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(新高考)高考物理一轮复习课件第5章实验七《验证机械能守恒定律》(含解析)
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这是一份(新高考)高考物理一轮复习课件第5章实验七《验证机械能守恒定律》(含解析)，共60页。PPT课件主要包含了ABD，拆除装置整理器材，将气垫导轨调节水平，②③④⑤，mgL，考点3实验创新，mgh，－mghB等内容，欢迎下载使用。
实验七 验证机械能守恒定律
主干梳理 对点激活
1．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，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。2．偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差。
1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力。2．重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从而减小实验误差。3．实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带。4．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60～80 cm之间。
1．物体下落过程中通过某一位置的速度可以用数字计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差。
2．整个实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差。3．为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止开始下落。
考点细研 悟法培优
考点1 实验原理与操作例1 某兴趣小组利用自由落体运动来验证机械能守恒定律。(1)在本实验中需要测量的物理量有________________________。A．重物的质量B．重力加速度C．重物下落的高度D．与重物下落高度所对应的瞬时速度大小
(2)下列器材中，实验必须用到的有________________________。A．打点计时器 B.重物C．天平 D.毫米刻度尺E．停表 F．小车(3)请完成以下实验操作步骤：A．准备实验器材；B．将打点计时器竖直固定在铁架台上；C．将重物连接在纸带上并穿过打点计时器；D．接通电源，释放纸带；
E．取下纸带，重复上述实验步骤多次；F．______________________________________________________。(4)如图所示是实验中打出的某条点迹清晰的纸带。已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，重物的质量为1.00 kg。重物运动到打B点的动能为____________ J，重物运动到打E点的动能为__________ J，上述过程中，重物重力势能减少了______ J。(均保留三位有效数字)
[变式1] (2020·安徽省合肥市高三第二次教学质量检测)图甲为某实验小组做“验证机械能守恒定律”的实验装置，光电门A、B固定在气垫导轨上，细线两端分别与钩码和滑块相连，重力加速度为g。
(1)实验的主要操作如下：①按图组装好实验器材；②让滑块从气垫导轨上光电门A的右侧某位置由静止释放；③记录遮光条通过光电门A、B所用的时间分别为t1、t2；④改变光电门B的位置，进行多次实验。为完成该实验，还缺少的主要操作是________________________。
(2)实验中还需要测量的物理量有________________________。①滑块的长度D；②遮光条的宽度d；③两个光电门之间的距离L；④滑块(含遮光条)的质量M；⑤钩码的质量m。(3)对于滑块(含遮光条)和钩码组成的系统，重力势能的减少量ΔEp＝ ____________；动能的增加量ΔEk＝__________________________。(用上述所给的字母表示)
(4)实验小组处理采集的多组数据并在坐标系ΔEpΔEk中描点作图，如图乙所示，若两轴的标度相同，造成该实验结果的原因可能是________________________________________________。
气垫导轨没有调水平且左端偏低
考点2 实验数据处理及误差分析例2 (2020·苏州市虎丘区新区一中高三一模)“验证机械能守恒定律”的实验装置如图1所示。
(1) 甲同学按照正确的实验步骤操作后，选出一条纸带如图2所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点。从纸带上A点开始每隔一个点取一个计数点，取得两个计数点B和C。该同学用刻度尺测得OA＝9.62 cm，OB＝15.89 cm，OC＝23.64 cm。已知打点计时器每0.02 s打一个点，重物的质量为1.00 kg，取g＝9.80 m/s2。在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝____________ J，重物动能的增加量ΔEk＝________________ J。(结果均保留三位有效数字)
先释放重物，再接通(打点计时器)电源
[变式2] (2020·江西省九江市二模)某活动小组利用图甲装置验证机械能守恒定律。钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB。用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度。测出两光电门间的距离为h，钢球直径为D，当地的重力加速度为g。
例3 (2020·河北省石家庄市高三教学质量检测模拟)小明同学利用如图所示的装置来验证机械能守恒定律。A为装有挡光片的钩码，总质量为M，挡光片的挡光宽度为b，轻绳一端与A相连，另一端跨过光滑轻质定滑轮与质量为m(m
(3)为减小上述Δv对结果的影响，小明同学想到了以下一些做法，其中可行的是________________________；A．减小挡光片上到光电门的距离hB．增大挡光片的挡光宽度bC．适当减小挡光片的挡光宽度b(4)若采用本装置测量当地的重力加速度g，则测量值______________真实值(选填“大于”“等于”或“小于”)。
[变式3] (2021·八省联考广东卷)为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图a装置。不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h。实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图b，其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：
(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量ΔEp＝ ____________________，动能的增加量ΔEk＝_______________________。(均用题中所给字母表示)(2)观察图b中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：________________________________________________________。(3)为减小实验误差，实验时应选用密度________________________(选填“较大”或“较小”)的小球。
