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

这是一份新教材适用2024版高考物理一轮总复习第5章机械能实验7验证机械能守恒定律课件，共60页。PPT课件主要包含了实验知识·自主回顾，核心考点·重点突破，年高考·1年模拟，重力势能，接通电源，松开纸带，－mghB，－21，mgh5，见解析等内容，欢迎下载使用。
实验七　验证机械能守恒定律
一、实验目的1．掌握验证机械能守恒定律的方法。2．会用计算法或图像法处理实验数据。二、实验原理在自由落体运动中，物体的____________和______可以互相转化，但总机械能守恒。
方法1：若某一时刻物体下落的瞬时速度为v，下落高度为h，则应为：mgh＝______，借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能是否守恒，实验装置如图所示。方法2：任意找两点A、B，分别测出两点的速度大小vA、vB以及两点之间的距离d。若物体的机械能守恒，应有－ΔEp＝ΔEk。测定第n点的瞬时速度的方法是：测出第n点的相邻前、后两段相等时间T内下落
三、实验器材铁架台(带铁夹)，打点计时器，重锤(带纸带夹子)，纸带数条，复写纸片，导线，毫米刻度尺。除了上述器材外，还必须有学生电源(交流8 V左右)。四、实验步骤1．按方法1把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与学生电源连接好。2．把纸带的一端和重锤用夹子固定好，另一端穿过打点计时器限位孔，用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近。
3．____________，____________，让重锤自由下落。4．重复几次，得到3～5条打好点的纸带。5．在打好点的纸带中挑选第一、二两点间的距离接近 2 mm，且点迹清晰的一条纸带，在起始点标上0，以后各点依次标1、2、3……用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3……。
五、注意事项1．打点计时器安装时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。2．实验时，需保持提纸带的手不动，先接通电源、让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的小点。3．选用纸带时应尽量挑第一、二点间距接近 ____________的纸带。
4．测量下落高度时，都必须从起始点算起，不能搞错，为了减小测量值h时的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60 cm～80 cm以内。5．因不需要知道动能和势能的具体数值，所以不需要测量重物的质量。
六、误差分析1．测量长度时会存在偶然误差，所以测长度时要多测几次，取平均值即可减小此误差。2．由于本实验中有纸带与限位孔间的摩擦力(主要因素)和空气阻力(次要因素)的影响，这是系统误差，它使增加的动能少于减小的重力势能，要减小影响，采用增加重锤质量的办法，因为当重锤的重力远大于阻力时，可忽略阻力的影响。3．为了减小相对误差，选取的计数点最好离第一个点远一些。4．若第一、第二两点间的距离小于2 mm，则这两点间的时间间隔不到0.02 s或阻力过大。
(2023·河北高三模拟)利用如图装置做“验证机械能守恒定律”实验。
(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的___。A．动能变化量与势能变化量B．速度变化量与势能变化量C．速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是______。A．交流电源　B.刻度尺　 C.天平(含砝码)
(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝____________，动能变化量ΔEk＝____________。
(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2－h图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，该同学的判断是否正确？______(选填“正确”或“错误”)
[解析](1)为验证机械能守恒是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的动能增加量和重力势能的减小量是否相等，故A正确，BC错误。(2)实验中，电磁打点计时器使用交流电源，还需要测量点迹间的距离以得出下降高度和计算瞬时速度，所以还必须需要的两种器材是交流电源和毫米刻度尺；而重力势能减少量与动能增加量表达式中均有相同重物质量，可以不用测出重物质量而进行验证，所以不需要天平(含砝码)，故AB正确，C错误。
(4)由于公式v＝gt和v2＝2gh是建立在机械能守恒的前提下的理想公式，因此实验中不能用它们来计算重物的速度；若用它们计算重物的速度，则重力势能的减少量等于动能的增加量，故AB错误；重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是存在空气阻力和摩擦阻力的影响，使得重物的重力势能有一部分转化为了内能，这属于实验的系统误差，无法通过多次实验取平均值的方法消除，故C正确，D错误。
〔变式训练1〕　(2023·四川省泸县模拟预测)用如图所示，用滴水法验证水滴做自由落体运动的过程中机械能守恒，水滴从图中O位置静止下落，A、B、C、D四个位置分别固定有速度传感器，且与O在同一条竖直线上。
(1)若当地重力加速度为g，还需要测量的物理量有______(填选项前的字母)。A．该水滴的质量mB．该水滴下落到每一个速度传感器时的速度vC．该水滴下落到每一个速度传感器时所用的时间tD．该水滴下落到每一个速度传感器时下落的高度h
(3)为了减小本实验误差下列改进措施可行的是______A．相邻速度传感器间的距离适当大些B．速度传感器的位置可以不在同一竖直线上C．改用质量大、体积小的球做实验D．相邻速度传感器间的距离要相等
(3)为了减小实验误差，相邻速度传感器的距离适当大些，由于每个位置的速度都是速度传感器自行测得，实验中并不要求相邻速度传感器间的距离要相等，故A正确，D错误；由于水滴是自由落体运动，轨迹是竖直的直线，因此速度传感器的位置应同一竖直线上，若不在同一竖直线上会阻断水滴的下落或增大水滴与速度传感器的摩擦，故B错误；为减小空气阻力的影响，可把水滴换成质量大、体积小的小球做实验，故C正确。
“验证机械能守恒定律”实验的几个改进措施1．物体的速度可以用光电计时器测量，以减小由于测量和计算产生的误差。2．实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而产生的误差。3．可以利用气垫导轨来设计实验，以减小由于摩擦产生的误差。
