第6章 第4讲 实验7：验证机械能守恒定律(课件PPT) -【赢在微点·顶层设计】2027年高中物理高考一轮总复习

第4讲 第六章 机械能守恒定律 实验7：验证机械能守恒定律 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 目 标 要 求 1.掌握用自由落体法验证机械能守恒定律的实验原理、操作、数据处理、误差分析等。2.会分析拓展、创新类实 验。 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 考点1　实验基本技能 考点2　实验的迁移、拓展和创新 内容 索引 温馨提示:点击标题链接相关内容 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 实验基本技能 赢在微点 物理 大一轮 考点1 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 5 1.实验原理。 通过实验，求出做自由落体运动物体重力势能_________和对应过程动能________，在实验误差允许范围内二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。 减少量 增加量 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 2.实验器材。 打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、夹子、重物、铁架台(带铁夹)、__________、导线等。 3.实验步骤。 (1)安装器材：将检查、调整好的打点计时器按如图所示的装置图竖直固定在铁架台上，接好电路。 刻度尺 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地 方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3~5次实验。 (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.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、… 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)验证守恒。 方法一：利用起始点和第n个点计算。将实验数据代入ghn和，如果在实验误差允许的范围内，ghn=，则验证了机械能守恒定律。 方法二：任取两点A、B，测出hAB，算出ghAB和-的值，如果在实验误差允许的范围内，ghAB=-，则验证了机械能守恒定律。 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 方法三(图像法)：从纸带上选取多个点，测量从第一个点与其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出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。 5.误差分析。 (1)偶然误差：长度测量是主要的偶然误差，减小的方法是测下落距离时都从O点开始测量，并多次测量取平均值。 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)系统误差：重物和纸带下落过程中都要克服空气阻力做功，动能的增加量稍小于重力势能的减少量，减小误差的方法是尽可能减小阻力的影响，如用电火花计时器。 6.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线上，以减小摩擦阻力。 (2)重物应选用质量大、体积小、密度大的。 (3)应先接通电源，后松开纸带让重物下落。 (4)速度不能用vn=gt和vn=计算。 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 【典例1】　(2024·浙江卷)在“验证机械能守恒定律”的实验中。 (1)下列操作正确的是_____。  B 应手提纸带上端使纸带竖直，同时使重物靠近打点计时器，由静止释放，B项正确。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图所示，已知打点的频率为50 Hz，则打点“13”时，重锤下落的速度大小为________m/s(保留3位有效数字)。  3.34 根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程平均速度可得打点“13”时，重锤下落的速度大小v13= m/s=3.34 m/s。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (3)某同学用纸带的数据求出重力加速度g=9.77 m/s2，并用此g值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力势能减小值为5.09m，另计算得动能增加值为5.08m(m为重锤质量)则该结果_______(填“能”或“不能”)验证机械能守恒定律，理由是______(填选项字母)。  A.在误差允许范围内 B.没有用当地的重力加速度g 不能 B 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 该同学求出的g=9.77 m/s2是重锤受到空气阻力时做匀加速运动的加速度，不是当地的重力加速度，5.09m也不是重力势能的减少 量。没有当地的重力加速度的数值，无法求出重力势能的减少 量，所以不能验证机械能守恒定律，B项正确。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 【典例2】　某同学用落体法验证机械能守恒定律，装置如图甲所 示。 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (1)实验装置中一处明显的错误是____________________________。  打点计时器错接在直流电源上 打点计时器使用交流电源，由题图可知，实验装置中一处明显的错误是打点计时器错接在直流电源上。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)正确接好实验装置进行实验，实验打出的一条纸带如图乙所示，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xA、xB、xC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T，重物的质量为m，从打下O点到打下B点的过程，重物的重 力势能减少量ΔEp=_______，动能增加量ΔEk= 。(均用已知物理量符号表示) mgxB 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 由于纸带是从起点开始测量，因此从打下O点到打下B点的运动过程，重物的重力势能减少量为ΔEp=mgxB，根据匀变速直线运动某段时间的平均速度等于中间时刻瞬时速度可得vB=，因此从打下O点到打下B点的运动过程，重物的动能增加量为ΔEk=m=。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (3)该同学通过测量出该纸带上各计数点到起始点O的距离h，算出各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以为纵轴作出了如图丙所示的图像，图线的斜率等于______________。