第6章 实验7 验证机械能守恒定律（word教参）-【正禾一本通】2024高考物理高三一轮总复习高效讲义（新教材新高考）

实验七　验证机械能守恒定律 【实验目的】 　验证机械能守恒定律。 备考第1步——理清实验过程，注意实验事项 一、实验原理(如图所示) 通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和对应过程动能的增加量，在实验误差允许范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。 二、实验器材 打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、毫米刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。 三、实验过程 1．安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连。 2．打纸带 用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3～5条)纸带。 3．选纸带：从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带。 4．进行数据处理并验证。 四、数据处理 1．求瞬时速度 由公式vn＝可以计算出重物下落h1、h2、h3…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3…。 2．验证守恒 方案一：利用起始点和第n点计算 代入mghn和mvn2，如果在实验误差允许的范围内mghn和mvn2相等，则验证了机械能守恒定律。 注意：应选取最初第1、2两点间距离接近2_mm的纸带(电源频率为50 Hz)。 方案二：任取两点计算 ①任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB。 ②算出mvB2－mvA2的值。 ③在实验误差允许的范围内，若mghAB＝mvB2－mvA2，则验证了机械能守恒定律。 方案三：图像法 测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算对应速度v，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出v2 ­h图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。 【注意事项】 [实验过程]　　　 　　 ①打点计时器要竖直：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重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 ③一先一后：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。 [数据处理]　　　 　　 ①测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来计算。 ②不需测出物体质量，只需验证vn2＝ghn即可。 [误差分析]　　　 　　 ①减少系统误差：本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。 ②减少偶然误差：本实验在长度测量时产生误差，改进的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各点对应的下落高度测量完。 备考第2步——研典题破重难，透析高考考法 　　　　　　　　　　　　　　　　 层级1 基础实验过关 【典例引领】 【例1】 (2022·河北高考)某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m。已知弹簧的弹性势能表达式为E＝kx2，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g。 (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________________ ________________________________________________________。 解析：(1)根据题意，打下A点时弹簧伸长量为L－L0，题中明确纸带为加速上升阶段，即弹簧始终处于伸长状态，F位置弹簧伸长量为L－L0－h4，弹性势能减少量为k(L－L0)2－k(L－L0－h4)2，也可以整理为k(L－L0)h4－kh42。点F处的速度为，因此，动能变化量为，重力势能增加量为mgh4。 (2)摩擦力和空气阻力做功随着位移增加，减小的弹性势能一部分转变为内能。 答案：(1)k(L－L0)h4－kh42　　mgh4 (2)见解析 【跟踪训练】 1．在验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v0和下落高度h。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。 图甲