新版推薦學習2023年高考物理總復習第23講實驗五驗證機械能守恒定律講義

生活的色彩就是學習生活的色彩就是學習K12的學習需要努力專業(yè)專心堅持K12的學習需要努力專業(yè)專心堅持生活的色彩就是學習K12的學習需要努力專業(yè)專心堅持第23講實驗五：驗證機械能守恒定律考情剖析考查內(nèi)容考綱要求考查年份考查詳情能力要求實驗、探究：驗證機械能守恒定律16年T11—實驗，以單擺為背景考查驗證機械能是否守恒探究、推理弱項清單1.根本儀器是否估讀掌握不準確；2.在實驗原理分析上、理解并運用功能關(guān)系和動能定理及用準確的物理語言進行描述等方面的掌握不夠；3.不理解實驗原理；處理實驗數(shù)據(jù)能力不強等；4.教學中強調(diào)打點計時器的紙帶處理較多，對電磁打點計時器的實際操作無視.實驗儲藏一、實驗目的驗證機械能守恒定律．二、實驗原理通過實驗，求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應過程動能的增加量，假設二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律．三、實驗器材打點計時器、電源、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(附鐵夾)、導線兩根．四、實驗步驟1．根據(jù)實驗原理圖安裝儀器．2．將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過打點計時器的限位孔．3．用手提著紙帶，讓重物靠近打點計時器并處于靜止狀態(tài)，然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由落下，紙帶上打下一系列小點．4．從幾條打下點的紙帶中挑選出點跡清晰的紙帶進行測量，ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，ΔEp＝mgdn，vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T).5．計算比照ΔEp與ΔEk.五、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．六、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0點量起，一次將各打點對應下落高度測量完，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＝mgdn，改良方法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力．七、考前須知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．重物應選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料．3．應先接通電源，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用vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2gdn)或vn＝gt來計算．

技能優(yōu)化釋難答疑的金鑰匙考點1實驗原理和實驗操作【典型例題1】(16年南京模擬)利用如圖甲裝置做“驗證機械能守恒定律〞實驗．甲(1)為驗證機械能是否守恒，需要比擬重物下落過程中任意兩點間的()A．動能變化量與勢能變化量B．速度變化量與勢能變化量C．速度變化量與高度變化量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點計時器、導線及開關(guān)外，在以下器材中，還必須使用的兩種器材是()A．交流電源B．刻度尺C．天平(含砝碼)(3)實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到圖2所示的一條紙帶．在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為hA、hB、hC.當?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點的周期為T.設重物的質(zhì)量為m.從打O點到打B點的過程中，重物的重力勢能變化量ΔEp＝________，動能變化量ΔEk＝________.乙(4)大多數(shù)學生的實驗結(jié)果顯示，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因是()A．利用公式v＝gt計算重物速度B．利用公式v＝eq\r(2gh)計算重物速度C．存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D．沒有采用屢次實驗取平均值的方法(5)某同學想用下述方法研究機械能是否守恒，在紙帶上選取多個計數(shù)點，測量它們到起始點O的距離h，計算對應計數(shù)點的重物速度v，描繪v2-h圖象，并做如下判斷：假設圖象是一條過原點的直線，那么重物下落過程中機械能守恒，請你分析論證該同學的判斷是否正確的．1.利用圖甲實驗裝置探究重物下落過程中動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化問題．(1)實驗操作步驟如下，請將步驟B補充完整：A．