(2023·广东模拟预测)利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图所示，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)
〔变式训练2〕　(2023·江西宜春模拟预测)某实验小组利用如图甲所示装置验证小铁球在竖直平面内摆动过程中机械能守恒，将力传感器固定，不可伸长的轻绳一端系住小球，另一端连接力传感器，若某次实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图乙所示，其中Fm是实验中测得的最大拉力值。
(1)现用游标卡尺测得小球直径如图丙所示，则小球的直径为d＝____________ cm。　　 (2)小球由A点静止释放到第一次回到A点的时间为t＝___s。(3)若测得小球质量为m，直径为d，轻绳长为l，小球释放的位置A到最低点的高度差为h，重力加速度为g，小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中，验证该过程小球机械能守恒的表达式为__________________(用题中给定的字母表示)。
[解析](1)由图丙所示，游标卡尺的主尺读数为0.80 cm，游标尺的第4个刻度线与主尺的某刻度线对齐，读数为0.05 mm×4＝0.20 mm＝0.020 cm，则有小球的直径为d＝0.80 cm＋0.020 cm＝0.820 cm。(2)由题图乙可知，F－t图像是小球做周期性的摆动，每次经最低点时绳上拉力最大，经A点时拉力最小，由图像可知，小球由A点静止释放经最低点到左侧最高点所用时间是1 s，再从左侧最高点经最低点第一次回到A点所用时间是1 s，因此小球由A点静止释放到第一次回到A点的时间为t＝2 s。
1.(2022·广东卷)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。(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。(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。
7.883或7.884
(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)。(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。
[解析](2)依题意，小球的直径为d＝7.5 mm＋38.4×0.01 mm＝7.884 mm，考虑到偶然误差，7.883 mm也可以。(3)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。(5)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。
2．(2022·湖北卷)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值T min。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的Tmax－T min图像是一条直线，如图乙所示。
(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为______。(2)由图乙得：直线的斜率为____________，小钢球的重力为____________N。(结果均保留2位有效数字)(3)该实验系统误差的主要来源是___(单选，填正确答案标号)。A．小钢球摆动角度偏大B．小钢球初始释放位置不同C．小钢球摆动过程中有空气阻力
(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2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_________。
(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3所示。由图3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_________。
(2)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。
4．(2021·河北卷，12)某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系，所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g，其上可放钩码)、刻度尺。当地重力加速度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下：
①安装器材，调整两个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；
④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果如下表所示：
回答下列问题：(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为_______________ J(保留三位有效数字)；(2)步骤④中的数据所缺数据为 _______________；(3)以M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出ΔE－M图像；
若系统总机械能的减少量等于克服摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为______________________。(保留两位有效数字)
0.40(0.38～0.42)
(3)根据表格数据描点得ΔE－M的图像为
5．(2023·重庆高三模拟)如图为“用DIS研究机械能守恒定律”的实验装置。(1)本实验每次从_______(选填“同一”或“不同”)高度释放摆锤，摆锤释放器的作用是______________________。
(2)在实验中测得B点机械能明显偏小的原因可能是( 　　)A．摆锤释放前，摆线处于松弛状态B．光电门的光电孔在B点水平线下方C．摆锤释放时，摆锤释放器在A位置上方D．标尺盘水平刻度线未保持水平，且右端偏高(3)若以摆锤速度的平方为纵坐标，以摆锤距离零势能D点的高度为横坐标，作出的直线斜率为a，截距为b，则当地重力加速度g可表示为______，摆锤初始高度可表示为______。
[解析](1)本实验每次从同一高度释放摆锤，摆锤释放器的作用是使摆锤从静止释放。(2)实验时释放摆锤前摆线要拉直，若不绷直，释放时会先做自由下落，绷直时有能量损失，造成机械能偏小，故A正确；若光电门的光电孔在B点水平线下方或摆锤释放器在A位置上方，都会使得摆锤下降的实际高度偏大，减小的重力势能增大，B点动能增大，导致测得B点机械能偏大，故BC错误；标尺盘水平刻度线未保持水平，且右端偏高，会使得摆锤下降的实际高度偏大，减小的重力势能增大，B点动能增大，导致测得B点机械能偏大，故D错误。