空气阻力做负功，小球的机械能有损失
高考模拟 随堂集训
1．(2017·天津高考)如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是____________。A．重物选用质量和密度较大的金属锤B．两限位孔在同一竖直面内上下对正C．精确测量出重物的质量D．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有____________________。A．OA、AD和EG的长度B．OC、BC和CD的长度C．BD、CF和EG的长度D．AC、BD和EG的长度
2．(2016·北京高考)利用图1装置做“验证机械能守恒定律”实验。
(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)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是_______________。A．交流电源 B.刻度尺 C.天平(含砝码)
(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图2所示的一条纸带。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。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝ ____________________，动能变化量ΔEk＝________________________。
答案 见解析
1.50(1.49～1.51都算对)
(3)下表为该同学的实验结果：他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。
4．(2020·山西省运城市高三上期中调研)为验证物体自由落体过程中的机械能守恒，某同学利用DIS设计了一个实验，实验装置如图甲所示，有一直径为d、质量为m的金属小球通过电磁铁从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方固定于B处的光电门，测得A、B间的高度差为H，数字计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g，且小球直径d远小于H。则：
(4)实验发现小球动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，增加下落高度后，重力势能减少量与动能增加量的差值ΔEp－ΔEk将________________________(选填“增加”“减少”或“不变”)。(5)另一名同学利用如图丁所示的装置，验证小车与钩码组成的系统机械能守恒，该同学认为只要将摩擦力平衡掉就可以了，你认为该同学的想法正确吗？并说明理由：_________________________________________ _____________________________________。
不正确，因为有摩擦力做功，不满足机
械能守恒定律成立的条件
(1)若测得C、A间距离为x0，则弹簧被压缩至C点时具有的弹性势能Ep ＝________________________。(2)若测得A、B间距离为x1，小球的质量m，则小球与弹簧分离时的动 能Ek＝________________________。(3)在误差允许范围内，若满足Ep＝Ek，则可验证机械能守恒定律。由于实际上桌面____________________________________，导致存在系统误差，因此，Ep________________________Ek(填“大于”或“小于”)。
不是绝对光滑(或存在摩擦)
实验七 验证机械能守恒定律
主干梳理 对点激活
1．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，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。2．偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差。
1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力。2．重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从而减小实验误差。3．实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带。4．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60～80 cm之间。
1．物体下落过程中通过某一位置的速度可以用数字计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差。
2．整个实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差。3．为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止开始下落。
考点细研 悟法培优
考点1 实验原理与操作例1 某兴趣小组利用自由落体运动来验证机械能守恒定律。(1)在本实验中需要测量的物理量有________________________。A．重物的质量B．重力加速度C．重物下落的高度D．与重物下落高度所对应的瞬时速度大小
(2)下列器材中，实验必须用到的有________________________。A．打点计时器 B.重物C．天平 D.毫米刻度尺E．停表 F．小车(3)请完成以下实验操作步骤：A．准备实验器材；B．将打点计时器竖直固定在铁架台上；C．将重物连接在纸带上并穿过打点计时器；D．接通电源，释放纸带；
E．取下纸带，重复上述实验步骤多次；F．______________________________________________________。(4)如图所示是实验中打出的某条点迹清晰的纸带。已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，重物的质量为1.00 kg。重物运动到打B点的动能为____________ J，重物运动到打E点的动能为__________ J，上述过程中，重物重力势能减少了______ J。(均保留三位有效数字)
[变式1] (2020·安徽省合肥市高三第二次教学质量检测)图甲为某实验小组做“验证机械能守恒定律”的实验装置，光电门A、B固定在气垫导轨上，细线两端分别与钩码和滑块相连，重力加速度为g。
(1)实验的主要操作如下：①按图组装好实验器材；②让滑块从气垫导轨上光电门A的右侧某位置由静止释放；③记录遮光条通过光电门A、B所用的时间分别为t1、t2；④改变光电门B的位置，进行多次实验。为完成该实验，还缺少的主要操作是________________________。
(2)实验中还需要测量的物理量有________________________。①滑块的长度D；②遮光条的宽度d；③两个光电门之间的距离L；④滑块(含遮光条)的质量M；⑤钩码的质量m。(3)对于滑块(含遮光条)和钩码组成的系统，重力势能的减少量ΔEp＝ ____________；动能的增加量ΔEk＝__________________________。(用上述所给的字母表示)
