2022年高三物理復(fù)習(xí) 第5章 實驗 驗證機械能守恒定律學(xué)案

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1、2022年高三物理復(fù)習(xí) 第5章 實驗 驗證機械能守恒定律學(xué)案 實驗?zāi)康? 利用自由落體運動驗證在只有重力作用情況下的物體機械能守恒． 實驗原理 1．在只有重力做功的自由落體運動中，物體的重力勢能和動能互相轉(zhuǎn)化，但總的________保持不變．若物體某時刻的瞬時速度為v，下落高度為h，則重力勢能的減少量為______，動能的增加量為____________，看它們在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等，若相等則驗證了機械能守恒定律． 2．計算打第n個點時速度的方法：測出第n個點與相鄰前后點間的距離xn和xn＋1，由公式vn＝________________或vn＝算出，如圖1所示． 圖1

2、 實驗器材 鐵架臺(含鐵夾)，打點計時器，__________，紙帶，復(fù)寫紙，導(dǎo)線，____________，重物(帶紙帶夾)． 實驗步驟 圖2 1．安裝、準(zhǔn)備：按如圖2裝置把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點計時器與學(xué)生電源連接好．把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過計時器限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭赺_______________． 2．打紙帶：先__________，后__________，讓重物帶著紙帶自由下落，這樣計時器就在紙帶上打下了一系列點，更換紙帶重復(fù)上述步驟做3～5次實驗． 3．選紙帶：分兩種情況來說明 (1)用mv2＝mgh來驗證時，應(yīng)選

3、點跡清晰，且1、2兩點間距離小于或接近2 mm的紙帶．若1、2兩點間的距離大于2 mm，這是由于先釋放紙帶，后接通電源造成的．這樣，第1個點就不是運動的起始點了，這樣的紙帶不能選． (2)用mv－mv＝mgΔh驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)狞c作為基準(zhǔn)點，這樣紙帶上打出的第1、2兩點間的距離是否為2 mm就無關(guān)緊要了，所以只要后面的點跡清晰就可選用． 數(shù)據(jù)處理 在起始點標(biāo)上0，在以后各點依次標(biāo)上1、2、3、……用刻度尺測出對應(yīng)下落高度h1、h2、h3、…… 利用公式vn＝計算出點1、點2、點3、……的瞬時速度v1、v2、v3、…… 用以下三種方法進(jìn)行驗證： 方

4、法一：利用起始點和第n點計算．代入ghn和v，如果在實驗誤差允許的條件下ghn＝v，則機械能守恒定律是正確的． 方法二：任取兩點計算． (1)任取兩點A、B測出hAB，算出ghAB. (2)算出v－v的值． (3)若在實驗誤差允許的條件下ghAB＝v－v，則機械能守恒定律是正確的． 方法三：圖象法．從紙帶上選取多個點，測量從第一個點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出v2－h(huán)圖線．若在實驗誤差允許的條件下，圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒． 注意事項 1．安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使兩限位孔在同一豎

5、直平面內(nèi)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，讓打點計時器正常工作后，再松開紙帶讓重物下落． 4．紙帶長度應(yīng)選用60 cm左右為宜，應(yīng)選用點跡清晰的紙帶進(jìn)行測量． 5．速度不能用vn＝gtn或vn＝計算，因為只要認(rèn)為加速度為g，機械能當(dāng)然守恒， 即相當(dāng)于用機械能守恒定律驗證機械能守恒定律，況且用vn＝gtn計算出的速度比實際值大，會得出機械能增加的結(jié)論，而實際上因為受摩擦阻力的影響，機械能應(yīng)減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計算．同樣的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接測量，而不能用hn＝gt或hn＝計算得到. 題型

6、一　實驗原理與步驟 【例1】 用如圖3所示 圖3 的實驗裝置驗證機械能守恒定律．實驗所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓為6 V的交流電和直流電兩種．重物從高處由靜止開始下落，重物拖著紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點痕進(jìn)行測量，即可驗證機械能守恒定律． (1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟： A．按照圖示的裝置安裝器件； B．將打點計時器接到電源的“直流輸出”上； C．用天平測量出重物的質(zhì)量； D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關(guān)打出一條紙帶； E．測量打出的紙帶上某些點間的距離； F．根據(jù)測量的結(jié)果計算重物下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能． 其中沒有必要進(jìn)行

