2026届高考物理一轮复习课件：第五章实验7验证机械能守恒定律

第五章 实验7　验证机械能守恒定律 一、误差分析 1.减小测量误差：一是测下落距离时都从0点(初始点)量起，依次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值。 2.误差来源：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量必定稍小于重力势能的减少量，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。 二、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平面内，以减少摩擦阻力。 2.应选用质量大、体积小、密度大的重物。 3.应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落。 4.测重物下落的高度h应用刻度尺直接测量，计算某时刻的瞬时速度时应用vn=，不能用或来计算。 考点一：教材原型实验 典例1.(2024北京东城区一模)用如图的实验装置验证机械能守恒定律。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。已知当地重力加速度为g。 (1)除图中的装置之外，还必须使用的器材是　　　　。  A.直流电源、天平(含砝码) B.直流电源、刻度尺 C.交流电源、天平(含砝码) D.交流电源、刻度尺 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤: A.按照图示安装好实验器材并连接好电源 B.先打开夹子释放纸带，再接通电源开关打出一条纸带 C.测量纸带上某些点间的距离 D.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能 其中没有必要进行的或者操作不当的步骤是　　　(选填步骤前的字母)。  (3)如图，根据打出的纸带，选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E，通过测量并计算出点A距起始点O的距离为s0，点A、C间的距离为s1，点C、E间的距离为s2，若相邻两点的打点时间间隔为T，重锤质量为m，根据这些条件计算重锤从静止释放到下落OC距离时的重力势能减少量ΔEp=　　　，动能增加量ΔEk=　　　　；在实际计算中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是　　　　　　　　。  (1)D　(2)B　(3)mg(s0+s1)　　重锤下落过程中受到阻力作用 典例2.某同学用如图甲装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50 Hz，得到如图乙的纸带。选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0=19.00 cm，点A、C间的距离s1=8.36 cm，点C、E间的距离为s2=9.88 cm，g取9.8 m/s2，测得重物的质量为m=2 kg。 甲 (1)下列做法正确的有　　　　(填选项前字母)。  A.两限位孔必须在同一竖直线上 B.实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直 C.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源 D.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 (2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是　　　　 J,打下C点时重物的动能是　　　　 J。(结果均保留三位有效数字)  (3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以 为纵坐标、以s为横坐标画出的图像应是下面的　　　　。  (1)AB　(2)5.36　5.20　(3)C 考点二：实验的改进与创新 实验原理的创新 1.利用钢球摆动来验证机械能守恒定律。 2.利用光电门测量摆球的瞬时速度 实验器材的创新   1.小球在重力作用下做竖直上抛运动。 2.利用频闪照片获取实验数据 实验过程的创新   1.用光电门测量小球下落到B点的速度。 2.结合图像判断小球下落过程中机械能守恒。 3.分析实验误差，随H 变化的规律 典例3.某同学设计出如图甲所示的实验装置来“验证机械能守恒定律”，让小球从A点自由下落，下落过程中经过A点正下方B处的光电门时，数字计时器记录下小球通过光电门的时间t，当地的重力加速度为g。 (1)为了验证机械能守恒定律，该实验还需要 测量的物理量是　　　　　(填选项前字母)。  A.小球的质量m B.AB之间的距离H C.小球从A到B的下落时间tAB D.小球的直径d (2)小球通过光电门时的瞬时速度v=　　　(用题中所给的物理量表示)。  (3)调整AB之间距离H，多次重复上述过程，作出随H的变化图像如图乙所示，当小球下落过程中机械能守恒时，该直线斜率　　　　　。  (4)在实验中根据数据实际绘出图像的直线斜率为k)，则实验过程中所受的平均阻力F阻与小球重力的比值=　　　 　　(用k、k0表示)。  典例4.为了消除空气阻力对实验结果的影响，某实验小组用如图甲所示实验装置做验证机械能守恒定律实验。