（山东专用）2021高考物理一轮复习 实验7 验证机械能守恒定律课件

机械能第五章实验7验证机械能守恒定律01主干回顾·强化根基◎注意事项1．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．重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．3．应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落．4．纸带长度应选用60cm左右为宜，应选用点迹清晰的纸带进行测量．5．速度不能用vn＝gtn或vn＝2ghn计算，速度应从纸带上直接测量计算．同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用hn＝12gt2n或hn＝v2n2g计算得出．◎误差分析误差产生原因减小方法偶然误差测量长度带来的误差(1)测量距离时应从计数点0量起，且选取的计数点离0点远些(2)多次测量取平均值系统误差重物和纸带下落过程中存在阻力(1)打点计时器安装稳固，并使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力(2)选用质量大、体积小的物体作重物，以减小空气阻力的影响02核心考点·探究突破考点一教材原型实验[例1](2019·福建莆田高三检测)某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50Hz，得到如图乙所示的纸带．选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0＝19.00cm，点A、C间的距离为s1＝8.36cm，点C、E间的距离为s2＝9.88cm，g取9.8m/s2，测得重物的质量为m＝1kg.甲(1)(多选)下列做法正确的有________.A．图甲中两限位孔必须在同一竖直线上B．实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直C．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源D．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J，打下C点时重物的速度大小是________m/s.(结果保留三位有效数字)(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以为纵坐标，以s为横坐标画出的图象应是________.乙解析(1)图甲中两限位孔必须在同一竖直线上，实验前手应提住纸带上端，并使纸带竖直，这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦，选项A、B正确；实验时，应先接通打点计时器的电源再放开纸带，选项C错误；数据处理时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，以减小长度的测量误差，选项D错误．答案(1)A、B(2)2.682.28(3)C(2)重物减少的重力势能为ΔEp＝mg(s0＋s1)≈2.68J，由于重物下落时做匀变速运动，根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知，打下C点时重物的速度为vC＝s1＋s24T＝2.28m/s.(3)物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出mgs＝12mv2，即gs＝12v2，所以v22­s图线应是一条过原点的倾斜直线，选项C正确．[例2](2016·北京卷·21节选)利用如图装置做“验证机械能守恒定律”的实验．(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．速度变化量和势能变化量C．速度变化量和高度变化量(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＝________.(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________.A．利用公式v＝gt计算重物速度B．利用公式v＝2gh计算重物速度C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响D．没有采用多次实验取平均值的方法(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图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确．解析(1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差允许范围内是否相等，A项正确．(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故选A．需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，选B．根据mgΔh＝12mv22－12mv21可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不选C．(3)重物的重力势能变化量为ΔEP＝－mghB，动能的变化量ΔEk＝12mv2B＝12m(hC－hA2T)2.(4)重物重力势能的减少量大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力的影响，C正确．(5)该同学的判断依据不正确，在重物下落h的过程中，若阻力Ff恒定，根据mgh－Ffh＝12mv2－0，则v2＝2(g－Ffm)h可知，v2－h图象就是过原点的一条直线．要想通过v2－h图象来验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g.答案(1)A(2)AB(3)－mghB12m(hC－hA2T)2(4)C(5)不正确，理由见解析考点二实验拓展与创新题型1实验方案的创新[例3]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．如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．(结果均保留两位有效数字)，则：甲乙丙(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝________m/s；(2)在打下0点到第5点的过程中系统动能的增量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)(3)若某同学作出12v2－h图象如图丙所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2.解析(1)v5＝21.60＋26.40×10－20.1×2m/s＝2.4m/s.(2)ΔEk＝12(m1＋m2)v25－0≈0.58J，ΔEP＝m2gh5－m1gh5＝0.60J.(3)由(m2－m1)gh＝12(m1＋m2)v2，知v22＝m2－m1ghm1＋m2，即图线的斜率k＝m2－m1gm1＋m2＝5.821.20.解得g＝9.7m/s2.答案(1)2.4(2)0.580.60(3)9.7题型2实验拓展——探究弹性势能[例4](2013·全国卷Ⅱ)某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究：一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连；弹簧处于原长时，小球恰好在桌面边缘，如图甲所示．向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放；小球离开桌面后落到水平地面．通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．甲回答下列问题：(1)本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能EP与小球拋出时的动能Ek相等．已知重力加速度大小为g.为求得Ek，至少需要测量下列物理量中的________.(填正确答案标号)A．小球的质量mB．小球拋出点到落地点的水平距离sC．桌面到地面的高度hD．弹簧的压缩量ΔxE．弹簧原长l0(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek＝________.回答下列问题：(1)本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能EP与小球拋出时的动能Ek相等．已知重力加速度大小为g.为求得Ek，至少需要测量下列物理量中的________.(填正确答案标号)A．小球的质量mB．小球拋出点到落地点的水平距离sC．桌面到地面的高度hD．弹簧的压缩量ΔxE．弹簧原长l0(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek＝________.(3)图乙中的直线是实验测量得到的s－Δx图线．从理论上可推出，如果h不变，m增加，s－Δx图线的斜率会________(填“增大”“减小”或“不变”)；如果m不变，h增加，s－Δx图线的斜率会________(填“增大”“减小”或“不变”)．由图乙中给出的直线关系和Ek的表达式可知，EP与Δx的________次方成正比．乙解析利用平拋运动的规律可将对瞬时速度的测量转化为对长度的测量．(1)本实验通过对平拋运动的计算，测量小球获得的动能，再根据机械能守恒，可得到弹簧的弹性势能，故需要测量的量有小球从拋出点到落地点的水平距离s、桌面到地面的高度h、小球的质量m，A、B、C正确．(2)由h＝12gt2，s＝vt可得v＝sg2h，故Ek＝12mv2＝mgs24h.(3)由s＝v0t，h＝12gt2可知，h不变，则s∝v0；而对相同的Δx，当小球质量m增大时，平拋初速度减小，s减小，因此图线斜率k＝sΔx减小；如果m不变，h增大，则相同的Δx时s会增大，斜率会增大．根据机械能守恒，EP＝EK＝mgs24h，由题图知s∝Δx，故EP∝Δx2.答案(1)ABC(2)mgs24h(3)减小增大2