适用于新教材2024版高考物理一轮总复习第5章机械能实验探究课7验证机械能守恒定律课件

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易错辨析·判一判(1)在验证机械能守恒定律的实验中,安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。(　√　)(2)在验证机械能守恒定律的实验中,应选用质量大、体积小的重物。(　√　)(3)在验证机械能守恒定律的实验中,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。(　√　)(4)在验证机械能守恒定律的实验中,某时刻的瞬时速度的计算应用
典例1.某实验小组利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验,图乙是他们选择的一条较理想的纸带,O点是打点计时器打出的第一个点,计数点A、B、C、D、E、F是纸带上相邻的点。他们测出了各点与O点的距离h后做出了必要的计算,测量和计算的记录见下表(计数点的速度用v表示)。
(1)测量某点与O点距离h的记录中不合理的一组是　　　　(填写计数点名称)。 (2)计数点D、E、F与O点之间的距离分别用hD、hE、hF表示,打点计时器的打点周期用T表示,则打下计数点E时纸带的速度vE=　　　　(用符号表示),重物运动的加速度a=　　　　　(用符号表示)。 
(3)该小组的同学在坐标纸上建立图丙所示坐标系,标出了各组测量数据的坐标点,并在坐标系中画出v2-h图线。由图线可以判断计数点　　　的测量误差较大(填写计数点名称),据图线得到重力加速度g测=　　　　 m/s2(保留三位有效数字)。 (4)下列判断正确的是　　　(选填字母)。 A.在误差允许的范围内,该实验小组达到了实验目的B.该地的重力加速度比g测偏大C.他们实验操作过程中是先释放纸带然后闭合打点计时器开关D.实验过程中阻力引起的误差属于系统误差
(3)E　9.70~9.78(4)ABD
解析 (1)用毫米刻度尺测量物体长度或下落高度时应该估读到毫米的下一位,即以厘米为单位时应读到小数点后两位,故C点对应的与O点距离h的记录是不合理的,应为12.40 cm。
(3)E点明显不在图线上,故可判断E点数据的测量误差较大;根据匀变速直线运动的公式v2=2gh可知v2-h图像的斜率为2g,由图像可得重力加速度,结果在9.70~9.78 m/s2范围内都对。(4)本实验只要验证重物下落的加速度在误差允许的范围内等于当地的重力加速度即可说明重物下落过程满足机械能守恒定律,故该实验小组达到了实验目的,选项A正确;由于空气阻力和摩擦力的存在,测得的重力加速度必定小于当地的重力加速度,选项B正确;实验操作过程中应先闭合打点计时器开关再释放纸带,选项C错误;实验过程中阻力引起的误差不可避免,只能尽量减小,并且这样的误差是由于实验设计方案引起的,属于系统误差,选项D正确。
对点演练1.(2023浙江绍兴模拟)利用如图甲所示的装置做验证机械能守恒定律的实验。(1)除铁架台(含铁夹)、带夹子的重物、天平(含砝码)、电磁打点计时器、纸带、刻度尺、导线及开关外,在下列器材中,还需要使用的器材是　　　　(选填字母)。 A.秒表B.橡皮筋C.交流电源D.弹簧测力计
(2)图乙是一条纸带的一部分,已知交流电源频率为50 Hz,重物的质量为300 g,根据纸带可得打下P点时重物的动能为　　　　　 J(保留三位有效数字)。 
(3)图丙中的横轴代表测量点到起点的高度差,纵轴代表重物的动能或重力做功,倾斜直线表示的是重力做功随高度差变化的图线,那么符合实际的动能随高度差变化的直线应该在　　　　(选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)区域中。 