(4)实验小组处理采集的多组数据并在坐标系ΔEpΔEk中描点作图，如图乙所示，若两轴的标度相同，造成该实验结果的原因可能是________________________________________________。
气垫导轨没有调水平且左端偏低
考点2 实验数据处理及误差分析例2 (2020·苏州市虎丘区新区一中高三一模)“验证机械能守恒定律”的实验装置如图1所示。
(1) 甲同学按照正确的实验步骤操作后，选出一条纸带如图2所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点。从纸带上A点开始每隔一个点取一个计数点，取得两个计数点B和C。该同学用刻度尺测得OA＝9.62 cm，OB＝15.89 cm，OC＝23.64 cm。已知打点计时器每0.02 s打一个点，重物的质量为1.00 kg，取g＝9.80 m/s2。在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝____________ J，重物动能的增加量ΔEk＝________________ J。(结果均保留三位有效数字)
先释放重物，再接通(打点计时器)电源
[变式2] (2020·江西省九江市二模)某活动小组利用图甲装置验证机械能守恒定律。钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB。用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度。测出两光电门间的距离为h，钢球直径为D，当地的重力加速度为g。
例3 (2020·河北省石家庄市高三教学质量检测模拟)小明同学利用如图所示的装置来验证机械能守恒定律。A为装有挡光片的钩码，总质量为M，挡光片的挡光宽度为b，轻绳一端与A相连，另一端跨过光滑轻质定滑轮与质量为m(m
(3)为减小上述Δv对结果的影响，小明同学想到了以下一些做法，其中可行的是________________________；A．减小挡光片上到光电门的距离hB．增大挡光片的挡光宽度bC．适当减小挡光片的挡光宽度b(4)若采用本装置测量当地的重力加速度g，则测量值______________真实值(选填“大于”“等于”或“小于”)。
[变式3] (2021·八省联考广东卷)为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图a装置。不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h。实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图b，其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：
(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量ΔEp＝ ____________________，动能的增加量ΔEk＝_______________________。(均用题中所给字母表示)(2)观察图b中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：________________________________________________________。(3)为减小实验误差，实验时应选用密度________________________(选填“较大”或“较小”)的小球。
空气阻力做负功，小球的机械能有损失
高考模拟 随堂集训
1．(2017·天津高考)如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是____________。A．重物选用质量和密度较大的金属锤B．两限位孔在同一竖直面内上下对正C．精确测量出重物的质量D．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有____________________。A．OA、AD和EG的长度B．OC、BC和CD的长度C．BD、CF和EG的长度D．AC、BD和EG的长度
2．(2016·北京高考)利用图1装置做“验证机械能守恒定律”实验。
(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)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是_______________。A．交流电源 B.刻度尺 C.天平(含砝码)
(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图2所示的一条纸带。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。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝ ____________________，动能变化量ΔEk＝________________________。
答案 见解析
1.50(1.49～1.51都算对)
(3)下表为该同学的实验结果：他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。
4．(2020·山西省运城市高三上期中调研)为验证物体自由落体过程中的机械能守恒，某同学利用DIS设计了一个实验，实验装置如图甲所示，有一直径为d、质量为m的金属小球通过电磁铁从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方固定于B处的光电门，测得A、B间的高度差为H，数字计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g，且小球直径d远小于H。则：
(4)实验发现小球动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，增加下落高度后，重力势能减少量与动能增加量的差值ΔEp－ΔEk将________________________(选填“增加”“减少”或“不变”)。(5)另一名同学利用如图丁所示的装置，验证小车与钩码组成的系统机械能守恒，该同学认为只要将摩擦力平衡掉就可以了，你认为该同学的想法正确吗？并说明理由：_________________________________________ _____________________________________。
不正确，因为有摩擦力做功，不满足机
械能守恒定律成立的条件
(1)若测得C、A间距离为x0，则弹簧被压缩至C点时具有的弹性势能Ep ＝________________________。(2)若测得A、B间距离为x1，小球的质量m，则小球与弹簧分离时的动 能Ek＝________________________。(3)在误差允许范围内，若满足Ep＝Ek，则可验证机械能守恒定律。由于实际上桌面____________________________________，导致存在系统误差，因此，Ep________________________Ek(填“大于”或“小于”)。
不是绝对光滑(或存在摩擦)
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