2024届高考物理一轮复习（新教材鲁科版）第六章机械能守恒定律实验七验证机械能守恒定律课件

验证机械能守恒定律目标要求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.实验七 内容索引实验技能储备考点一　教材原型实验考点二　探索创新实验课时精练 一实验技能储备 1.实验原理通过实验，求出做自由落体运动物体的和对应过程动能的增加量，在实验误差允许范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律.重力势能的减少量 2.实验器材打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、、铁架台(带铁夹)、导线.3.实验过程(1)安装器材：将固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连.(2)打纸带用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先，再，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3～5条)纸带.刻度尺打点计时器接通电源松开纸带 (3)选纸带：从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带.(4)进行数据处理并验证.4.数据处理(1)求瞬时速度由公式vn＝可以计算出重物下落h1、h2、h3、…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3、…. 2mm g 5.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线上，以减小.(2)重物应选用质量大、体积小、密度大的.(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.摩擦阻力 考点一教材原型实验 考向1实验原理与操作例1用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，可输出交流电和直流电.重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对图中纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律. (1)下列几个操作步骤中：A.按照图示，安装好实验装置B.将打点计时器接到电源的“交流输出”上C.用天平测出重锤的质量D.先释放重锤，后接通电源，纸带随着重锤运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点E.测量纸带上某些点间的距离F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能没有必要的是______，操作错误的是______.(填步骤前相应的字母)CD 在此实验中不需要测出重锤的质量，所以选项C没必要；在实验时应该先接通电源，再释放重锤，所以选项D错误. (2)若重锤质量为m，重力加速度为g，在选定的纸带上依次取计数点如图所示，纸带上所打的点记录了重锤在不同时刻的位置，那么纸带的____(填“左”或“右”)端与重锤相连.设任意相邻计数点点间的时间间隔为T，且“0”为打下的第一个点，当打点计时器打点“3”时，重锤的动能表达式为Ek＝___________，若以重锤的运动起点“0”为参考点，当打点“3”时重锤的机械能表达式为E＝__________________.左 因为是自由落体运动，下落的速度应该是越来越快，相邻两点间距也越来越大，所以纸带左端与重锤相连.重锤的重力势能表达式Ep＝－mgs3， 例2(2021·浙江6月选考·17(1))在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图甲所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图乙所示.O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点.考向2数据处理及误差分析 (1)为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是___________________________________.阻力与重力之比更小(或其他合理解释) 在“验证机械能守恒定律”实验中，阻力越小越好，体积和形状相同的重物，密度大的阻力与重力之比更小. (2)已知交流电频率为50Hz，重物质量为200g，当地重力加速度g＝9.80m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|＝______J、C点的动能EkC＝________J(计算结果均保留3位有效数字).比较EkC与|ΔEp|的大小，出现这一结果的原因可能是________.A.工作电压偏高B.存在空气阻力和摩擦力C.接通电源前释放了纸带0.5470.588C 由题图乙可知OC之间的距离为sOC＝27.90cm，因此重力势能的减少量为|ΔEp|＝mgsOC＝0.2×9.8×0.2790J≈0.547J匀变速直线运动中，中间时刻的速度等于这段时间的平均速度，因此 因此动能的增加量为工作电压偏高不会影响实验的误差，存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量. 考点二探索创新实验 考向1实验目的的创新例3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).④①③②根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②. (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.1.29M 根据纸带中打点的疏密知M纸带获得的最大速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大. 考向2实验器材的创新例4(2023·福建宁德市质检)用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验.实验装置由带有刻度尺的竖直杆、小球释放器、小铁球、光电门A和B及光电门计时器和网兜组成.