新高考物理一輪復(fù)習(xí)重難點(diǎn)練習(xí)實(shí)驗(yàn)07 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律（原卷版）

實(shí)驗(yàn)07驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1.熟悉“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的基本實(shí)驗(yàn)原理及注意事項(xiàng).2.會(huì)驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的機(jī)械能守恒．1．實(shí)驗(yàn)原理(如圖所示)通過實(shí)驗(yàn)，求出做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的重力勢(shì)能的減少量和對(duì)應(yīng)過程動(dòng)能的增加量，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，若二者相等，說明機(jī)械能守恒，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．2．實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、交變電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、導(dǎo)線．3．實(shí)驗(yàn)過程(1)安裝器材：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(diǎn)計(jì)時(shí)器下方附近，先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，取下紙帶，換上新的紙帶重打幾條(3～5條)紙帶．(3)選紙帶：從打出的幾條紙帶中選出一條點(diǎn)跡清晰的紙帶．(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并驗(yàn)證．4．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)求瞬時(shí)速度由公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)可以計(jì)算出重物下落h1、h2、h3…的高度時(shí)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3….(2)驗(yàn)證守恒方案一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算代入mghn和eq\f(1,2)mvn2，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，mghn和eq\f(1,2)mvn2相等，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．注意：應(yīng)選取最初第1、2兩點(diǎn)間距離接近2_mm的紙帶(電源頻率為50Hz)．方案二：任取兩點(diǎn)計(jì)算①任取兩點(diǎn)A、B，測(cè)出hAB，算出mghAB.②算出eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2的值．③在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，若mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．方案三：圖像法測(cè)量從第一點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h，并計(jì)算對(duì)應(yīng)速度v，然后以eq\f(1,2)v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖像．若在誤差允許的范圍內(nèi)圖像是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．5．注意事項(xiàng)(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直：安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．(2)重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的．(3)應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作，后松開紙帶讓重物下落．(4)測(cè)長(zhǎng)度，算速度：某時(shí)刻的瞬時(shí)速度的計(jì)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(jì)算．(5)此實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)量重物的質(zhì)量．6.對(duì)本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)創(chuàng)新的方法1．速度測(cè)量方法的創(chuàng)新從測(cè)量紙帶上各點(diǎn)速度→eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(由光電門測(cè)速度,由頻閃照片測(cè)速度,由平拋運(yùn)動(dòng)測(cè)速度))2．研究對(duì)象的創(chuàng)新從單個(gè)物體創(chuàng)新為兩個(gè)物體組成的系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)在某一過程機(jī)械能守恒．3．實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新由驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律創(chuàng)新為測(cè)量彈簧的彈性勢(shì)能，測(cè)重力加速度．【典例1】（2022·湖北·黃岡中學(xué)模擬預(yù)測(cè)）某物理興趣小組利用如圖甲實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證SKIPIF1<0、SKIPIF1<0組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。SKIPIF1<0從一定高度由靜止開始下落，SKIPIF1<0上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：O是打下的第一個(gè)點(diǎn)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50Hz。A、B、C為紙帶上標(biāo)注的三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)（圖中未標(biāo)出）。各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離已在圖中標(biāo)出。已知SKIPIF1<0、SKIPIF1<0（重力加速度g取SKIPIF1<0，計(jì)算結(jié)果均保留一位小數(shù)）（1）關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)，下列說法中正確的是______；A．重物最好選擇密度較大的物塊B．重物的質(zhì)量可以不測(cè)量C．實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先釋放紙帶，后接通電源D．可以利用公式SKIPIF1<0來求解瞬時(shí)速度（2）在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時(shí)的速度v＝______m/s；（3）在打計(jì)數(shù)點(diǎn)O至B過程中系統(tǒng)動(dòng)能的增加量SKIPIF1<0______J，系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量SKIPIF1<0______J，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示SKIPIF1<0略大于SKIPIF1<0，那么造成這一現(xiàn)象的主要原因是_______。（4）某同學(xué)根據(jù)選取的紙帶的打點(diǎn)情況做進(jìn)一步分析，做出SKIPIF1<0獲得的速度v的平方隨下落的高度h的變化圖像如圖丙所示，據(jù)此可計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝______SKIPIF1<0。【典例2】（2022·全國·高三專題練習(xí)）某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用拉力傳感器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)。一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲所示。拉起小鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，記錄鋼球擺動(dòng)過程中拉力傳感器示數(shù)的最大值SKIPIF1<0和最小值SKIPIF1<0。改變小鋼球的初始釋放位置，重復(fù)上述過程。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制的SKIPIF1<0圖像是一條直線，如圖乙所示。（1）若小鋼球擺動(dòng)過程中機(jī)械能守恒。則圖乙中直線斜率的理論值為_______。（2）由圖乙得:直線的斜率為______，小鋼球的重力為_______N。（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）（3）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的主要來源是______（單選，填正確答案標(biāo)號(hào)）。A．小鋼球擺動(dòng)角度偏大B．小鋼球初始釋放位置不同C．小鋼球擺動(dòng)過程中有空氣阻力【典例3】（2022·四川省資中縣球溪高級(jí)中學(xué)模擬預(yù)測(cè)）某同學(xué)用如圖（a）所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：（ⅰ）調(diào)整氣墊導(dǎo)軌使之水平；（ⅱ）用天平測(cè)量滑塊（含遮光條）質(zhì)量并記錄為M；（ⅲ）測(cè)量遮光條寬度并記錄為d；（ⅳ）將滑塊放在氣墊導(dǎo)軌上，通過輕質(zhì)細(xì)繩與鉤碼連接，記錄鉤碼總質(zhì)量為m；（ⅴ）將滑塊從A位置釋放后，測(cè)出遮光條通過光電門的時(shí)間Δt和A、B間的距離s；（ⅵ）對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。請(qǐng)回答下列問題。（已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間）（1）若步驟（ⅲ）用螺旋測(cè)微器測(cè)量遮光條寬度d的示數(shù)情況如圖（b）所示，則d=___________mm。（2）本實(shí)驗(yàn)中需驗(yàn)證的機(jī)械能守恒表達(dá)式為___________（用以上對(duì)應(yīng)物理量的符號(hào)表示）。（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)動(dòng)能增加量明顯大于重力勢(shì)能減少量，可能的原因是________。A．鉤碼總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M

