2025高考物理总复习验证机械能守恒定律

第8讲实验验证机械能守恒定律高考总复习2025强基础固本增分研考点精准突破目录索引强基础固本增分1.实验原理通过实验,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。2.实验器材打点计时器、交变电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。3.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。4.数据处理(1)求瞬时速度由公式

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点计算注意:应选取最初第1、2两点间距离接近2mm的纸带(电源频率为50Hz)。方案二:任取两点计算①任取两点A、B,测出hAB,算出mghAB。方案三:图像法5.注意事项(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,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。(5)此实验中不需要测量重物的质量。√√√×研考点精准突破考点一教材原始实验考向一

实验原理与操作典题1

利用如图1所示装置做“验证机械能守恒定律”实验。已知打点计时器打点周期T=0.02s,重力加速度为g。图1(1)甲同学实验时进行了如下操作,其中正确的是

(选填选项前的字母)。

A.需使用天平测出重物的质量B.安装打点计时器时尽量使两个限位孔在同一竖直线上C.重复操作时尽量让重物从同一位置开始下落D.测量纸带上某点A到第一个点间的距离h,利用

计算A点的速度B(2)甲同学从打出的纸带中选出符合要求的一条纸带,如图2所示(其中一段纸带图中未画出)。图中O点为打出的起始点,且速度为零。选取在纸带上连续打出的点A、B、C、D、E、F作为计数点。测出C、D、E点距起始点O的距离分别为h1、h2、h3,由此可计算出打点计时器打下D点时重物下落的瞬时速度vD=

m/s(结果保留三位有效数字)。用m表示重物的质量,在误差允许的范围内,若满足表达式mgh2=

,则可认为重物下落过程中机械能守恒(用给出的已知物理量的符号表示)。

图21.92(3)乙同学想用图像法处理数据。他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,进而描绘出-h图像。请你帮他分析确定判断的依据:要想说明机械能是守恒的,则图线应该是一条过原点的直线,且斜率等于

。

当地的重力加速度g解析

(1)实验要验证的关系式中两边都有m,可消掉,则该实验不需要用天平测出重物的质量,选项A错误;安装打点计时器时尽量使两个限位孔在同一竖直线上,以减小打点计时器与纸带之间的摩擦力,选项B正确;重复操作时没必要让重物从同一位置开始下落,选项C错误;应该根据某点的瞬时速度等于某段时间的平均速度来计算某点的速度,若利用

计算A点的速度相当于间接使用了机械能守恒定律,这样就失去了验证的价值,选项D错误。考向二

数据处理与误差分析典题2

用如图甲所示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,对纸带上点迹间的距离进行测量,可验证机械能守恒定律。已知当地重力加速度为g。甲(1)为了减小实验误差,对体积和形状相同的重锤,实验时应选择的材质是

。

A.木质 B.钢质 C.泡沫 D.塑料(2)除图甲中所示的装置之外,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BD(3)如图乙所示,根据打出的纸带,选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E,通过测量并计算出点B距起始点O的距离为x0,B、C两点间的距离为x1,C、D两点间的距离为x2,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释放到打下C点时的重力势能减少量ΔEp=

,动能增加量ΔEk=

。

乙mg(x0+x1)(4)某同学利用图乙中纸带,先分别测量出从A点到B、C、D、E、F、G点的距离h(其中F、G点为E点后连续打出的点,图中未画出),再计算打出B、C、D、E、F各点时重锤下落的速度v,绘制v2-h图像,如图丙所示,并求得图线的斜率k。请说明如何根据图像验证重锤下落过程机械能是否守恒:

。

(5)在一次测量中,某同学发现ΔEk略大于ΔEp,出现这一结果的原因可能是

。

A.存在空气阻力和摩擦力B.接通电源前释放了纸带丙在实验误差允许范围内,若k近似等于2g,则认为这一过程机械能守恒

B解析

(1)验证机械能守恒定律,为了减小实验误差,重锤在下落过程中受空气阻力应远小于重力,所以对体积和形状相同的重锤,应选择密度大的材质。故选B。(2)该实验要用到打点计时器,而打点计时器使用的是交流电源,因此还需要交流电源,除此之外,还需要用刻度尺测量纸带上点迹之间的距离,因此还需要用到刻度尺,而该实验验证机械能守恒,根据机械能守恒定律有

,等式两边的质量会约去,因此不需要测量质量,即不需要天平。故选D。(5)存在空气阻力和摩擦力,动能的增加量一定略小于势能的减少量,故A不符合题意;接通电源前释放了纸带,重锤会因此获得一个初动能,从而导致最终的计算结果ΔEk略大于ΔEp,故B符合题意。考点二实验的改进与创新考向一

实验原理的改进典题3(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。拉甲乙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Tmax和最小值Tmin。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Tmax-Tmin图像是一条直线,如图乙所示。(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2位有效数字)

(3)该实验系统误差的主要来源是

(单选,填正确答案标号)。

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-2-2.10.59C解析

(1)设小球的质量为m,摆长为L,最大摆角为θ,小球到达最低点时的速度大小为v,小球下摆过程机械能守恒,由机械能守恒定律得mg(L-Lcos

θ)=mv2,小球到达最低点时细线拉力最大,设最大拉力为Fmax,由牛顿第二定律得Fmax-mg=,小球到达最高点时,拉力最小,设为Fmin,由于速度为零,所以有Fmin-mgcos

θ=0,联立以上几式可得Fmax=3mg-2Fmin。(3)此实验的系统误差主要由空气阻力引起,按照实验过程的基本要求,使摆动的角度大一些,或使小球的初始位置不同,正是使实验数据具有普遍性,故A、B错误,C正确。考向二

实验器材的创新

典题4(2022河北卷)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。图1(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

。

图2mgh5(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