高中物理高考一輪復(fù)習(xí)一輪復(fù)習(xí) 2023屆高考物理一輪復(fù)習(xí)導(dǎo)學(xué)案驗證機械能守恒定律

實驗：驗證機械能守恒知識點一基本實驗要求一、實驗?zāi)康尿炞C機械能守恒定律．二、實驗原理(如圖所示)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對應(yīng)過程動能的增加量，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，若二者相等，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、交流電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(帶鐵夾)、導(dǎo)線．四、實驗步驟(1)安裝器材：將打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線將打點計時器與電源相連．(2)打紙帶用手豎直提起紙帶，使重物?？吭诖螯c計時器下方附近，先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落，打點計時器就在紙帶上打出一系列的點，取下紙帶，換上新的紙帶重打幾條(3～5條)紙帶．(3)選紙帶：分兩種情況說明①若選第1點O到下落到某一點的過程，即用mgh＝eq\f(1,2)mv2來驗證，應(yīng)選點跡清晰，且第1、2兩點間距離接近2mm的紙帶(電源頻率為50Hz)．②用eq\f(1,2)mveq\o\al(B2,)－eq\f(1,2)mveq\o\al(A2,)＝mgΔh驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時選擇適當(dāng)?shù)狞c為基準(zhǔn)點即可．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．知識點二規(guī)律方法總結(jié)1．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(yīng)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(,n2)必定稍小于重力勢能的減少量ΔEp＝mghn，改進辦法是調(diào)整安裝的器材，盡可能地減小阻力．2．注意事項(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線上，以減少摩擦阻力．(2)重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料．(3)應(yīng)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(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt來計算．3．驗證方案方案一：利用起始點和第n點計算代入mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(,n2)，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(,n2)相等，則驗證了機械能守恒定律．方案二：任取兩點計算(1)任取兩點A、B，測出hAB，算出mghAB.(2)算出eq\f(1,2)mveq\o\al(B2,)－eq\f(1,2)mveq\o\al(A2,)的值．(3)在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，若mghAB＝eq\f(1,2)mveq\o\al(B2,)－eq\f(1,2)mveq\o\al(A2,)，則驗證了機械能守恒定律．方案三：圖象法從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以eq\f(1,2)v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖象．若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律．

拓展點一教材原型實驗例1、(2023廣東省湛江市第二次模擬·難度系數(shù)★★★建議用時5分40秒)如圖所示，打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗證機械能守恒定律．該裝置中的打點計時器所接交流電源頻率是50Hz.(1)對于該實驗，下列操作中對減小實驗誤差有利的是________．A．精確測量出重物的質(zhì)量B．兩限位孔在同一豎直線上C．重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘D．釋放重物前，重物離打點計時器下端遠些(2)按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，圖中有部分未畫出，如圖所示．紙帶上各點是打點計時器打出的計時點，其中O點為紙帶上打出的第一個點．①重物下落高度應(yīng)從紙帶上計時點間的距離直接測出，下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有________．A．OA、OB和OG的長度B．OE、DE和EF的長度C．BD、BF和EG的長度D．AC、BF和EG的長度②用刻度尺測得圖中AB的距離是cm，F(xiàn)G的距離是cm，則可得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣仁莀_______m/s2.(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)【答案】(1)BC(2)①BD②【解析】(1)因為在實驗中比較的是mgh、eq\f(1,2)mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要測量重物的質(zhì)量，對減小實驗誤差沒有影響，故A錯誤．為了減小紙帶與限位孔之間的摩擦，實驗裝置中兩限位孔必須在同一豎直線上，從而減小實驗誤差，故B正確．實驗供選擇的重物應(yīng)該選相對質(zhì)量較大、體積較小的物體，這樣能減少摩擦阻力的影響，從而減小實驗誤差，故C正確．釋放重物前，為更有效地利用紙帶，重物離打點計時器下端近些，故D錯誤．(2)①當(dāng)知道OA、OB和OG的長度時，無法算出任何一點的速度，故A不符合題意；當(dāng)知道OE、DE和EF的長度時，利用DE和EF的長度可以求出E點的速度，從而求出O點到E點的動能變化量，知道OE的長度，可以求出O點到E點重力勢能的變化量，可以驗證機械能守恒，故B符合題意；當(dāng)知道BD、BF和EG的長度時，由BD、BF的長度可以求出E點的速度，但無法求出G點的速度，故無法求出E點到G點的動能變化量，故C不符合題意；當(dāng)知道AC、BF和EG的長度時，可以分別求出B點和F點的速度，從而求B到F點的動能變化量，知道BF的長度，可以求出B點到F點重力勢能的變化量，可以驗證機械能守恒，故D符合題意．②根據(jù)Δh＝gt2，解得g＝eq\f(FG－AB,5T2)＝eq\f－,5××10－2m/s2＝m/s2.例2、(2023山東省實驗中學(xué)高三模擬·難度系數(shù)★★★建議用時5分35秒)某同學(xué)設(shè)計出如圖甲所示的實驗裝置來“驗證機械能守恒定律”讓小鐵球從A點自由下落，下落過程中經(jīng)過A點正下方的光電門B時，光電計時器記錄下小球通過光電門的時間t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。(1)為了驗證機械能守恒定律，除了該實驗準(zhǔn)備的如下器材：鐵架臺、夾子、鐵質(zhì)小球，光電門、數(shù)字式計時器、游標(biāo)卡尺(20分度)，請問還需要________(選填“天平”、“刻度尺”或“秒表”)；(2)用游標(biāo)卡尺測量鐵球的直徑。主尺示數(shù)(單位為cm)和游標(biāo)的位置如圖所示，則其直徑為________cm；(3)用游標(biāo)卡尺測出小球的直徑為d，調(diào)整AB之間距離h，記錄下小球通過光電門B的時間t，多次重復(fù)上述過程，作出隨h的變化圖線如圖乙所示。若已知該圖線的斜率為k，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的表達式為________?！敬鸢浮靠潭瘸摺窘馕觥?1)[1]．根據(jù)實驗原理和題意可知，還需要用刻度尺測量A點到光電門的距離，故選刻度尺；(2)[2]．20分度的游標(biāo)卡尺，精確度是，游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為1cm，游標(biāo)尺上第3個刻度和主尺上某一刻度對齊，所以游標(biāo)讀數(shù)為，所以最終讀數(shù)為：.(3)[3]．根據(jù)機械能守恒的表達式有利用小球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度有整理后有則該直線斜率為可得