牛顿管竖直固定在铁架台上，光电门固定在牛顿管的外侧，紧贴牛顿管外侧再固定刻度尺(0刻度线与管口齐平，图中未画出)，启动抽气泵，将牛顿管内的空气抽出，已知橡胶球的质量为m，当地重力加速度为g。 (1)先用游标卡尺测量橡胶球直径d，如图乙所示，则橡胶球直径d=　　　　 mm。  (2)从刻度尺上读取橡胶球球心和光电门中心对应的刻度值l1、l2，将橡胶球由静止释放，记录橡胶球第一次通过光电门的挡光时间Δt1。 (3)要验证橡胶球下落过程中机械能是否守恒，只需比较　　　　与 　　　　是否相等即可。(用上面测得的数据的符号表示)  (4)该小组要利用该装置进一步探究橡胶球与管底第一次碰撞前后橡胶球的机械能损失情况，他们记录了橡胶球第二次通过光电门的挡光时间Δt2，则碰撞过程中橡胶球损失的机械能为　　　　　　　　　。  1.如图甲所示，学生将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置做“验证机械能守恒定律”实验(已知当地的重力加速度为g)。 甲 乙 丙 (1)实验室提供的器材有打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、铁架台和带夹子的重物，此外还需要的器材是　　　　和　　　　。  A.天平及砝码 B.毫米刻度尺 C.直流电源 D.交流电源 (2)实验中得到如图乙所示的一条纸带(部分)。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hA、hB、hC，已知打点计时器打点的周期为T，打出B点时，重物的瞬时速度大小vB=　　　　，设重物的质量为m，从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少量ΔEp=　　　　，动能增加量ΔEk=　　　　。  (3)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，其原因可能是　　　　　　　　。为了减小实验误差，在两个体积相同、质量不同的重物中应选择质量　　　　(选填 “较大” 或 “较小” )的进行实验。  (4)该同学在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，得到如图丙所示的图像，由图像可求得当地的重力加速度g=　　　 m/s2(保留两位小数)。  答案 (1) B　D (2)　mghB　 2.(2024辽宁沈阳第二十中学模拟)在“利用自由落体运动验证机械能守恒定律”实验中: (1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下 落过程中任意两点间的　　　　。  A.动能变化量与势能变化量 B.速度变化量和势能变化量 C.速度变化量和高度变化量 (2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、刻度尺、电磁打点计时器、导线及开关外,在下列器材中，还必须使用的器材是　　　　。  A.交流电源 B.天平(含砝码) (3)某同学选用一质量为m=0.4 kg的重物，按照正确的操作选得纸带如图乙所示，其中O是起始点，量得连续五个计时点A、B、C、D、E到O点的距离，打点频率为50 Hz，已知当地重力加速度为g=9.8 m/s2，则打下C点时重物的速度大小是　　　 m/s，O点到C点的这段时间内重物重力势能的减少量为　　　 J。(结果均保留两位有效数字)  (4)该同学用两个质量分别为m1、m2的重物P和Q分别进行实验，多次记录下落高度h和相应的速度大小v，作出的v2-h图像如图丙所示。对此图像分析正确的是　　　　。  A.阻力可能为零 B.阻力不可能为零 C.m1可能等于m2 D.m1小于m2 答案 (1)A　(2)A　(3)2.0　0.86　(4)BC 3.某研究性学习小组用图甲装置测定当地重力加速度，其主要操作步骤如下: 甲 乙 丙 ①将电磁铁(小铁球)、光电门调节在同一竖直线上; ②切断电磁铁电源,小铁球由静止下落，数字计时器记录小铁球通过光电门的时间t，并用刻度尺测量出小铁球下落前和光电门间的距离h; ③改变光电门的位置，重复②的操作，测出多组h和t; ④计算出小铁球每次通过光电门的速度v,作出v2-h图像。 请结合以上操作，回答以下问题: (1)用游标卡尺测小球的直径，如图乙所示，则d=　　　　 mm。  (2)根据数据作出图像如图丙，求出当地重力加速度g=　　 m/s2。  (3)该实验装置　　　　(选填“能” 或 “不能” )验证机械能守恒定律。  答案 (1)10.0　(2)9.7　(3)能 4.(2022湖北卷)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值FTmax和最小值FTmin。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的图像是一条直线，如图乙所示。 甲 乙 (1)若小钢球摆动过程中机械能守恒,则图乙中直线斜率的理论值为　　　。  (2)由图乙得:直线的斜率为　　　　,小钢球的重力为　　　　 N。(结果均保留两位有效数字)  (3)该实验系统误差的主要来源是　　　。  A.小钢球摆动角度偏大 B.小钢球初始释放位置不同 C.小钢球摆动过程中有空气阻力 答案 (1)-2　(2)-2.1　0.59　(3)C 答案 (1)BD　(2)　(3)(4) 答案 (1)6.60　(3)　g(l2-l1) 　(4) $$