备考2024届高考物理一轮复习讲义第六章机械能实验七验证机械能守恒定律命题点1教材基础实验

实验七　验证机械能守恒定律核心考点五年考情命题分析预测实验原理和数据处理2023：天津T9；2021：浙江6月T17；2020：上海T18高考中关于验证机械能守恒定律的实验考查较多，既有对实验原理的考查，又有对实验的数据处理、误差分析等的考查，近几年创新化趋势明显.无论何种实验方法，只要符合守恒条件，并确保安全性、准确性和可操作性皆可设计验证.实验误差分析2021：海南T15，浙江6月T17创新实验2022：广东T11，湖北T12，河北T11；2021：河北T121.实验目的验证机械能守恒定律.2.实验原理通过实验，求出做自由落体运动物体的[1]　重力势能的减少量　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.3.实验器材铁架台（带铁夹），电火花计时器（或电磁打点计时器），重物（带纸带夹），纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，交流电源.4.实验步骤（1）安装器材：将[2]　打点计时器　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[3]　接通电源　，再[4]　释放纸带　，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）.（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.5.数据处理 方案1　利用起始点和第n点计算代入mghn和12mvn2，如果在实验误差允许的范围内，mghn和12mvn2相等，则验证了机械能守恒定律.方案2　任取两点计算（1）任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB.（2）算出12mvB2－12mvA2的值.（3）在实验误差允许的范围内，若mghAB＝12mvB2－12mvA2，则验证了机械能守恒定律.方案3　图像法从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出12v2－h图像.若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律.6.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[5]　摩擦阻力　.（2）重物应选用质量大、体积小的.（3）应先接通电源，让打点计时器正常工作，后释放纸带让重物下落.（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＝2ghn或vn＝gt来计算.（5）此实验中不需要测量重物的质量.7.误差分析（1）本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力（空气阻力、打点计时器阻力）做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp，这属于系统误差.改进的办法是调整器材的安装并选用质量大、体积小的重物，尽可能地减小阻力.（2）本实验的另一个误差来源于长度的测量，属于偶然误差.减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值.（3）打点计时器产生的误差 ①由于交流电周期变化，引起打点时间间隔变化而产生误差.②计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，均可能造成实验误差.研透高考明确方向命题点1　教材基础实验1.[实验原理与操作]某同学用如图甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”.实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为8V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50Hz.重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律.（1）他进行了下面几个操作步骤：A.按照图甲所示的装置安装器材；B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上；C.用天平测出重锤的质量；D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；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其增加的动能.其中没有必要进行的步骤是　C　，操作不当的步骤是　B　（均填步骤前的字母）.（2）这位同学进行正确操作后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计时点.根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重锤的速度为　1.84　m/s（结果保留3位有效数字）. （3）他根据纸带上的数据算出各点的速度v，测量出下落距离h，并以v22为纵轴、h为横轴作出图像.他作出的图像应是下图中的　C　.解析　（1）应将打点计时器接到电源的“交流输出”上，步骤B操作不当，因实验只需比较gh和v22的大小关系，故不需要测量重锤的质量，步骤C没必要.（2）打B点时重锤的速度即AC段对应的平均速度，有vB＝AC2T≈1.84m/s.（3）根据12mv2＝mgh可知，12v2与h成正比，故C正确.2.[数据处理与误差分析]如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置（g取9.80m/s2）.（1）选出一条点迹清晰的纸带如图乙所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以频率为50Hz的交变电流.用分度值为1mm的刻度尺测得OA＝12.41cm，OB＝18.90cm，OC＝27.06cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重锤的质量为1.00kg.根据以上数据算出：当打点计时器打下B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了　1.85　J，此时重锤的速度vB＝　1.83　m/s，重锤的动能比开始下落时增加了　1.67　J.（结果均保留3位有效数字）（2）利用实验时打出的纸带，测量出各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以12v2为纵轴作出如图丙所示的图线，图线的斜率近似等于　B　.（填字母） A.19.6B.9.80C.4.90图线未过原点O的原因是　先释放了纸带，再接通了打点计时器的电源　.解析　（1）当打点计时器打到B点时，重锤的重力势能减少了ΔEp＝mg·OB＝1.00×9.80×18.90×10－2J≈1.85J；打B点时重锤的速度vB＝OC－OA4T＝（27.06－12.41）×10－24×0.02m/s≈1.83m/s，此时重锤的动能增加了ΔEk＝12mvB2＝12×1.00×1.832J≈1.67J.（2）由机械能守恒定律有12mv2＝mgh，可得12v2＝gh，由此可知题图丙图线的斜率近似等于重力加速度g，故B正确；由题图丙图线可知，h＝0时，重锤的速度不等于零，可能的原因是做实验时先释放了纸带，再接通了打点计时器的电源.