7、的或者操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E是______．(將其選項對應(yīng)的字母填在橫線處) (2)利用這個裝置也可以測量重物下落的加速度a的數(shù)值．如圖4所示，根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)的五個點A、B、C、D、E，測出A點距起始點O的距離為x0，點A、C間的距離為x1，點C、E間的距離為x2，使用交流電的頻率為f，根據(jù)這些條件計算重物下落的加速度a＝__________________. 圖4 (3)在上述驗證機械能守恒定律的實驗中發(fā)現(xiàn)，重物減小的重力勢能總是大于重物增加的動能，其原因主要是重物下落的過程中存在阻力作用，可以通過該實驗裝置測定該阻力的大小．若已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣裙J(rèn)的較準(zhǔn)確的值是g，還需

8、要測量的物理量是：______________.試用這些物理量和上圖紙帶上的數(shù)據(jù)符號表示出重物在下落的過程中受到的平均阻力為F＝______________________________________________. [規(guī)范思維] 　 　 　 　 　 　 　 題型二　實驗數(shù)據(jù)的處理 【例2】 (xx·如皋統(tǒng)考)在用打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗中，質(zhì)量m＝1.00 kg的重物自由下落，打點計時器在紙帶上打出一系列點．如圖5所示為選取的一條符合實驗要求的紙帶，O為第一個點(速度恰好為零)，每兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出，選連續(xù)的3個計數(shù)

9、點A、B、C作為測量的點，經(jīng)測量知道A、B、C各點到O點的距離分別為50.50 cm、86.00 cm、130.50 cm.已知打點計時器每隔0.02 s打一次點，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2. 圖5 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可計算出打B點時的速度vB＝______ m/s；重物由O點運動到B點，重力勢能減少了________ J，動能增加了________ J．根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)，還可以求出物體實際下落的加速度為________ m/s2，物體在從A到B下落的過程中所受到的平均阻力為________ N(計算結(jié)果都要保留3位有效數(shù)字)，該阻力的來源主要有： (1)__________

10、______________________________________________________________ ________________________________________________________________________； (2)________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ __

11、______________________________________________________________________. 1．在做驗證機械能守恒定律實驗時，發(fā)現(xiàn)重物減少的勢能總是大于重物增加的動能，造成這種現(xiàn)象的原因是(　　) A．選用的重物質(zhì)量過大 B．重物質(zhì)量測量不準(zhǔn) C．空氣對重物的阻力和打點計時器對紙帶的阻力 D．實驗時操作不太仔細(xì)，實驗數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確 圖6 2．(xx·湖南理綜)圖6為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖．現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平．回答下列問題 (1)為完成此實驗，除了所給的器材

12、，還需要的器材有________．(填入正確選項前的字母) A．米尺 B．秒表 C．0～12 V的直流電源 D．0～12 V的交流電源 (2)實驗中誤差產(chǎn)生的原因有______________________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________________

13、_______________________ ________________________________________________________________________.(寫出兩個原因) 圖7 3．(xx·安徽理綜)利用圖7所示裝置進(jìn)行驗證機械能守恒定律的實驗時，需要測量物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度v和下落高度h.某班同學(xué)利用實驗得到的紙帶，設(shè)計了以下四種測量方案． a．用刻度尺測出物體下落的高度h，并測出下落時間t，通過v＝gt計算出瞬時速度v. b．用刻度尺測出物體下落的高度h，并通過v＝計算出瞬時速度． c．根據(jù)做勻變速直線運動時紙帶上

14、某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度，并通過計算得出高度h. d．用刻度尺測出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運動時紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度v. 以上方案中只有一種正確，正確的是________．(填入相應(yīng)的字母) 圖8 4．(xx·陜西西安地區(qū)聯(lián)考)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中： (1)某同學(xué)用圖8所示裝置進(jìn)行實驗，得到圖9所示的紙帶，測出點A、C間的距離為14.77 cm，點C、E間的距離為16.33 cm，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.8 m/s2，打點計時器所用交流電源的頻率為50 Hz，重錘的質(zhì)量為m

