩種情況說明①若選第1點O到下落到某一點的過程，即用mgh＝eq\f(1,2)mv2來驗證，應(yīng)選點跡清晰，且第1、2兩點間距離接近2mm的紙帶（電源頻率為50Hz）。②用eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)＝mghAB驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時選擇適當(dāng)?shù)狞c為基準(zhǔn)點即可。5.實驗結(jié)論在誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體運動過程機械能守恒。二．基本實驗方法1.誤差分析（1）測量誤差：減小測量誤差的方法，一是測下落距離時都從O點量起，一次將各打點對應(yīng)下落高度測量完，二是多測幾次取平均值。（2）系統(tǒng)誤差：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)必定稍小于重力勢能的減少量ΔEp＝mghn，改進(jìn)辦法是調(diào)整安裝的器材，盡可能地減小阻力。2.注意事項（1）打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直線上，以減少摩擦阻力。（2）重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。（3）應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落。（4）測長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt來計算。3.驗證方案方案一：利用起始點和第n點計算代入mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)相等，則驗證了機械能守恒定律。方案二：任取兩點計算（1）任取兩點A、B，測出hAB，算出mghAB。（2）算出eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)的值。（3）在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，若mghAB＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)，則驗證了機械能守恒定律。方案三：圖象法從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以eq\f(1,2)v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖象。若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律。三、實驗創(chuàng)新在高考中往往以課本實驗為背景，通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)開放性、探究性、創(chuàng)新性等特點，如以下拓展創(chuàng)新角度：實驗原理的創(chuàng)新1.利用鋼球擺動來驗證機械能守恒定律。2.利用光電門測定擺球的瞬時速度。實驗器材的創(chuàng)新1．小球在重力作用下做豎直上拋運動。2.利用頻閃照片獲取實驗數(shù)據(jù)。1.利用系統(tǒng)機械能守恒代替單個物體的機械能守恒。2.利用光電門測定滑塊的瞬時速度。實驗過程的創(chuàng)新1.用光電門測定小球下落到B點的速度。2.結(jié)合eq\f(1,t2)-H圖象判斷小球下落過程中機械能守恒。3.分析實驗誤差ΔEp－ΔEk隨H變化的規(guī)律。【例2】（2022·廣東·模擬預(yù)測）某物理興趣小組利用如圖甲實驗裝置驗證SKIPIF1<0、SKIPIF1<0組成的系統(tǒng)機械能守恒。SKIPIF1<0從一定高度由靜止開始下落，SKIPIF1<0上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點跡進(jìn)行測量，即可驗證機械能守恒定律。如圖乙給出的是實驗中獲取的一條紙帶：O是打下的第一個點，打點計時器的工作頻率為50Hz。A、B、C為紙帶上標(biāo)注的三個計數(shù)點，每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點（圖中未標(biāo)出）。各計數(shù)點到O點的距離已在圖中標(biāo)出。已知SKIPIF1<0、SKIPIF1<0（重力加速度g取SKIPIF1<0，計算結(jié)果均保留一位小數(shù)）（1）關(guān)于上述實驗，下列說法中正確的是______；A．重物最好選擇密度較大的物塊B．重物的質(zhì)量可以不測量C．實驗中應(yīng)先釋放紙帶，后接通電源D．可以利用公式SKIPIF1<0來求解瞬時速度（2）在紙帶上打下計數(shù)點B時的速度v＝______m/s；（3）在打計數(shù)點O至B過程中系統(tǒng)動能的增加量SKIPIF1<0______J，系統(tǒng)重力勢能的減少量SKIPIF1<0______J，實驗結(jié)果顯示SKIPIF1<0略大于SKIPIF1<0，那么造成這一現(xiàn)象的主要原因是_______。（4）某同學(xué)根據(jù)選取的紙帶的打點情況做進(jìn)一步分析，做出SKIPIF1<0獲得的速度v的平方隨下落的高度h的變化圖像如圖丙所示，據(jù)此可計算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝______SKIPIF1<0?！敬鸢浮?/p>

