高中物理高考一輪復(fù)習(xí)一輪復(fù)習(xí) 2023屆高考物理一輪復(fù)習(xí)導(dǎo)學(xué)案驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒知識(shí)點(diǎn)一基本實(shí)驗(yàn)要求一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定律．二、實(shí)驗(yàn)原理(如圖所示)通過實(shí)驗(yàn)，求出做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的重力勢(shì)能的減少量和對(duì)應(yīng)過程動(dòng)能的增加量，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，若二者相等，說明機(jī)械能守恒，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、交流電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、導(dǎo)線．四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)安裝器材：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源相連．(2)打紙帶用手豎直提起紙帶，使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器下方附近，先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，取下紙帶，換上新的紙帶重打幾條(3～5條)紙帶．(3)選紙帶：分兩種情況說明①若選第1點(diǎn)O到下落到某一點(diǎn)的過程，即用mgh＝eq\f(1,2)mv2來驗(yàn)證，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰，且第1、2兩點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶(電源頻率為50Hz)．②用eq\f(1,2)mveq\o\al(B2,)－eq\f(1,2)mveq\o\al(A2,)＝mgΔh驗(yàn)證時(shí)，由于重力勢(shì)能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)即可．五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論在誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體運(yùn)動(dòng)過程機(jī)械能守恒．知識(shí)點(diǎn)二規(guī)律方法總結(jié)1．誤差分析(1)測(cè)量誤差：減小測(cè)量誤差的方法，一是測(cè)下落距離時(shí)都從0點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)下落高度測(cè)量完，二是多測(cè)幾次取平均值．(2)系統(tǒng)誤差：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動(dòng)能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(,n2)必定稍小于重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝mghn，改進(jìn)辦法是調(diào)整安裝的器材，盡可能地減小阻力．2．注意事項(xiàng)(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直：安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直線上，以減少摩擦阻力．(2)重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料．(3)應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作，后松開紙帶讓重物下落．(4)測(cè)長(zhǎng)度，算速度：某時(shí)刻的瞬時(shí)速度的計(jì)算應(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt來計(jì)算．3．驗(yàn)證方案方案一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算代入mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(,n2)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(,n2)相等，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．方案二：任取兩點(diǎn)計(jì)算(1)任取兩點(diǎn)A、B，測(cè)出hAB，算出mghAB.(2)算出eq\f(1,2)mveq\o\al(B2,)－eq\f(1,2)mveq\o\al(A2,)的值．(3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，若mghAB＝eq\f(1,2)mveq\o\al(B2,)－eq\f(1,2)mveq\o\al(A2,)，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．方案三：圖象法從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測(cè)量從第一點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h，并計(jì)算各點(diǎn)速度的平方v2，然后以eq\f(1,2)v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖象．若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．

