2025版高考物理全程一輪復(fù)習(xí)第六章機械能守恒定律實驗七驗證機械能守恒定律學(xué)案

實驗七驗證機械能守恒定律1.熟悉“驗證機械能守恒定律”的基本實驗原理及注意事項．2．會驗證創(chuàng)新實驗的機械能守恒．一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)1.安裝：打點計時器豎直安裝；紙帶沿豎直方向拉直．2．重物：選密度大、質(zhì)量大的金屬塊，且靠近計時器處釋放．3．打紙帶：讓重物自由下落，紙帶上打下一系列小點．4．選紙帶：點跡清晰，且所選用的點在同一條直線上．5．速度：應(yīng)用vn＝hn+1?hn?12T，不能用vn＝二、數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)論1．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)方案一：利用起始點和第n點計算：驗證ghn＝12(2)方案二：任取較遠(yuǎn)兩點A、B：驗證ghAB＝12(3)方案三：圖像法，描繪出12v2－h(huán)2．結(jié)論在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體運動過程機械能守恒．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平面內(nèi)以減少摩擦阻力．(2)重物密度要大：重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小的物體．(3)一先一后：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＝hn+1?hn?12T，不能用vn＝(5)減小測量誤差：一是測下落距離時都從0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．(6)誤差來源：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＝12mvn2考點一教材原型實驗例1在用打點計時器“驗證機械能守恒定律”實驗中(1)紙帶將被釋放瞬間的四種情景如照片所示，其中最合適的是________．(2)若已知打點計時器的電源頻率為50Hz，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80m/s2，重物質(zhì)量為0.2kg，實驗中得到一條點跡清晰的紙帶如圖所示，打P點時，重物的速度為零，A、B、C為另外3個連續(xù)點，根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，可知重物由P點運動到B點，重力勢能減少量ΔEp＝________J(計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．(3)小明測量出打P點到B點的時間tB，再用自由落體運動公式“vB＝gtB”計算出vB，這種處理數(shù)據(jù)的方法是________的(選填“正確”或“錯誤”)．(4)若PB的距離用h表示，打B點時重物的速度為vB，當(dāng)兩者間的關(guān)系式滿足________時，說明下落過程中重錘的機械能守恒(已知重力加速度為g，用h、vB、g表示)．(5)實驗中發(fā)現(xiàn)重物增加的動能總大于減少的重力勢能，其主要原因可能是________．A．重物的質(zhì)量過大B．重物的體積過小C．先釋放重物后通電打點了D．重物及紙帶在下落時受到阻力例2某實驗小組“用自由落體法驗證機械能守恒定律”，實驗裝置如圖甲所示．實驗中測出重物自由下落的高度h及對應(yīng)的瞬時速度v，計算出重物減小的重力勢能mgh和增加的動能12mv2(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小的木塊B．重物的質(zhì)量可以不測量C．實驗中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶D．可以利用公式v＝2gh來求解瞬時速度(2)如圖乙是該實驗小組打出的一條點跡清晰的紙帶，紙帶上的O點是起始點，選取紙帶上連續(xù)的點A、B、C、D、E、F作為計數(shù)點，并測出各計數(shù)點到O點的距離依次為27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm.已知打點計時器所用的電源是50Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5kg，則從計時器打下點O到打下點D的過程中，重物減小的重力勢能ΔEp＝________J；重物增加的動能ΔEk＝________J，兩者不完全相等的原因可能是________________．(重力加速度g取9.8m/s2，計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(3)實驗小組的同學(xué)正確計算出了圖乙中打下計數(shù)點A、B、C、D、E、F各點的瞬時速度v，以各計數(shù)點到A點的距離h為橫軸，v2為縱軸作出圖像，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗證自由下落的重物機械能守恒的依據(jù)是________________________________．考點二探索創(chuàng)新實驗考向1實驗器材的創(chuàng)新例3[2024·遼寧丹東一模]某實驗小組為驗證系統(tǒng)機械能守恒，設(shè)計了如圖所示的裝置，實驗過程如下：圖甲圖乙(1)用螺旋測微器測量砝碼上端固定的遮光片厚度時，螺旋測微器示數(shù)如圖乙所示，則d＝________mm，測得砝碼和遮光片總質(zhì)量m＝0.026kg；(2)按圖甲安裝實驗器材并調(diào)試，確保砝碼豎直上下振動時，遮光片運動最高點高于光電門1的激光孔，運動最低點低于光電門2的激光孔；圖丙(3)實驗時，利用計算機記錄彈簧拉伸量x及力傳感器的讀數(shù)F，畫出F-x圖像，如圖丙所示；(4)測量遮光片經(jīng)過光電門1的擋光時間t1＝0.0051s，彈簧的拉伸量x1＝0.04m，經(jīng)過光電門2的擋光時間t2＝0.0102s，彈簧的拉伸量x2＝0.08m，以及兩個光電門激光孔之間的距離h＝0.04m；(5)遮光片從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)勢能的增加量Ep＝________J，系統(tǒng)動能的減少量Ek＝________J(結(jié)果保留三位有效數(shù)字，g＝10m/s2)，實驗表明在誤差允許范圍內(nèi)系統(tǒng)機械能守恒．