A

2.0

0.6

0.7

紙帶與打點計時器間有摩擦，摩擦阻力做功造成機械能損失

SKIPIF1<0【解析】（1）A．為減小實驗誤差，重物最好選擇密度較大的物塊，以減小空氣阻力，故A正確；B．因為實驗需要計算系統(tǒng)重力勢能減少量SKIPIF1<0和系統(tǒng)動能增加量SKIPIF1<0需要驗證兩者是否相等，兩式子不能把質(zhì)量消除，所以需要測量重物的質(zhì)量，故B錯誤；C．實驗中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶，故C錯誤；D．本實驗是驗證機械能守恒的實驗，若利用公式SKIPIF1<0來求解瞬時速度，則需要滿足機械能守恒的條件下才可以使用，故與本實驗矛盾，故D錯誤。故選A。（2）在紙帶上打下計數(shù)點B時的速度SKIPIF1<0（3）在打計數(shù)點O至B過程中系統(tǒng)動能的增加量為SKIPIF1<0系統(tǒng)重力勢能的減少量SKIPIF1<0實驗結(jié)果顯示SKIPIF1<0略大于SKIPIF1<0，原因是紙帶與打點計時器間有摩擦，摩擦阻力做功造成機械能損失；（4）由關(guān)系式SKIPIF1<0可得SKIPIF1<0由圖像可知SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)探究要求考生能理解實驗原理及方法并且能利用紙帶處理實驗數(shù)據(jù)?！咀兪接?xùn)練2】（2021·河北·高考真題）某同學(xué)利用圖1中的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關(guān)系，所用器材有：一端帶滑輪的長木板、輕細(xì)繩、SKIPIF1<0的鉤碼若干、光電門2個、數(shù)字計時器、帶遮光條的滑塊（質(zhì)量為SKIPIF1<0，其上可放鉤碼）、刻度尺，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹镾KIPIF1<0，實驗操作步驟如下：①安裝器材，調(diào)整兩個光電門距離為SKIPIF1<0，輕細(xì)繩下端懸掛4個鉤碼，如圖1所示；②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個光電門的時間，并計算出滑塊通過兩個光電門的速度；③保持最下端懸掛4個鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)上述步驟；④完成5次測量后，計算出每次實驗中滑塊及所載鉤碼的總質(zhì)量M、系統(tǒng)（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細(xì)繩懸掛鉤碼）總動能的增加量SKIPIF1<0及系統(tǒng)總機械能的減少量SKIPIF1<0，結(jié)果如下表所示：SKIPIF1<00.2000.2500.3000.3500.400SKIPIF1<00.5820.4900.3920.2940.195SKIPIF1<00.3930.4900.6860.785回答下列問題：（1）實驗中輕細(xì)繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量為______J（保留三位有效數(shù)字）；（2）步驟④中的數(shù)據(jù)所缺數(shù)據(jù)為______；（3）若M為橫軸，SKIPIF1<0為縱軸，選擇合適的標(biāo)度，在圖2中繪出SKIPIF1<0圖像______；若系統(tǒng)總機械能的減少量等于克服摩擦力做功，則物塊與木板之間的摩擦因數(shù)為______（保留兩位有效數(shù)字）【答案】

0.980

0.588

0.40（0.38~0.42）【解析】（1）四個鉤碼重力勢能的減少量為SKIPIF1<0（2）對滑塊和鉤碼構(gòu)成的系統(tǒng)，由能量守恒定律可知SKIPIF1<0其中系統(tǒng)減少的重力勢能為SKIPIF1<0系統(tǒng)增加的動能為SKIPIF1<0系統(tǒng)減少的機械能為SKIPIF1<0，則代入數(shù)據(jù)可得表格中減少的機械能為SKIPIF1<0（3）根據(jù)表格數(shù)據(jù)描點得SKIPIF1<0的圖像為根據(jù)做功關(guān)系可知SKIPIF1<0則SKIPIF1<0圖像的斜率為SKIPIF1<0解得動摩擦因數(shù)為SKIPIF1<0（0.38~0.42）【必備知識】實驗原理與操作本實驗是利用自由落體運動驗證機械能守恒定律，測出物體下落的高度及初、末位置的速度是實驗的關(guān)鍵，操作上注意三點：（1）重物要靠近打點計時器。（2）紙帶要保持豎直。（3）先接通電源再放開紙帶?！纠?】 （2022·湖北·高考真題）某同學(xué)設(shè)計了一個用拉力傳感器驗證機械能守恒定律的實驗。一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲所示。拉起小鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內(nèi)擺動，記錄鋼球擺動過程中拉力傳感器示數(shù)的最大值SKIPIF1<0和最小值SKIPIF1<0。改變小鋼球的初始釋放位置，重復(fù)上述過程。根據(jù)測量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制的SKIPIF1<0圖像是一條直線，如圖乙所示。（1）若小鋼球擺動過程中機械能守恒。則圖乙中直線斜率的理論值為_______。（2）由圖乙得：直線的斜率為______，小鋼球的重力為_______N。（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）（3）該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是______（單選，填正確答案標(biāo)號）。A．小鋼球擺動角度偏大B．小鋼球初始釋放位置不同C．小鋼球擺動過程中有空氣阻力【答案】

SKIPIF1<0

SKIPIF1<0

0.59

C【解析】（1）設(shè)初始位置時，細(xì)線與豎直方向夾角為θ，則細(xì)線拉力最小值為SKIPIF1<0到最低點時細(xì)線拉力最大，則SKIPIF1<0SKIPIF1<0聯(lián)立可得SKIPIF1<0即若小鋼球擺動過程中機械能守恒。則圖乙中直線斜率的理論值為SKIPIF1<0；（2）由圖乙得直線的斜率為SKIPIF1<0SKIPIF1<0則小鋼球的重力為SKIPIF1<0（3）該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是小鋼球擺動過程中有空氣阻力，使