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1、实验六验证机械能守恒定律必备知识自主排查一、基本原理与操作原理装置图操作要领1.安装：打点计时器竖直安装；纸带沿竖直方向拉直2重物：选密度大、质量大的金属块，且靠近计时器处释放3打纸带：让重物自由下落，纸带上打下一系列小点4选纸带：点迹清晰，且所选用的点在同一条直线上5求速度：应用vnhn+1hn12T，不能用vn2ghn或vngt计算二、数据处理1数据处理(1)方案一：利用起始点和第n点计算：验证ghn12vn2.(2)方案二：任取较远两点A、B：验证ghAB12vB212vA2.(3)方案三：图象法，描绘出12v2 h图线2结论在实验误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒(1)打点计
2、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平面内以减少摩擦阻力(2)重物密度要大：重物应选用质量大、体积小的物体(3)一先一后：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(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vnhn+1hn12T，不能用vn2ghn或vngt来计算(5)误差分析：一是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值(6)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Ek12mvn2必定稍小于重力势能的减少量mghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力关键能力分层突破考点一教材原
3、型实验例1. 2021浙江6月，17(1)在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是_.已知交流电频率为50 Hz，重物质量为200 g，当地重力加速度g9.80 m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|Ep|_ J、C点的动能EkC_ J(计算结果均保留3位有效数字)比较EkC与|Ep|的大小，出现这一结果的原因可能是_(单选)A.工作电压偏高B存在空气阻力和摩擦力C接通电源前
4、释放了纸带跟进训练1.图1是某同学验证机械能守恒定律实验装置，提供的器材如下：铁架台、电磁打点计时器、学生电源、导线若干、纸带、重锤、铁夹当地的重力加速度g取9.8 m/s2.(1)该同学还应补充的实验器材是_(2)图2是该同学将打点计时器连接至电源的情景，连接正确的是_(选填“甲”或“乙”)(3)该同学实验中得到的一条纸带如图3所示，已知打点计时器无故障且打点正常，则由此判断该同学在实验中最有可能的错误操作是_.(4)该同学正确操作得到的一条纸带如图4所示，O点对应重锤做自由下落的初始位置，该同学从合适位置开始选取了三个连续的计数点A、B、C，OB距离已在图中标出该同学选择OB段来验证重锤的
5、机械能是否守恒，则他还需_A仅测量AC段的长度B仅测量AB段的长度C仅测量OC段的长度D仅测量OA段的长度(5)他又从几条纸带中选择了一条较为理想的纸带，用刻度尺测得各计数点到O点的距离(单位：mm)如图5所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点(所用电源的频率为50 Hz)若重锤的质量为0.05 kg，则重锤从开始下落到打B点时，减少的重力势能是_ J，从重锤下落到打B点时增加的动能是_ J，据此得到的结论是_.(g取9.8 m/s2，结果保留三位有效数字)2“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示(1)甲同学按照正确的实验步骤操作后，选出一
6、条纸带如图乙所示，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OA9.62 cm，OB15.89 cm，OC23.64 cm.已知打点计时器每0.02 s打一个点，重物的质量为m1.00 kg，取g9.80 m/s2.在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量Ep_ J，重物动能的增加量Ek_ J(结果保留3位有效数字)(2)乙同学利用该实验装置测定当地的重力加速度打点计时器打出一条纸带后，他利用纸带测出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，以h为横轴，以12v2为纵轴画出了如图丙所示的图线
7、图线明显偏离原点，若测量和计算都没有问题，其原因可能是_测出图线的斜率为k，如果阻力不可忽略，则当地的重力加速度g_(填“大于”“等于”或“小于”)k.考点二拓展创新实验例2. 2021河北卷，12某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g，其上可放钩码)、刻度尺当地重力加速度为9.80ms2.实验操作步骤如下：安装器材，调整两个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过
8、两个光电门的速度；保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量Ek及系统总机械能的减少量E，结果如下表所示M/kg0.2000.2500.3000.3500.400Ek/J0.5820.4900.3920.2940.195E/J0.3980.4900.6860.785回答下列问题：(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为_ J(保留3位有效数字)；(2)步骤中的表格所缺数据为_；(3)以M为横轴，E为纵轴，选择合适的标度，
9、在图2中绘出E M图象；若只考虑滑块与木板之间的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为_(保留2位有效数字)跟进训练3.20228省联考真题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Ep_，动能的增加量Ek_(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，
10、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42021山东卷，13某乒乓球爱好者，利用手机研究乒乓球与球台碰撞过程中能量损失的情况实验步骤如下：固定好手机，打开录音功能；从一定高度由静止释放乒乓球；手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，其随时间(单位：s)的变化图象如图所示根据声音图象记录的碰撞次序及相应碰撞时刻，如下表所示碰撞次序1234567碰撞时刻(s)1.121.582.002.402.783.143.47根据实验数据，回答下列问题：(1)利用碰撞时间间隔，计算出第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为_ m(保留2位有效数字，当地重力加
11、速度g9.80 m/s2)(2)设碰撞后弹起瞬间与该次碰撞前瞬间速度大小的比值为k，则每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的_倍(用k表示)，第3次碰撞过程中k_(保留2位有效数字)(3)由于存在空气阻力，第(1)问中计算的弹起高度_(填“高于”或“低于”)实际弹起高度实验六验证机械能守恒定律关键能力分层突破例1解析：要满足机械能守恒，重物下降过程中只能受重力作用，故为了减小实验误差，重物下降过程受的阻力相比重力越小越好，故应选密度大的重物；交流电频率为50 Hz，则相邻两点的时间间隔T0.02 s，由纸带可读出xOC27.90 cm0.279 0 m，则从O点到C点重物的重力势能变化量EpmgxO
12、C0.29.800.279 0 J0.547 J；从纸带可读出xOB23.30 cm，xOD33.00 cm，则vCxODxOB2T2.425 m/s，则在C点处重物动能为EkC12mvC2 0.588 J；因为重物经过C点的动能比OC段减小的重力势能大，故重物在O点时的速度不为零，故原因可能是接通电源前就释放了纸带，C正确；工作电压偏高不会改变打点的时间间隔，只要纸带上的点迹清晰，就不影响C点速度和xOC的测量，A错误；如果其它操作正确，由于存在空气阻力和摩擦力，则会使重物过C点的动能比OC段减小的重力势能小，B错误答案：阻力与重力之比更小(或其它合理解释)0.5420.5500.5700.