B．鉤碼總質(zhì)量m與滑塊質(zhì)量M相差不大C．氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)水平，且左高右低

D．氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)水平，且左低右高【典例4】（2022·全國·高三專題練習(xí)）阿特伍德機(jī)是英國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿特伍德創(chuàng)制的一種著名力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，常用來研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。現(xiàn)對(duì)該裝置加以改進(jìn)，利用改進(jìn)后的裝置（如圖所示）驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。輕繩兩端系著質(zhì)量均為M的重物A（含擋光片）、B（含掛鉤），物塊B上放一質(zhì)量為m的金屬片C，鐵架臺(tái)上固定一金屬圓環(huán)，圓環(huán)處在物塊B的正下方，金屬片C不能穿過圓環(huán)而B可以穿過，金屬片C到圓環(huán)的高度為h，固定在A上的擋光片到光電門的豎直距離也為h，擋光片的寬度d。（1）為了完成實(shí)驗(yàn)還需要記錄或測(cè)量的物理量是______A．物塊B運(yùn)動(dòng)到圓環(huán)處的時(shí)間tB．擋光片到圓環(huán)的豎直距離lC．剛剛釋放時(shí)物塊AB之間的距離SKIPIF1<0D．擋光片穿過光電門的時(shí)間SKIPIF1<0（2）為了減小實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，改變物塊B的初始位置，使物塊B從不同的高度由靜止下落穿過圓環(huán)，記錄每次金屬片C與圓環(huán)間的高度h以及擋光片穿過光電門的時(shí)間SKIPIF1<0，通過描點(diǎn)作圖，為了得到一條過原點(diǎn)的直線，則應(yīng)該繪制的圖像是______（選填“h??t”、“SKIPIF1<0”、“SKIPIF1<0”），則該直線的斜率k=______（用字母m、g、M、d表示）?！镜淅?】（2022·浙江·高三專題練習(xí)）利用如圖1所示的裝置甲同學(xué)完成“探究功與物體速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，小車在橡皮筋的作用下沿著木板滑行。實(shí)驗(yàn)中：（1）如圖1裝置中的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要接下面的哪種電源___________。（2）乙同學(xué)完成“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”等分組實(shí)驗(yàn)，在圖3實(shí)驗(yàn)器材中，既能用于“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”，還能用于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”等分組實(shí)驗(yàn)的是___________。（3）關(guān)于上面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)下列說法正確的是___________。A．甲同學(xué)可以利用紙帶上任意兩點(diǎn)間的距離求所需速度B．甲同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)木板傾斜的目的是使橡皮筋所做的功等于合力所做的功C．乙同學(xué)可以取紙帶上任意2個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 D．乙同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器釋放的目的是為了獲取更多的計(jì)時(shí)點(diǎn)（4）圖4是實(shí)驗(yàn)中得到的紙帶①、②，請(qǐng)計(jì)算②紙帶計(jì)算b點(diǎn)對(duì)應(yīng)速度___________m/s，其中紙帶___________是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)得到的（填“①”或“②"）。【典例6】（2022·遼寧·沈陽二中三模）實(shí)驗(yàn)小組同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器和拉力傳感器做“研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能守恒”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，水平桌面上固定一帶有刻度尺的傾斜氣墊導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶遮光條的長(zhǎng)方形滑塊，用天平測(cè)得其總質(zhì)量為m。定滑輪與拉力傳感器之間的細(xì)繩是豎直的，定滑輪與滑塊之間的細(xì)繩平行于氣墊導(dǎo)軌。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①用圖乙所示的游標(biāo)卡尺測(cè)出測(cè)光條的寬度SKIPIF1<0______cm；②安裝好實(shí)驗(yàn)器材，給氣墊導(dǎo)軌接上氣源，然后讀出拉力傳感器的示數(shù)F，同時(shí)從氣墊導(dǎo)軌刻度尺上讀出遮光條中心與光電門之間的距離L；③燒斷拉力傳感器與滑塊之間的細(xì)繩，讓滑塊滑向光電門并記錄遮光條通過光電門的時(shí)間t；④多次改變滑塊與光電門之間的距離，每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量相應(yīng)的L與t值，填入相應(yīng)的表格中。試分析下列問題：（1）小組同學(xué)根據(jù)測(cè)得的L與t的值，用描點(diǎn)法作出如圖丙所示的SKIP