拓展點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)例1、(2023廣東省湛江市第二次模擬·難度系數(shù)★★★建議用時(shí)5分40秒)如圖所示，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，使重物帶動(dòng)紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．該裝置中的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接交流電源頻率是50Hz.(1)對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，下列操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是________．A．精確測(cè)量出重物的質(zhì)量B．兩限位孔在同一豎直線上C．重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘D．釋放重物前，重物離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器下端遠(yuǎn)些(2)按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長(zhǎng)，圖中有部分未畫出，如圖所示．紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)．①重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出，下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有________．A．OA、OB和OG的長(zhǎng)度B．OE、DE和EF的長(zhǎng)度C．BD、BF和EG的長(zhǎng)度D．AC、BF和EG的長(zhǎng)度②用刻度尺測(cè)得圖中AB的距離是cm，F(xiàn)G的距離是cm，則可得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣仁莀_______m/s2.(計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)【答案】(1)BC(2)①BD②【解析】(1)因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中比較的是mgh、eq\f(1,2)mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要測(cè)量重物的質(zhì)量，對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差沒有影響，故A錯(cuò)誤．為了減小紙帶與限位孔之間的摩擦，實(shí)驗(yàn)裝置中兩限位孔必須在同一豎直線上，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，故B正確．實(shí)驗(yàn)供選擇的重物應(yīng)該選相對(duì)質(zhì)量較大、體積較小的物體，這樣能減少摩擦阻力的影響，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，故C正確．釋放重物前，為更有效地利用紙帶，重物離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器下端近些，故D錯(cuò)誤．(2)①當(dāng)知道OA、OB和OG的長(zhǎng)度時(shí)，無法算出任何一點(diǎn)的速度，故A不符合題意；當(dāng)知道OE、DE和EF的長(zhǎng)度時(shí)，利用DE和EF的長(zhǎng)度可以求出E點(diǎn)的速度，從而求出O點(diǎn)到E點(diǎn)的動(dòng)能變化量，知道OE的長(zhǎng)度，可以求出O點(diǎn)到E點(diǎn)重力勢(shì)能的變化量，可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒，故B符合題意；當(dāng)知道BD、BF和EG的長(zhǎng)度時(shí)，由BD、BF的長(zhǎng)度可以求出E點(diǎn)的速度，但無法求出G點(diǎn)的速度，故無法求出E點(diǎn)到G點(diǎn)的動(dòng)能變化量，故C不符合題意；當(dāng)知道AC、BF和EG的長(zhǎng)度時(shí)，可以分別求出B點(diǎn)和F點(diǎn)的速度，從而求B到F點(diǎn)的動(dòng)能變化量，知道BF的長(zhǎng)度，可以求出B點(diǎn)到F點(diǎn)重力勢(shì)能的變化量，可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒，故D符合題意．②根據(jù)Δh＝gt2，解得g＝eq\f(FG－AB,5T2)＝eq\f－,5××10－2m/s2＝m/s2.例2、(2023山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)高三模擬·難度系數(shù)★★★建議用時(shí)5分35秒)某同學(xué)設(shè)計(jì)出如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置來“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”讓小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過程中經(jīng)過A點(diǎn)正下方的光電門B時(shí)，光電計(jì)時(shí)器記錄下小球通過光電門的時(shí)間t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。(1)為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，除了該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的如下器材：鐵架臺(tái)、夾子、鐵質(zhì)小球，光電門、數(shù)字式計(jì)時(shí)器、游標(biāo)卡尺(20分度)，請(qǐng)問還需要________(選填“天平”、“刻度尺”或“秒表”)；(2)用游標(biāo)卡尺測(cè)量鐵球的直徑。主尺示數(shù)(單位為cm)和游標(biāo)的位置如圖所示，則其直徑為________cm；(3)用游標(biāo)卡尺測(cè)出小球的直徑為d，調(diào)整AB之間距離h，記錄下小球通過光電門B的時(shí)間t，多次重復(fù)上述過程，作出隨h的變化圖線如圖乙所示。若已知該圖線的斜率為k，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的表達(dá)式為________。【答案】刻度尺【解析】(1)[1]．根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和題意可知，還需要用刻度尺測(cè)量A點(diǎn)到光電門的距離，故選刻度尺；(2)[2]．20分度的游標(biāo)卡尺，精確度是，游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為1cm，游標(biāo)尺上第3個(gè)刻度和主尺上某一刻度對(duì)齊，所以游標(biāo)讀數(shù)為，所以最終讀數(shù)為：.(3)[3]．根據(jù)機(jī)械能守恒的表達(dá)式有利用小球通過光電門的平均速度來代替瞬時(shí)速度有整理后有則該直線斜率為可得