考向2實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新例4某物理小組對輕彈簧的彈性勢能進(jìn)行探究，實驗裝置如圖(a)所示：輕彈簧放置在光滑水平桌面上，彈簧左端固定，右端與一物塊接觸而不連接，紙帶穿過打點計時器并與物塊連接．向左推物塊使彈簧壓縮一段距離，由靜止釋放物塊，通過測量和計算，可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能．(1)實驗中涉及下列操作步驟：①把紙帶向左拉直②松手釋放物塊③接通打點計時器電源④向左推物塊使彈簧壓縮，并測量彈簧壓縮量上述步驟正確的操作順序是________(填入代表步驟的序號)．(2)圖(b)中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不同位置后所得到的實際打點結(jié)果．打點計時器所用交流電的頻率為50Hz.由M紙帶所給的數(shù)據(jù)，可求出在該紙帶對應(yīng)的實驗中物塊脫離彈簧時的速度為________m/s.比較兩紙帶可知，________(選填“M”或“L”)紙帶對應(yīng)的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能大．考向3實驗方案的創(chuàng)新例5[2024·四川成都第二次診斷]某研究小組利用DIS實驗裝置驗證機械能守恒定律．如圖(a)為裝置圖，內(nèi)置有光電門的擺錘通過輕桿與轉(zhuǎn)軸O相連，擺錘通過遮光片時可記錄遮光時間．實驗時，擺錘從M點由靜止釋放，依次記錄其通過每個遮光片所對應(yīng)的時間t.用刻度尺測出每個遮光片距最低點N的豎直高度h，擺錘質(zhì)量為m，重力加速度為g.(1)實驗前，用游標(biāo)卡尺測量遮光片的寬度d，其示數(shù)如圖(b)，則d＝________mm.(2)若以最低點N所處水平面為零勢能面，選用字母m、h、d、t、g表示相應(yīng)物理量，則擺錘經(jīng)過某個遮光片時，擺錘的重力勢能Ep＝________________，動能Ek＝________；對此通過各遮光片處擺錘的機械能E(E＝Ep＋Ek)是否相等，可判斷機械能守恒與否．(3)為了更直觀地處理數(shù)據(jù)，研究小組繪制了擺錘擺下過程中動能、重力勢能及機械能隨高度變化的圖像如圖(c)所示，其中重力勢能Ep的圖線應(yīng)為________(選填“A”“B”或“C”)；仔細(xì)比對數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，擺錘擺下過程中，重力勢能減少量________(選填“大于”或“小于”)動能增加量．實驗七驗證機械能守恒定律關(guān)鍵能力·分層突破例1解析：(1)驗證機械能守恒定律實驗中，為了減小紙帶與打點計時器間的摩擦力，應(yīng)用手拉著紙帶上端豎直穿過打點計時器，同時重物應(yīng)該靠近打點計時器．故選D.(2)重物由P點運動到B點，重力勢能減少量為ΔEp＝mghB＝0.2×9.8×5.01×10－2J≈0.0982J.(3)小明測量出打P點到B點的時間tB，再用自由落體運動公式“vB＝gtB”計算出vB，這種處理數(shù)據(jù)的方法是錯誤的；因為這種方法直接認(rèn)為物體只受重力作用，這樣就失去了驗證機械能守恒定律的意義了．(4)根據(jù)機械能守恒可得mgh＝12mvB2，可得當(dāng)滿足關(guān)系式(5)實驗中發(fā)現(xiàn)重物增加的動能總大于減少的重力勢能．重物的質(zhì)量過大或重物的體積過小，均不會使重物增加的動能大于減少的重力勢能，故A、B錯誤；先釋放重物后通電打點了，則打第一點時重物的初速度不為零，計算重物增加的動能時，沒有減去初動能，則重物增加的動能測量值偏大，使得重物增加的動能大于減少的重力勢能，故C正確；重物及紙帶在下落時受到阻力，則重物減少的重力勢能有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使得重物增加的動能小于減少的重力勢能，故D錯誤．故選C.答案：(1)D(2)0.0982(3)錯誤4vB2＝2gh例2解析：(1)重物最好選擇密度較大的鐵塊，受到的阻力影響較小，A錯誤；本題是用自由落體運動來驗證機械能守恒定律，需要驗證的方程是mgh＝12mv2，因為我們是比較mgh與12mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要測量重物的質(zhì)量，B正確；實驗中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶，C正確；不能利用公式v＝(2)重力勢能減小量ΔEp＝mgh＝0.5×9.8×0.4365J≈2.14J．利用勻變速直線運動的推論：vD＝ΔxΔt＝0.4966?0.38020.04m/s＝2.91m/s，EkD＝12mvD2＝1(3)根據(jù)表達(dá)式mgh＝12mv2，則有v2＝2gh；當(dāng)圖像的斜率為重力加速度的2倍時，即可驗證機械能守恒，而圖像的斜率k＝10.36?5.480.25m·s－2＝19.52m·s－2，則答案：(1)BC(2)2.142.12阻力做負(fù)功(3)見解析例3解析：(1)螺旋測微器的分度值為0.01mm，則遮光片厚度為d＝2mm＋4.0×0.01mm＝2.040mm(5)遮光片從光電門1運動到光電門2的過程中，彈性勢能增加量Ep1＝0.2+0.42重力勢能減小量Ep2＝mg(x2－x1)＝0.0104J系統(tǒng)勢能的增加量Ep＝Ep1－Ep2＝1.60×10－3J通過光電門的速度v＝d系統(tǒng)動能的減少量Ek＝12m(dt1)2－12m(dt答案：(1)2.040(5)1.60×10－31.56×10－3例4解析：(1)根據(jù)該實驗操作過程，正確步驟應(yīng)為④①③②.(2)物塊脫離彈簧時速度最大，則有v＝ΔxΔt＝2.58×10?20.02m/s＝1.29m/s；由動能定理可知Ep＝ΔE答案：(1)④①③②(2)1.29M例5解析：(1)10分度游標(biāo)尺的分度值為0.1mm，由圖(b)可知遮光片的寬度為d＝8mm＋7