由于图线没有过原点，他又检查了几遍，发现测量和计算都没有出现问题，其原因可能是 ______________________________________________________________________________________________。 重力加速度g 先释放重物，后接通打点计时器，致使计时器打点时，重物已经具有了一定的速度 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 根据机械能守恒定律可得mv2=mgh，化简得v2=gh，图线的斜率等于重力加速度g；图线未过原点O的原因可能是先释放重物，后接通打点计时器，导致计时器打点时，重物已经具有了一定的速度，即h等于0时，v不等于0。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 实验的迁移、拓展和创新 赢在微点 物理 大一轮 考点2 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 22 考向1 实验装置改变 【典例3】　小明利用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，所用器材包括：安装phyphox APP的智能手机、铁球、刻度尺、钢尺 等。 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (1)下列实验操作步骤，正确顺序是_____________。 ①将质量为m的铁球放在钢尺末端 ②迅速敲击钢尺侧面，铁球自由下落 ③传感器记录下声音振幅随时间变化曲线 ④将钢尺伸出水平桌面少许，用刻度尺测出钢尺上表面与地板间的高度差h ⑤将手机位于桌面上方，运行手机中的声音“振幅”(声音传感器)项目 ④①⑤②③ 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 首先应将钢尺伸出水平桌面，用刻度尺测出钢尺上表面与地板间的高度差，然后将铁球放在钢尺末端，手机开始运行手机中的声音“振幅”(声音传感器)项目，再迅速敲击钢尺侧面，使铁球自由下落，此时传感器即可记录下声音振幅随时间变化曲线，故操作步骤顺序为④①⑤②③。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)声音振幅随时间变化曲线如图乙所示，第一、第二个尖峰的横坐标分别对应铁球开始下落和落地时刻，对应的时间间隔t=______s。  由题图乙可知，时间间隔为0.40 s。 解析 0.40 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (3)若铁球下落过程中机械能守恒，则应满足等式：mgh=__________ (用m、h、t表示)。  铁球下落时间为t，设落地时速度为v，有h=·t，解得v=，由机械能守恒应有mgh=m。 解析 m 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (4)若敲击钢尺侧面时铁球获得一个较小的水平速度，对实验测量结果_______(填“有”或“没有”)影响。  若敲击钢尺侧面时铁球获得一个较小的水平速度，不会影响小球的落地时间，故对实验测量结果没有影响。 解析 没有 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 考向2 实验方案创新 【典例4】　某同学利用如图所示的装置验证机械能守恒定律，已知当地重力加速度为g。主要实验步骤如下： ①用游标卡尺测量挡光片的宽度d，用量角器测出气垫导轨的倾角θ； ②测量挡光片到光电门的距离L； ③由静止释放滑块，记录数字计时器显示挡光片的挡光时间t； ④改变L，测出不同L所对应的挡光时间t； ⑤用天平测出滑块和挡光片的总质量m； 根据上述实验步骤请回答： 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (1)滑块通过光电门时速度的表达式v=______(用实验中所测物理量符号表示)。  滑块通过光电门时速度的表达式为v=。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (2)滑块下滑至光电门的过程中，动能的增加量为ΔEk=__________；重力势能的减小量为ΔEp=__________。  滑块在通过光电门时的动能为Ek=mv2=m，所以动能的增加量为ΔEk=Ek-0=m。滑块下落的高度为h=Lsin θ，重力做功为WG=mgh=mgLsin θ，由重力做功和重力势能的关系可知ΔEp减=mgh =mgLsin θ。 解析 m mgLsin θ 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (3)根据实验测得的多组L、t数据，可绘制-L图像，图像的纵坐标为，横坐标为L，如果滑块下滑过程符合机械能守恒定律，则图像应 为过原点的一条倾斜直线，其斜率为___________(用d、θ、g表示)。  该过程由动能定理有mgLsin θ=m，整理有=L，结合题意以及表达式可知，其图像的斜率为k=。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 考向3 实验目的改变 【典例5】　(2022·广东卷)某实验小组为测量小球从某一高度释 放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图甲所示的装置，实验过程如下： 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (1)让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。 (2)用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图乙所示，小球直径d= _________________mm。  7.884(7.883也可) 小球的直径d=7.5 mm+38.4×0.01 mm=7.884 mm，考虑到偶然误 差，读成7.883 mm也可以。 解析 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (3)测量时，应_____(填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。  在测量时，因小球下落时间很短，如果先释放小球，有可能会出现时间记录不完整，所以应先接通数字计时器，再释放小球，故选B。 解析 B 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (4)计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为m，可得小球与橡 胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE=_________________(用字母m、d、t1和t2表示)。  依题意，小球向下、向上先后通过光电门时的速度分别为v1、v2，则有v1=，v2=，则小球与橡胶材料碰撞过程中机械能的损失量为ΔE=m-m=m-m。 解析 m-m 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 (5)若适当调高光电门的高度，将会________(填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差。  若调高光电门的高度，较调整之前小球会经历较大的空中距离，所以将会增大因空气阻力引起的测量误差。 解析 增大 高考复习顶层设计 物理 第 ‹#› 页 微在字里 赢在行间 内容索引 把握高考微点，实现素能提升 完成——微练22 本部分内容讲解结束 $$