15、＝1.0 kg，則重錘在下落過程中受到的平均阻力大小Ff＝______________________________________________________________. 圖9 (2)某同學(xué)上交的實驗報告顯示重錘增加的動能略大于重錘減少的重力勢能，則出現(xiàn)這一問題的原因可能是________(填序號)． A．重錘的質(zhì)量測量錯誤 B．該同學(xué)自編了實驗數(shù)據(jù) C．交流電源的頻率不等于50 Hz D．重錘下落時受到的阻力過大 5．(全國Ⅰ高考·22)如圖10所示，兩個質(zhì)量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1>m2，現(xiàn)要利用此裝置驗證機械

16、能守恒定律． (1)若選定物塊A從靜止開始下落的過程進(jìn)行測量，則需要測量的物理量有________． 圖10 ①物塊的質(zhì)量m1、m2； ②物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間； ③物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間； ④繩子的長度． (2)為提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確程度，某小組同學(xué)對此實驗提出以下建議： ①繩的質(zhì)量要輕； ②在“輕質(zhì)繩”的前提下，繩子越長越好； ③盡量保證物塊只沿豎直方向運動，不要搖晃； ④兩個物塊的質(zhì)量之差要盡可能?。? 以上建議中確實對提高準(zhǔn)確程度有作用的是_______________________________ ___________

17、_____________________________________________________________. (3)寫出一條上面沒有提到的對提高實驗結(jié)果準(zhǔn)確程度有益的建議：______________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖11 6．某同學(xué)利用如圖11所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，弧形軌道

18、末端水平，離地面的高度為H，將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放，鋼球的落點距軌道末端的水平距離為x. (1)若軌道完全光滑，x2與h的理論關(guān)系應(yīng)滿足x2＝________(用H、h表示)． (2)該同學(xué)經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)，如下表所示： h(10－1m) 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 x2(10－1m2) 2.62 3.89 5.20 6.53 7.78 請在圖12給出的坐標(biāo)紙上作出x2－h(huán)關(guān)系圖． 圖12 (3)對比實驗結(jié)果與理論計算得到的x2－h(huán)關(guān)系圖線(圖中已畫出)，自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率________(

19、填“小于”或“大于”)理論值． 7．(xx·珠海模擬)在用打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗中，使質(zhì)量為m＝1.00 kg的重物自由下落，打點計時器在紙帶上打出一系列的點，選取一條符合實驗要求的紙帶如圖13所示．O為第一個點，A、B、C為從合適位置開始選取連續(xù)點中的三個點．已知打點計時器每隔0.02 s打一個點，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間＝9.80 m/s2，那么： 圖13 (1)根據(jù)圖上所得的數(shù)據(jù)，應(yīng)取圖中O點到________點來驗證機械能守恒定律； (2)從O點到(1)問中所取的點，重物重力勢能的減少量ΔEp＝________ J，動能增加量ΔEk＝________ J(結(jié)果取三位

20、有效數(shù)字)； (3)若測出紙帶上所有各點到O點之間的距離，根據(jù)紙帶算出各點的速度v及物體下落的高度h，則以為縱軸，以h為橫軸畫出的圖象是下圖中的________． 實驗學(xué)案25　驗證機械能守恒定律 【基礎(chǔ)自主落實】 實驗原理 1．機械能　mgh　mv2　2. 實驗器材 學(xué)生電源　毫米刻度尺 實驗步驟 1．打點計時器附近　2.接通電源　松開紙帶 【熱點題型精析】 例1 (1)BCD　(2)　(3)重物的質(zhì)量m m[g－]或m[g－] 解析　(1)因本實驗中是通過比較重物的重力勢能減小量mghn和動能mv增加量的大小來達(dá)到驗證的目的，對于同一個