13、590C1解析：(1)求纸带的点与点之间的距离测量需要刻度尺；(2)打点计时器连接的电源是交流电，故乙正确；(3)由于纸带上的点少且距离比较大，所以可能的操作是先释放了纸带后接通了电源；(4)该同学选择OB段来验证重锤的机械能是否守恒，需要知道位移的同时还要需要知道末速度，所以根据匀变速直线运动的规律，需要测量AC的长度，然后计算出B点的速度即可，选项A正确；(5)重锤从开始下落到B点时，减小的重力势能Epmgh0.059.80.195 J9.56102 J；B点的瞬时速度vBxAC2T0.280 50.1250.08 m/s1.94 m/s，从重锤下落到打B点时增加的动能Ek12mvB212
14、0.051.942 J9.40102 J，在实验误差允许的范围内，重锤的机械能守恒答案：(1)刻度尺(2)乙(3)先释放纸带，后接通电源(4)A(5)9.561029.40102在实验误差允许的范围内，重锤的机械能守恒2解析：(1)在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量为EpmgOB，代入数据解得Ep1.56 J，B点的速度大小为vBOCOA4T，代入数据解得vB1.75 m/s，则重物动能的增加量为Ek12mvB2，代入数据解得Ek1.53 J.(2)从图丙中可以看出，当h0时，重物的速度不为0，说明操作中先释放重物，再接通打点计时器的电源若阻力不可忽略，假设平均阻力大小为f，打下第一个点
15、时重物的速度为v0，则由动能定理可得mghfh12mv212mv02 ，整理可得12v2(gfmh+12v02，故12v2h图线的斜率为kgfmg.答案：(1)1.561.53(2)先释放重物，再接通打点计时器的电源大于例2解析：(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量Ep4mgL40.05 kg9.80 m/s20.50 m0.980 J.(2)根据能量守恒定律得E3EpEk30.980 J0.392 J0.588 J.(3)根据表格中的数据描点、连线，得到EM图象如图所示由功能关系得EMgLgLM，可知kgL0.790.390.4000.200，解得0.40.答案：(1)0.980(2
16、)0.588(3)如图所示0.403解析：(1)小球第一次摆动至最低点的过程中，重心下降了h，则重力势能的减少量为Epmgh，小球第一次摆动至最低点的过程中，初速度为零，最低点速度为vm，由牛顿第二定律有Fmmgmvm2 L，而动能的增加量为Ek12mvm20，联立解得EkFmmgL2.(2)根据F t图象可知，小球做周期性的摆动，每次经过最低点时拉力最大，而最大拉力逐渐变小，说明经过最低点的最大速度逐渐变小，主要原因是空气阻力做负功，导致机械能有损失；(3)为了减小因空气阻力带来的误差，应选择密度大体积小的球进行实验答案：(1)mghFmmgL2(2)空气阻力做负功，机械能有损失(3)较大4
17、解析：(1)第3次碰撞到第4次碰撞用时t02.40 s2.00 s0.40 s，根据竖直上抛运动的对称性可知第3次碰撞后乒乓球弹起的高度为h012gt022129.80.22 m0.20 m(2)设碰撞后弹起瞬间的速度为v2，碰撞前瞬间的速度为v1，由题意知v2v1k，则每次碰撞损失的动能与碰撞前动能的比值为12mv1212mv22 12mv12 1v2v12 1k2，第3次碰撞前瞬间的速度为第2次碰后从最高点落地瞬间的速度，即vgt2.001.5829.8 m/s2.058 m/s，第3次碰撞后瞬间的速度为vgt2.402.0029.8 m/s1.96 m/s，则第3次碰撞过程中kvv0.95.(3)由于存在空气阻力，乒乓球在上升过程中受到向下的阻力和重力，根据能量的转化与守恒可知，弹起后的动能一部分转化为因空气阻力做功产生的热量，另一部分转化为乒乓球的重力势能，故乒乓球到达最高位置时，重力势能的理论值大于实际值，所以第(1)问中计算的弹起高度高于实际弹起的高度答案：(1)0.20(2)1k20.95(3)高于