打开计时器后小铁球由静止下落，依次通过两个光电门A、B，测得遮光时间分别为Δt1和Δt2，两光电门中心点间的高度差为h. (1)用游标卡尺测得小铁球直径的示数如图乙所示，则小铁球的直径d＝________mm.4.20由题图乙可知，游标卡尺读数为d＝0.4cm＋0.02×10mm＝4.20mm (2)为了提高实验精度，下列说法正确的是________.A.两光电门间的距离适当大一些B.小球的直径越大，实验精度越高C.应该选用材质密度较大的小球AC两光电门间的距离适当大一些，可以减小距离及时间测量的误差，还可以减小小球大小对实验结果的影响，A正确；小球的直径越小且质量越大，精度越高，B错误；选用材质密度较大的小球，可以减小空气阻力的影响，C正确. (3)若已知当地重力加速度为g，则验证机械能守恒定律的表达式为：___________________(用g、h、d、Δt1、Δt2表示). 考向3实验方案的创新例5(2023·湖北省模拟)利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连，遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点处有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B处的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A处由静止开始运动. (1)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk＝__________，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝___________，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp，则可认为系统的机械能守恒； (2)某同学改变A、B间的距离，作出的v2－d图像如图乙所示，并测得M＝m，则重力加速度g＝______m/s2.(结果保留两位有效数字)9.6 联立解得g＝9.6m/s2. 四课时精练 1234567基础落实练1.(2023·黑龙江双鸭山市第一中学高三检测)做验证机械能守恒的实验时，学生按照图甲组装好装置，把打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，反复做了很多次，最终仅选出4条点迹清晰的纸带.测量纸带起始两点距离时，学生用手机正对纸带与测量的刻度尺拍照，把照片放大到正常尺寸的10倍，测出了精度更高的数据，分别是：①1.50mm，②2.00mm，③1.92mm，④2.49mm，为了选出最理想的一条纸带，学生查询得到当地重力加速度g＝9.80m/s2，通过推算，他们选择了编号为_______的纸带进行研究.③ 1234567在选出的纸带上，0是打下的第一个点，在后面选取了3个连续的点，标上n－1、n、n＋1，测得它们与0点的距离如图乙所示.则从打下“0”点到打下第“n”点的过程中质量m＝1kg的重锤动能的增加量ΔEk＝______J，重锤重力势能的减少量ΔEp＝______J，重锤下落的实际加速度a＝______m/s2，a≠g的原因是__________________________________________.(结果均保留3位有效数字)7.617.649.75存在空气阻力、纸带与打点计时器之间的阻力 1234567 1234567 12345672.(2023·江苏南通市通州区联考)图甲是验证机械能守恒定律的装置，气垫导轨上A处安装有一光电门，B处放置一滑块，滑块中央位置上固定一遮光条，气垫导轨的右端用若干块厚度相同的小木板垫起，重力加速度为g.(1)用游标卡尺测得遮光条的宽度如图乙，则遮光条的宽度d为_____mm；2.05 1234567由题图乙可知，主尺读数为2mm，游标尺读数为1×0.05mm＝0.05mm则游标卡尺读数为2mm＋0.05mm＝2.05mm 1234567(2)某次实验，滑块由静止释放，下落高度为h时遮光条经过光电门，光电门测得遮光时间为t，若要验证滑块在下滑过程中机械能守恒，即需要验证等式_________成立(用题中所给物理量的符号表示)； 1234567 1234567(3)实验中，控制滑块由静止释放且运动到光电门的距离L1不变，测量气垫导轨的总长度L0、每块小木板的厚度D和距离L1，记录所垫小木板的个数n及光电门对应测量的时间t，并计算出，数据如表所示.请根据数据在图丙中描点作图；实验次数12345小木板块数n12345(s－2)2.02×1044.03×1046.04×1048.04×10410.06×104答案见解析图 1234567如图 1234567(4)根据实验中得到的－n图像，判断滑块下滑过程中机械能守恒的依据是_____________________________________________；图线是一条过原点的直线，且图线的斜率k＝ 1234567 1234567(5)某小组在实验中，控制所垫小木板的个数n不变，改变滑块到光电门的距离L，测量滑块左端到光电门中心的距离L及遮光条经过光电门的时间t，经过计算发现滑块每次减小的势能均总比增加的动能略小点，该小组认为是气垫导轨倾斜的角度偏大造成滑块下滑过程中机械能不守恒的.你认为他们的分析是否正确？____，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.否到光电门中心的距离，而不是滑块左端到光电门中心的距离；实验时测量滑块下滑的距离偏小了，故出现滑块每次减小的势能均总比增加的动能略小的现象实验中应该测量遮光条中心 1234567实验中应该测量遮光条中心到光电门中心的距离，而不是滑块左端到光电门中心的距离；实验时测量滑块下滑的距离偏小了，故出现滑块每次减小的势能均总比增加的动能略小的现象.他们的分析不正确. 12345673.某同学利用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”，其中是四分之一圆弧轨道，O点为圆心，半径为L，圆弧的最低点A与水平面之间的高度为H.实验时将一可看作质点的小球从圆弧上某点由静止释放，量出此时小球与圆心连线偏离竖直方向的角度θ.当小球滑到圆弧最低点A时将水平抛出，用刻度尺测出小球平抛的水平距离s.忽略所有摩擦及阻力，当地重力加速度为g，试分析下列问题： 1234567(1)小球在A点时的水平速度为v＝________(用题给字母表示). 1234567(2)保持其他条件不变，只改变θ角，得到不同的s值，以s2为纵坐标，以cosθ为横坐标作图，如图乙中的图线a所示.另一同学重复此实验，得到的s2－cosθ图线如图乙中的图线b所示，两图线不重合的原因可能是_____.A.两同学选择的小球质量不同B.圆弧轨道的半径L不同C.圆弧的最低点A与水平面之间的高度H不同BC 1234567 12345674.