2025秋高考物理复习专题五机械能实验六验证机械能守恒定律课件（44页PPT）

(共44张PPT)
实验六　验证机械能守恒定律
1.实验原理
通过实验，求出做自由落体运动的物体的重力势能的减少量和此过程中动能的增加量，在实验误差允许的范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律，实验装置如图所示.
2.实验器材：打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、　　　　、铁架台（带铁夹）、导线.
3.实验步骤
（1）安装器材：将　　　　　　固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连.
（2）打点：用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先　　　　　　，再　　　　　　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，换上新的纸带重复操作，得到几条（3~5条）纸带.
刻度尺
打点计时器
接通电源
松开纸带
2 mm
例1　（2024年浙江卷）在“验证机械能守恒定律”的实验中：
（1）下列操作正确的是　　　　.
A　
（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.（保留三位有效数字）
3.34
（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，理由是　　　　.
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
变式1　某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图甲、乙所示的两种方案：甲方案用自由落体运动进行实验，乙方案用小车在斜面上下滑进行实验.
（1）你认为误差较小的方案是_____________________________.
（2）若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图丙所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02 s，请根据纸带计算出B点的速度大小为　　　　m/s.（结果保留3位有效数字）
甲方案　
1.37
（3）该小组内同学根据纸带算出了相应点的速度，作出v2-h图线如图丁所示，请根据图线计算出当地的重力加速度g=　　　m/s2.（结果保留2位有效数字）
9.8
命题二　实验拓展创新　［创新考查］
过程创新
（1）利用系统机械能守恒代替单个物体的机械能守恒
（2）利用光电门测算滑块的瞬时速度
原理创新 （1）利用钢球摆动来验证机械能守恒定律
（2）利用光电门测定摆球的瞬时速度
器材创新 （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
例2　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.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，记录小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.
-2
-2.1
0.59
（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
C
（3）该实验系统误差主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，C正确.
变式2　（2024年吉林适应性测试）某同学设计实验验证机械能守恒定律，装置如图甲所示.一质量为m、直径为d的小球固定于释放装置上，在小球正下方固定四个光电门，调节各光电门的中心，使其与小球的球心均在同一竖直线上.由静止释放小球，记录小球通过每个光电门的挡光时间，重力加速度为g.
（1）若测得某光电门的中心与释放点的竖直距离为h，小球通过此光电门的挡光时间为Δt，则小球从释放点下落至此光电门中心时的动能增加量ΔEk=　　　　，重力势能减小量ΔEp=　　　　（用题中字母表示）.
（2）根据实验数据，作出ΔEk ΔEp的图像，如图乙所示.若图中虚线的斜率k≈　　　　，则可验证机械能守恒定律.
mgh
1
（3）经过多次重复实验，发现小球经过第3个光电门时，ΔEk总是大于ΔEp，下列原因中可能的是　　　　.
A.第三个光电门的中心与释放点的竖直距离测量值偏大
B.第三个光电门的中心偏离小球下落时球心所在的竖直线
C.小球下落过程中受到空气阻力的作用
B
（3）第三个光电门的中心与释放点的竖直距离测量值偏大，则ΔEp的测量值偏大，使得ΔEk小于ΔEp，A错误；第三个光电门的中心偏离小球下落时球心所在的竖直线，使得挡光宽度小于小球的直径，则速度测量值偏大，ΔEk的测量值偏大，使得ΔEk大于ΔEp，B正确；小球下落过程中受到空气阻力的作用，使得减少的重力势能有一部分转化为内能，则ΔEk小于ΔEp，C错误.
变式3　（2024年清远模拟）用如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律.质量为M的A与质量为m的B用绕过定滑轮的细线连接，A上装有质量很小的遮光片，B上放有6个质量分别为m的槽码，此时A、B刚好保持平衡.竖直标尺下端固定有光电门，可测得遮光片通过的时间.记下遮光片在标尺上对准的位置O.
4.80
（3）写出一条提高实验结果准确程度的建议：　　　　　　　　　　　.
减小遮光片宽度
知识巩固练
1.某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律.实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为6 V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50 Hz.重锤从高处由静止开始下落，重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律.
（本栏目对应学生用书P386~387）
（1）他进行了下面几个操作步骤：
A.按照图示的装置安装器件；
B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上；
C.用天平测出重锤的质量；
D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；
E.测量纸带上某些点间的距离；
F.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步骤是　　　，操作不当的步骤是　　.（填字母）
C
B
（2）这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计数点.根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重锤的速度约为　　　m/s.（保留3位有效数字）
1.84
C
2.甲、乙都是使用电磁打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置图.
甲
0.90
（在0.90~0.92范围）
（3）若当地重力加速度g取9.80 m/s2，比较重物在A、D间的势能变化ΔEp和动能变化ΔEk的大小关系为ΔEk　　　ΔEp（填“>”“=”或“<”），分析造成的原因是___________________________________________________.　
>
实验时先释放纸带后接通电源，即A点的速度不等于零
综合提升练
3.登上月球的航天员利用频闪仪（频率为每秒20次）给自由落体的小球拍摄的频闪照片如图所示（图上所标数据为小球到达各位置时下落的高度），则：
（1）月球表面重力加速度为　　　　m/s2.（保留2位有效数字）
1.6
（2）月球表面没有空气，因此做能量守恒实验具有更好的条件.假设月球表面重力加速度为上述计算值，小球的质量为m，则小球从O点由静止开始下落到E处增加的动能的表达式为　　　　　 　（距离用OA、AB、BC等字母表示，频闪时间间隔为T）.从O点开始下落到E点的过程中减少的势能表达式为　　　　　　　　（月球表面重力加速度用g月表示），由照片上的数据可以计算并判断出小球下落过程中机械能　　　　（填“守恒”或“不守恒”）.
ΔEp=mg月OE
守恒
4.（2024年佛山第一中学模拟）如图所示的实验装置可以用来验证机械能守恒定律，弹簧上端连接一个力传感器，力传感器固定在铁架台横梁上，弹簧下端连接一枚钢球.钢球上固定一个挡光片，钢球和挡光片总质量为m.调整两个光电门的位置，使得钢球由静止释放后能够通过光电门A和光电门B.测出光电门A、B与弹簧自然状态时最下端距离分别为Δx1、Δx2，重力加速度为g.
（1）用螺旋测微器测量光电门挡光片厚
度如图所示，则光电门挡光片厚度d=　　　 　 mm.
2.040或2.041　
（2）实验过程中测得挡光片经过光电门A、B时力传感器的读数分别为F1、F2，挡光片经过光电门A、B时的挡光时间分别为Δt1、Δt2，若Δt2<Δt1，则表明小球从A到B过程动能　　　　　（填“增加”或“减少”）.
（3）小球从光电门A运动到光电门B的过程中，由于弹簧弹力与伸长量成正比，可用平均力计算克服弹力所做的功W=　　　　　　　　　　　；然后根据实验数据得出小球机械能减少量ΔE，比较W和ΔE，若两者在误差范围内近似相等，则小球和弹簧组成的系统机械能守恒.
增加