21、研究對象(重物)來說，質(zhì)量是一定的，故只需比較ghn和v就能達(dá)到目的，選項C是沒必要的．選項B、D是錯誤的，應(yīng)將打點計時器接到電源的“交流輸出”上；釋放懸掛紙帶的夾子，先接通電源開關(guān)再釋放一條紙帶． (2)因Δx＝aT2，所以a＝＝. (3)由牛頓第二定律得平均阻力F＝mg－ma，所以應(yīng)測量重物的質(zhì)量m，代入加速度得F＝m[g－] 或由動能定理得：mg(x0＋x1)－F(x0＋x1)＝mv 又因為vC＝ 由以上兩式得F＝m[g－] [規(guī)范思維]　解答實驗題時，首先應(yīng)弄清實驗原理和誤差來源，然后針對具體題目進(jìn)行全面分析．只有從原理上著手，問題的解答才有依據(jù)，絕不能死記實驗步驟和注意

22、事項． 例2 4.00　8.43　8.00　9.00　0.800　(1)重物受到的空氣阻力　(2)紙帶與限位孔之間的摩擦力 解析　由于每兩個相鄰計數(shù)點之間還有4個點沒有畫出，所以每兩個相鄰計數(shù)點之間的時間間隔為0.1 s，同時可求得＝86.00 cm－50.50 cm＝35.50 cm＝0.355 0 m，＝130.50 cm－86.00 cm＝44.50 cm＝0.445 0 m 根據(jù)勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度可得 vB＝＝＝＝ m/s＝4.00 m/s 由O點運動到B點下落的距離為h＝86.00 cm＝0.86 m，重力勢能減少了EpB＝mgh＝1.

23、00×9.80×0.86 J≈8.43 J，根據(jù)求得的B點速度可得，重物由O點運動到B點動能增加了ΔEkOB＝mv＝×1.00×(4.00)2 J＝8.00 J 由Δx＝aT2可求得紙帶下落的加速度 a＝＝＝ m/s2＝9.00 m/s2 根據(jù)牛頓第二定律得mg－Ff＝ma 從A到B下落的過程中所受到的平均阻力為 Ff＝mg－ma＝1.00×9.80 N－1.00×9.00 N＝0.800 N 分析紙帶受到的力有：重力、重物受到的空氣阻力、紙帶與限位孔之間的摩擦力等力的作用，所以阻力的來源是以上除重力之外的力． 【課時效果檢測】 1．C 2．(1)AD　(2)紙帶與打點計時器

24、之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差；計算勢能變化時，選取初末兩點距離過近；交流電頻率不穩(wěn)定等． 3．d 4．(1)0.05 N　(2)BC 5．(1)①②或①③　(2)①③　(3)例如：“對同一高度進(jìn)行多次測量取平均值”；“選取受力后相對伸長量盡量小的繩”；“繩和滑輪盡量光滑”等等． 解析　(1)通過連結(jié)在一起的A、B兩物體驗證機械能守恒定律，即驗證系統(tǒng)的勢能變化與動能變化是否相等，A、B連接在一起，A下降的距離一定等于B上升的距離；A、B的速度大小總是相等的，故②、③只測其中的一個即可，不需要測量繩子的長度． (2)如果繩子質(zhì)量不能忽略，則A、B組成的系統(tǒng)勢能將有一部分轉(zhuǎn)化為繩子的動能，從而為驗證機械能守恒定律帶來誤差；若物塊搖擺，則兩物塊的速度有差別，為計算系統(tǒng)的動能帶來誤差；兩個物塊質(zhì)量差較大時，摩擦阻力對實驗測量所帶來的誤差影響就會越小，故無需減小兩物塊的質(zhì)量差． 6．(1)4Hh　(2)見解析圖　(3)小于 解析　(1)由機械能守恒mgh＝mv2① 由平拋運動規(guī)律x＝vt② H＝gt2③ 由①②③得x2＝4Hh. (2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點作圖可得出x2－h(huán)關(guān)系如下圖所示． (3)由圖中看出在相同h下，水平位移x值比理論值要小，由x＝vt＝v ，說明水平拋出的速率比理論值?。? 7．(1)B　(2)1.88　1.84　(3)A