按實驗要求安裝好實驗裝置；B．使重物靠近打點計時器，接著先________________，后________________，打點計時器在紙帶上打下一系列的點；C．圖乙為一條符合實驗要求的紙帶，O點為打點計時器打下的第一點．分別測出假設干連續(xù)點A、B、C……與O點之間的距離h1、h2、h3….甲乙(2)打點計時器的打點周期為T，重物質(zhì)量為m，重力加速度為g，結(jié)合實驗中所測得的h1、h2、h3，可得重物下落到B點時的速度大小為________，紙帶從O點下落到B點的過程中，重物增加的動能為________，減少的重力勢能為________．(3)取打下O點時重物的重力勢能為零，計算出該重物下落不同高度h時所對應的動能Ek和重力勢能Ep，建立坐標系，橫軸表示h，縱軸表示Ek和Ep，根據(jù)以上數(shù)據(jù)在圖丙中繪出圖線Ⅰ和圖線Ⅱ.已求得圖線Ⅰ斜率的絕對值k1＝2.94J/m，請計算圖線Ⅱ的斜率的絕對值k2＝________J/m(保存3位有效數(shù)字)．重物和紙帶下落過程中所受平均阻力與重物所受重力的比值為________(用k1和k2表示)．(4)通過對k1和k2的比擬分析，可得到的結(jié)論是(只要求寫出一條)：____________________________________．丙考點2數(shù)據(jù)處理與誤差分析【典型例題2】某同學用如圖甲所示裝置驗證機械能守恒定律時，所用交流電源的頻率為50Hz，得到如圖乙所示的紙帶．選取紙帶上打出的連續(xù)五個點A、B、C、D、E，測出A點距起點O的距離為s0＝19.00cm，點A、C間的距離為s1＝8.36cm，點C、E間的距離為s2＝9.88cm，g取9.8m/s甲(1)以下做法正確的有()A．圖甲中兩限位孔必須在同一豎直線上B．實驗前，手應提住紙帶上端，使紙帶豎直C．實驗時，先放開紙帶，再接通打點計時器的電源D．數(shù)據(jù)處理時，應選擇紙帶上距離較近的兩點作為初、末位置(2)選取O、C兩點為初、末位置驗證機械能守恒定律，重物減少的重力勢能是________J，打下C點時重物的速度大小是________m/s.(結(jié)果保存三位有效數(shù)字)乙(3)根據(jù)紙帶算出打下各點時重物的速度v，量出下落距離s，那么以eq\f(v2,2)為縱坐標、以s為橫坐標畫出的圖象應是下面的()(4)重物減少的重力勢能總是略大于增加的動能，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是________________．(寫出一條即可)考點3實驗的改良與創(chuàng)新【典型例題3】(16年江蘇高考)某同學用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律．一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止于A點，光電門固定在A的正下方，在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條．將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間t可由計時器測出，取v＝eq\f(d,t)作為鋼球經(jīng)過A點時的速度，記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t，計算并比擬鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小ΔEp與動能變化大小ΔEk，就能驗證機械能是否守恒．甲(1)ΔEp＝mgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落高度h應測量釋放時的鋼球球心到______之間的豎直距離．A．鋼球在A點時的頂端B．鋼球在A點時的球心C．鋼球在A點時的底端(2)用ΔEk＝eq\f(1,2)mv2計算鋼球動能變化的大小，用刻度尺測量遮光條寬度，示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)為________cm.某次測量中，計時器的示數(shù)為0.0100s，那么鋼球的速度為v＝________m/s.乙(3)下表為該同學的實驗結(jié)果：ΔEp(×10－2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10－2J)5.0410.115.120.029.8他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的．你是否同意他的觀點？請說明理由．(4)請你提出一條減小上述差異的改良建議．【學習建議】根本儀器的使用要掌握，例如：刻度尺、游標尺、螺旋測微器、電流表、電壓表等，它們的度數(shù)規(guī)那么要掌握．實驗要分組做，講實驗不能代替做實驗．清楚各實驗的系統(tǒng)誤差來源．慢慢接觸數(shù)字實驗，數(shù)字多用電表、數(shù)字游標卡尺、光電計時器等．