答案 (1)C　(2)0.338　(3)Ⅱ解析 (1)打点计时器需要使用交流电源并且具有计时功能,所以不需要秒表,A错误,C正确;验证机械能守恒定律得,mgh= mv2,质量可以约去,所以不需要弹簧测力计,也不需要橡皮筋,B、D错误。
(3)当没有空气阻力以及摩擦力时,机械能守恒,图线为图丙中直线,但是实验时因为空气阻力以及摩擦力做负功,导致下落相同高度时,动能增加量小于重力做的功,所以符合实际的动能随高度差变化的直线应该在Ⅱ区域中。
常见的创新角度1.实验原理的创新:由“落体法”验证自由落体运动中机械能守恒,创新为抛体运动或单摆运动中机械能守恒。2.测量速度的改进:由用纸带测量,创新为用频闪照片或光电门、传感器等测量。3.研究对象的改变:由验证单个物体机械能守恒变为验证系统机械能守恒。
典例2.(2022广东模拟预测)阿特伍德机是用于测量加速度及验证运动定律的装置。现对该装置加以改进,利用改进后的装置(如图所示)验证机械能守恒定律。轻绳两端系着质量均为m0的物块A(含挡光片)、物块B(含挂钩),物块B上放一质量为m的金属片C,铁架台上固定一金属圆环,圆环处在物块B的正下方,金属片C不能穿过圆环而物块B可以穿过,金属片C到圆环的高度为h,固定在物块A上的挡光片到光电门的竖直距离也为h,挡光片的宽度为d。
(1)为了完成实验还需要记录或测量的物理量是　　　　。 A.物块B运动到圆环处的时间tB.挡光片到圆环的竖直距离lC.刚刚释放时物块A、B之间的距离ΔhD.挡光片穿过光电门的时间Δt(2)为了减小实验误差进行多次实验,改变物块B的初始位置,使物块B从不同的高度由静止下落穿过圆环,记录每次金属片C与圆环间的高度h以及挡光片穿过光电门的时间Δt,通过描点作图,为了得到一条过原点的直线,则应该绘制的图像是　　　　　　　　　(选填“h-Δt”“h- ),则该直线的斜率k=　　　　(用字母m、g、m0、d表示)。 
解析 (1)要验证机械能守恒定律,金属片C到圆环的高度为h是已知条件,所以不需要测物块B运动到圆环处的时间t、挡光片到圆环的竖直距离l、物块A、B之间的距离Δh,A、B、C错误;要得出物块运动至光电门的速度,就必须测出挡光片穿过光电门的时间Δt,D正确。
对点演练2.(2023山东潍坊模拟)用图甲数字化机械能守恒实验器验证机械能守恒定律。N为内置了光电门的摆锤,通过白色轻质杆悬挂于转轴M处,仪器上嵌有10个相同的白色圆柱体。当摆锤通过某个白色圆柱体时,光电门能测出通过该圆柱体所用的时间(即圆柱体遮光的时间),将轻杆拉至水平,由静止开始释放摆锤,记录摆锤通过①~⑩圆柱体所用的时间t,分别为t1、t2……t10,用左侧刻度尺测出①~⑩圆柱体与摆锤释放点间的高度差h分别为h1、h2……h10。重力加速度为g。
(1)关于该实验,下列说法正确的是　　　　(选填字母)。 A.实验中还需要测出摆锤的质量mB.实验时应使左侧刻度尺处于竖直位置C.白色圆柱体应沿圆弧等距均匀分布D.若未从静止释放摆锤将不能验证机械能守恒定律(2)用游标卡尺测量圆柱体的直径d如图乙,读数为　　　　 cm。 (3)若有关系式　　　　(用题中所给字母表示)成立,则可验证摆锤从②运动到⑧的过程机械能守恒。 (4)实验中发现摆锤重力势能的减少量ΔEp略大于摆锤动能的增加量ΔEk,则可能的原因是　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)B(2)0.620
解析 (1)根据机械能守恒定律,重力势能的减少量与动能增加量中均含有m,所以可以约掉,此实验不测质量一样可以得出结论,A错误;实验时应使左侧刻度尺处于竖直位置,这样便于计算摆锤运动过程中的高度差,B正确;为方便地计算圆柱体与摆锤初始位置的高度差,各圆柱体可以等高分布,而不是要沿圆弧等距均匀分布,C错误;若释放摆锤时有初速度,可以选择其通过各圆柱体的过程来进行验证,D错误。(2)游标卡尺读数是主尺读数加上游标尺的读数,由图可读出为d=6 mm+4×0.05 mm=6.20 mm=0.620 cm。