第5章 实验7 验证机械能守恒定律(教参)-【名师导航】2024年高考物理一轮总复习(新教材新高考)通用版

实验七　验证机械能守恒定律 教材原型实验　 　实验原理与操作 [典例1]　用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，输出电压有8 V 的交流电和直流电两种。重物从高处由静止开始下落，重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点进行测量，即可验证机械能守恒定律。 (1)下面列举了该实验的几个操作步骤： A．按照图示的装置安装器材 B．将打点计时器接到电源的直流输出端上 C．用天平测出重物的质量 D．释放纸带，同时接通电源开关打出一条纸带 E．测量打出的纸带上某些点之间的距离 F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能 其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是______。(将其选项对应的字母填在横线处) (2)在验证机械能守恒定律的实验中，若以v2为纵轴、以h为横轴，根据实验数据绘出v2­h的图像应是________，才能验证机械能守恒定律。v2­h图像的斜率等于________的数值。 [解析]　(1) 打点计时器应接到电源的交流输出端上，故B错误；验证机械能是否守恒只需验证mgh＝mv2，即gh＝v2，m可约去，故不需要用天平测重物的质量，故C没有必要进行；开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重物，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会使实验产生较大的误差，故D错误。 (2)利用v2­h图线处理数据，物体自由下落过程中机械能守恒，mgh＝mv2，即v2＝gh，若以v2为纵轴、以h为横轴，画出的图线应是过原点的倾斜直线，由以上易知v2­h图线的斜率就等于重力加速度g的数值。 [答案]　(1)BCD　(2)过原点的倾斜直线　重力加速度g 　数据处理与分析 [典例2]　(2021·浙江6月选考)在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。 图1 图2 (1)为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是________。 (2)已知交流电频率为50 Hz，重物质量为200 g，当地重力加速度g＝9.80 m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|＝________ J、C点的动能EkC＝________ J(计算结果均保留3位有效数字)。比较EkC与|ΔEp|的大小，出现这一结果的原因可能是________。 A．工作电压偏高 B．存在空气阻力和摩擦力 C．接通电源前释放了纸带 [解析]　(1)在验证机械能守恒定律实验时阻力越小越好，因为密度大的相同体积的重物，其阻力与重力之比更小，所以选用密度大的重物。 (2)由图2中可知OC之间的距离为xOC＝27.90 cm，因此重力势能的减少量为|ΔEp|＝mgxOC＝0.2×9.8×0.279 0 J≈0.547 J 匀变速直线运动中间时刻的速度等于这段时间的平均速度，因此 vC＝＝ m/s＝2.425 m/s 因此动能的增加量为EkC＝mv＝×0.2×2.425×2.425 J≈0.588 J 工作电压偏高不会影响实验的误差，存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量。 [答案]　(1)阻力与重力之比更小(或其他合理解释)　(2)0.547　0.588　C 拓展创新实验　 　实验器材创新 [典例3]　某同学做验证机械能守恒定律的实验，实验装置如图甲所示。测量出光电门到放在试管夹上质量为m＝0.1 kg的小铁球重心的竖直距离为x；打开试管夹，由静止释放小铁球，小球经过正下方的固定在铁架台上的光电门时，光电门连接的传感器可以记录小铁球经过光电门的时间。 甲　　　　　　　　乙 (1)用螺旋测微器测得小铁球直径如图乙所示，其直径D＝________ mm。 (2)从与光电门连接的传感器上读出小铁球经过光电门的时间t＝2 ms，小铁球经过光电门时的速度v＝________ m/s，则小铁球经过光电门时的动能Ek＝______ J。(两空计算结果均保留两位有效数字) (3)某同学多次改变光电门的位置，测量出光电门到小铁球重心的竖直距离x，并计算出小铁球经过光电门时的速度v，通过描绘v2­x图像去验证机械能是否守恒。若实验中小铁球所受阻力不可忽略，且阻力大小保持不变，从理论上分析，合理的v2­x图像是下图中的________。 A　　　　B　　　　C　　　　　D [解析]　(1)如题图乙所示，螺旋测微器的固定刻度读数为8 mm，可动刻度读数为0.01×47.