當堂檢測1.用如下圖裝置驗證機械能守恒定律．實驗前調(diào)整光電門位置使小球下落過程中球心通過光電門中的激光束．實驗中通過斷開電磁鐵開關(guān)使小球從A點下落，經(jīng)過光電門B，記錄擋光時間Δt，測出小球在AB間下落的距離h.豎直平移光電門B，重復上述步驟，測得多組h及相應的Δt，當?shù)刂亓铀俣葹間.第1題圖(1)實驗中還需測量的物理量是____________．(2)小球通過光電門速度的表達式為v＝__________．(3)根據(jù)測量數(shù)據(jù)描繪eq\f(1,Δt2)-h圖象，能否僅依據(jù)圖象是過原點的直線就得出機械能守恒的結(jié)論？____________，理由是________________________________________________________________________．2．某同學利用傾斜氣墊導軌做“驗證機械能守恒定律〞的實驗，實驗裝置如圖甲所示．其主要實驗步驟如下：第2題圖甲a．用游標卡尺測量擋光條的寬度l，結(jié)果如圖乙所示；b．讀出導軌標尺的總長L0，并用直尺測出導軌標尺在豎直方向的高度H0；c．讀出滑塊釋放處擋光條與光電門中心之間的距離s；d．由靜止釋放滑塊，從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上讀出擋光條通過光電門所用的時間t.答復以下問題：(1)由圖乙讀出l＝________mm.第2題圖乙(2)________(選填“有〞或“沒有〞)必要用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M.(3)屢次改變光電門位置，即改變距離s，重復上述實驗，作出eq\f(1,t2)隨s的變化圖象，如圖丙所示，當量t0、s0、l、L0、H0和當?shù)刂亓铀俣萭滿足表達式eq\f(1,teq\o\al(2,0))＝________時，可判斷滑塊下滑過程中機械能守恒．第2題圖丙

第23講實驗五：驗證機械能守恒定律技能優(yōu)化·典型例題1·(1)A(2)AB(3)－mghBeq\f(1,2)m(eq\f(hC－h(huán)A,2T))2(4)C(5)不正確，理由見解析【解析】(1)重物下落過程中重力勢能減少，動能增加，故該實驗需要比擬重物下落過程中任意兩點間的動能變化量與勢能變化量在誤差范圍內(nèi)是否相等，A項正確．(2)電磁打點計時器使用的是交流電源，故要選A，需要測紙帶上兩點間的距離，還需要刻度尺，選B，根據(jù)mgh＝eq\f(1,2)mv2－0可將等式兩邊的質(zhì)量抵消，不需要天平，不需用C.(3)重物的重力勢能變化量為ΔEp＝－mghB，動能的變化量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)＝eq\f(1,2)m(eq\f(hC－h(huán)A,2T))2(4)重物重力勢能的減少量略大于動能的增加量，是因為重物下落過程中存在空氣阻力和摩擦阻力的影響，C正確．(5)該同學的判斷依據(jù)不正確，在重物下落h的過程中，假設阻力f恒定，根據(jù)mgh－fh＝eq\f(1,2)mv2－0，那么v2＝2(g－eq\f(f,m))h可知，v2-h圖象就是過原點的一條直線．要想通過v2-h圖象的方法驗證機械能是否守恒，還必須看圖象的斜率是否接近2g.·變式訓練1·(1)接通電源放開紙帶(2)eq\f(h3－h(huán)1,2T)eq\f(m〔h3－h(huán)1〕2,8T2)mgh2(3)2.86(2.73～2.87均可)eq\f(k1－k2,k1)(k1用mg表示也可)(4)k2小于k1，動能的增量小于重力勢能的減少量(其他結(jié)論合理的也可)【解析】(1)使用打點計時器時應先接通電源后放開紙帶．(2)做勻變速直線運動的物體，在某段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間的中間時刻的瞬時速度，所以vB＝v＝eq\f(Δs,Δt)＝eq\f(h3－h(huán)1,2T).紙帶從O點下落到B點的過程中，重物增加的動能為Ek＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)＝eq\f(m〔h3－h(huán)1〕2,8T2)，減少的重力勢能為mgh2.(3)由題圖可知k2＝eq\f(1.40－0,49)≈2.86；對圖線Ⅰ：Ep＝－mgh，即k1＝mg，對圖線Ⅱ：Ek＝(mg－Ff)h，即k2＝mg－Ff，所以Ff＝k1－k2，eq\f(Ff,mg)＝eq\f(k1－k2,mg)＝eq\f(k1－k2,k1).(4)由(3)可知，k2<k1，動能的增量小于重力勢能的減少量(其他結(jié)論合理的也可)．·典型例題2·(1)AB(2)2.682.28(3)C(4)重物受到空氣阻力(或紙帶與打點計時器之間存在阻力)【解析】(1)圖甲中兩限位孔必須在同一豎直線上，實驗前手應提住紙帶上端，并使紙帶豎直，這是為了減小打點計時器與紙帶之間的摩擦，選項A、B正確；實驗時，應先接通打點計時器的電源再放開紙帶，選項C錯誤；數(shù)據(jù)處理時，應選擇紙帶上距離較遠的兩點作為初、末位置，以減小長度的測量誤差，選項D錯誤．(2)重物減少的重力勢能為ΔEp＝mg(s0＋s1)＝2.68J，由于重物下落時做勻變速運動，根據(jù)勻變速直線運動任意時間段中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度可知，打下C點時重物的速度為vC＝eq\f(s1＋s2,4T)＝2.28m/s.(3)物體自由下落過程中機械能守恒，可以得出mgs＝eq\f(1,2)mv2，即gs＝eq\f(1,2)v2，所以eq\f(v2,2)-s圖線應是一條過原點的傾斜直線，選項C正確．(4)在實驗過程中，紙帶與打點計時器之間的阻力、空氣阻力是存在的，克服阻力做