拓展點二實驗創(chuàng)新例1、(2023安徽省合肥市高三第二次教學(xué)質(zhì)量檢測·難度系數(shù)★★★建議用時6分鐘)圖甲為某實驗小組做“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，光電門A、B固定在氣墊導(dǎo)軌上，細(xì)線兩端分別與鉤碼和滑塊相連，重力加速度為g。(1)實驗的主要操作如下：①按圖組裝好實驗器材；②讓滑塊從氣墊導(dǎo)軌上光電門A的右側(cè)某位置由靜止釋放；③記錄遮光條通過光電門A、B所用的時間分別為t1、t2；④改變光電門B的位置，進行多次實驗。為完成該實驗，還缺少的主要操作是_____；(2)實驗中還需要測量的物理量有_____；①滑塊的長度D；②遮光條的寬度d；③兩個光電門之間的距離L；④滑塊(含遮光條)的質(zhì)量M；⑤鉤碼的質(zhì)量m。(3)對于滑塊(含遮光條)和鉤碼組成的系統(tǒng)，重力勢能的減少量Ep=_______；動能的增加量Ek=_____；(用上述所給的字母表示)(4)實驗小組處理采集的多組數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)系Ep-Ek中描點作圖，如圖乙所示，若兩軸的標(biāo)度相同，造成該實驗結(jié)果的原因是_______?！敬鸢浮繉鈮|導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平②③④⑤mgL氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)水平且B端偏低【解析】(1)[1]．為完成該實驗，還缺少的主要操作是將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平；(2)[2]．滑塊經(jīng)過兩個光電門時的速度分別為則要驗證的關(guān)系為則要測量的物理量是：②遮光條的寬度d；③兩個光電門之間的距離L；④滑塊(含遮光條)的質(zhì)量M；⑤鉤碼的質(zhì)量m。(3)[3]．對于滑塊(含遮光條)和鉤碼組成的系統(tǒng)，重力勢能的減少量Ep=mgL；[4]．動能的增加量Ek=；(4)[5]．根據(jù)Ep-Ek圖像，若Ep=Ek則直線傾角為45°，而現(xiàn)在圖中直線傾角為42°，可知Ep<Ek可知原因可能是滑塊的重力做正功造成的，即氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)水平且B端偏低。例2、(2023廣東省順德區(qū)高三第四次模擬·難度系數(shù)★★建議用時4分45秒)小明想要粗略驗證機械能守恒定律。把小鋼球從豎直墻某位置由靜止釋放，用數(shù)碼相機的頻閃照相功能拍攝照片如圖所示。已知設(shè)置的頻閃頻率為f，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。(1)要驗證小鋼球下落過程中機械能守恒，小明需要測量以下哪些物理量______(填選項前的字母)。A．墻磚的厚度dB．小球的直徑DC．小球的質(zhì)量m(2)照片中A位置______(“是”或“不是”)釋放小球的位置。(3)如果表達式___________(用題設(shè)條件中給出的物理量表示)在誤差允許的范圍內(nèi)成立，可驗證小鋼球下落過程中機械能守恒。【答案】A不是【解析】(1)[1]．此題為粗略驗證機械能守恒，對于小球直徑?jīng)]有必要測量，表達式左右兩邊都有質(zhì)量，所以質(zhì)量沒有必要測量，只需要測量墻磚的厚度．(2)[2]．圖片上可以看出，，所以A點不是釋放小球的位置．(3)[3]．由勻變速直線運動規(guī)律周期和頻率關(guān)系其中若機械能守恒，則a=g即滿足

拓展點三實驗拓展——探究彈簧的彈性勢能例1、(2023屆山西省太原市高三模擬·難度系數(shù)★★★建議用時4分鐘)為測量彈簧壓縮時具有的彈性勢能和滑塊B的質(zhì)量，某同學(xué)用如圖的裝置進行實驗。氣墊導(dǎo)軌上有A、B兩個滑塊，A上固定一遮光片，左側(cè)與被壓縮且鎖定的彈簧接觸，右側(cè)帶有橡皮泥。已知A的質(zhì)量為m1，遮光片的寬度為d；打開電源，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌使滑塊A和B能靜止在導(dǎo)軌上。解鎖彈簧，滑塊A被彈出后向右運動，通過光電門1后與B相碰，碰后粘在一起通過光電門2。兩光電門顯示的遮光時