(2022·广东卷·11)某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图(a)所示的装置，实验过程如下：(1)让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹.调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门. 1234567(2)用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图(b)所示，小球直径d＝______________mm.7.883或7.884根据题图(b)示数，小球的直径为d＝7.5mm＋38.4×0.01mm＝7.884mm考虑到偶然误差，7.883mm也可以. 1234567(3)测量时，应____(选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，后释放小球”).记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间t1和t2.B 1234567在测量时，因小球下落时间很短，如果先释放小球，有可能会出现时间记录不完整，所以应先接通数字计时器，再释放小球，故选B. 1234567(4)计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为m，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE＝________________(用字母m、d、t1和t2表示). 1234567 1234567(5)若适当调高光电门的高度，将会______(选填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差.增大若调高光电门的高度，较调整之前小球会经历较大的空中距离，所以将会增大因空气阻力引起的测量误差. 12345675.用如图甲所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒.m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，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，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)，所用电源的频率为50Hz.已知m1＝50g、m2＝150g.则：(结果均保留两位有效数字) 1234567(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝______m/s；2.4由题知相邻两计数点间时间间隔为0.1s， 1234567(2)在打下0点到打下计数点5的过程中系统动能的增加量ΔEk＝______J，系统重力势能的减少量ΔEp＝______J；(当地的重力加速度g取10m/s2)0.580.60 1234567(3)若某同学作出v2－h图像如图丙所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2.9.7 1234567 12345676.(2023·福建省福州第三中学质检)研究表明转动物体也具有动能，称为转动动能.转动动能属于机械能.某同学使用如图装置来探究“转动动能与角速度的关系”.如图所示，质量不可忽略的滑轮可绕固定光滑轴自由转动，轻质细绳绕在滑轮的边缘，另一端连接装有遮光片的小球，光电门位于遮光片正下方.每次实验小球距光电门一定高度由静止释放，轻绳与滑轮之间不打滑.实验中测出了小球(含遮光片)的质量m、滑轮直径D、遮光片宽度d和遮光片通过光电门的时间Δt，重力加速度为g，空气阻力可忽略. 1234567(1)用螺旋测微器测出遮光片宽度如图所示，则遮光片宽度d＝________mm.5.800螺旋测微器的固定刻度读数为5.5mm，可动刻度读数为0.01×30.0mm＝0.300mm读数为5.5mm＋0.300mm＝5.800mm 1234567(2)遮光片通过光电门时的速度v＝___；此时滑轮转动的角速度ω＝_____.(均用题中所给物理量的符号表示) 1234567(3)若小球下落过程中，小球和滑轮组成的系统机械能守恒.释放小球时遮光片中心与光电门中心的高度差为h，遮光片通过光电门的时间为Δt，则当遮光片通过光电门时滑轮的转动动能Ek＝______________.(用题中所给物理量的符号表示) 1234567(4)改变小球释放高度，多次重复上述实验得到表中所列数据.次数1234ω/(rad·s－1)4.08.011.919.7Ek/J0.00100.00400.00890.0243由此可判断滑轮转动动能Ek与角速度ω的关系为________.A.Ek∝ω－1B.Ek∝ωC.Ek∝ω2C由表中实验数据可知：Ek与ω2成正比，A、B错误，C正确. 12345677.某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图甲所示.弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m.已知弹簧的弹性势能表达式为E＝kx2，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g. 1234567(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_____.mgh5 1234567由于在误差允许的范围内，认为释放钩码的同时打出A点， 1234567(2)利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧弹性势能减少量、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__________________________________.答案见解析 1234567钩码机械能的增加量，即钩码动能和重力势能增加量的总和，若无阻力做功则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量.现在随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功，则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大，导致空气阻力逐渐增大，以至于空气阻力做的功也逐渐增大.