拓展點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新例1、(2023安徽省合肥市高三第二次教學(xué)質(zhì)量檢測(cè)·難度系數(shù)★★★建議用時(shí)6分鐘)圖甲為某實(shí)驗(yàn)小組做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置，光電門A、B固定在氣墊導(dǎo)軌上，細(xì)線兩端分別與鉤碼和滑塊相連，重力加速度為g。(1)實(shí)驗(yàn)的主要操作如下：①按圖組裝好實(shí)驗(yàn)器材；②讓滑塊從氣墊導(dǎo)軌上光電門A的右側(cè)某位置由靜止釋放；③記錄遮光條通過光電門A、B所用的時(shí)間分別為t1、t2；④改變光電門B的位置，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。為完成該實(shí)驗(yàn)，還缺少的主要操作是_____；(2)實(shí)驗(yàn)中還需要測(cè)量的物理量有_____；①滑塊的長(zhǎng)度D；②遮光條的寬度d；③兩個(gè)光電門之間的距離L；④滑塊(含遮光條)的質(zhì)量M；⑤鉤碼的質(zhì)量m。(3)對(duì)于滑塊(含遮光條)和鉤碼組成的系統(tǒng)，重力勢(shì)能的減少量Ep=_______；動(dòng)能的增加量Ek=_____；(用上述所給的字母表示)(4)實(shí)驗(yàn)小組處理采集的多組數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)系Ep-Ek中描點(diǎn)作圖，如圖乙所示，若兩軸的標(biāo)度相同，造成該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因是_______?！敬鸢浮繉鈮|導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平②③④⑤mgL氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)水平且B端偏低【解析】(1)[1]．為完成該實(shí)驗(yàn)，還缺少的主要操作是將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平；(2)[2]．滑塊經(jīng)過兩個(gè)光電門時(shí)的速度分別為則要驗(yàn)證的關(guān)系為則要測(cè)量的物理量是：②遮光條的寬度d；③兩個(gè)光電門之間的距離L；④滑塊(含遮光條)的質(zhì)量M；⑤鉤碼的質(zhì)量m。(3)[3]．對(duì)于滑塊(含遮光條)和鉤碼組成的系統(tǒng)，重力勢(shì)能的減少量Ep=mgL；[4]．動(dòng)能的增加量Ek=；(4)[5]．根據(jù)Ep-Ek圖像，若Ep=Ek則直線傾角為45°，而現(xiàn)在圖中直線傾角為42°，可知Ep<Ek可知原因可能是滑塊的重力做正功造成的，即氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)水平且B端偏低。例2、(2023廣東省順德區(qū)高三第四次模擬·難度系數(shù)★★建議用時(shí)4分45秒)小明想要粗略驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。把小鋼球從豎直墻某位置由靜止釋放，用數(shù)碼相機(jī)的頻閃照相功能拍攝照片如圖所示。已知設(shè)置的頻閃頻率為f，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。(1)要驗(yàn)證小鋼球下落過程中機(jī)械能守恒，小明需要測(cè)量以下哪些物理量______(填選項(xiàng)前的字母)。A．墻磚的厚度dB．小球的直徑DC．小球的質(zhì)量m(2)照片中A位置______(“是”或“不是”)釋放小球的位置。(3)如果表達(dá)式___________(用題設(shè)條件中給出的物理量表示)在誤差允許的范圍內(nèi)成立，可驗(yàn)證小鋼球下落過程中機(jī)械能守恒?！敬鸢浮緼不是【解析】(1)[1]．此題為粗略驗(yàn)證機(jī)械能守恒，對(duì)于小球直徑?jīng)]有必要測(cè)量，表達(dá)式左右兩邊都有質(zhì)量，所以質(zhì)量沒有必要測(cè)量，只需要測(cè)量墻磚的厚度．(2)[2]．圖片上可以看出，，所以A點(diǎn)不是釋放小球的位置．(3)[3]．由勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律周期和頻率關(guān)系其中若機(jī)械能守恒，則a=g即滿足

拓展點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)拓展——探究彈簧的彈性勢(shì)能例1、(2023屆山西省太原市高三模擬·難度系數(shù)★★★建議用時(shí)4分鐘)為測(cè)量彈簧壓縮時(shí)具有的彈性勢(shì)能和滑塊B的質(zhì)量，某同學(xué)用如圖的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。氣墊導(dǎo)軌上有A、B兩個(gè)滑塊，A上固定一遮光片，左側(cè)與被壓縮且鎖定的彈簧接觸，右側(cè)帶有橡皮泥。已知A的質(zhì)量為m1，遮光片的寬度為d；打開電源，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌使滑塊A和B能靜止在導(dǎo)軌上。解鎖彈簧，滑塊A被彈出后向右運(yùn)動(dòng)，通過光電門1后與B相碰，碰后粘在一起通過光電門2。兩光電門顯示的遮光時(shí)