2019-2020年高考物理總復習 第五單元 功和能 第6節(jié) 實驗七 驗證機械能守恒定律學案 新課標（北京專版）.doc

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2019-2020年高考物理總復習 第五單元 功和能 第6節(jié) 實驗七 驗證機械能守恒定律學案 新課標（北京專版） 驗證機械能守恒定律。 鐵架臺(含鐵夾)，打點計時器，學生電源，紙帶，復寫紙，導線，毫米刻度尺，重物(帶紙帶夾)。 1．儀器安裝 按圖實－7－2所示將檢查、調(diào)整好的 打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接 好電路。 圖實－7－2 2．打紙帶 將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復做3～5次實驗。 (1)實驗控制條件，即應滿足機械能守恒的條件，這就要求 盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有： ①安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴格豎 直，以減小摩擦阻力。 ②應選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的 影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力 減小。 1．偶然誤差 偶然誤差的來源主要來源于測量，減小測量誤差的辦法，一是測下落距離時都從0點量起，一次將各打點對應下落高度測量完，二是多測幾次取平均值。 圖實－7－5 圖實－7－5 [例1]　利用如圖實－7－6所示裝置進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。某班同學利用實驗得到的紙帶，設計了以下四種測量方案： 圖實－7－6 [答案]　d [例2]　用如圖實－7－7所示的裝置驗證 機械能守恒定律，質(zhì)量m kg的重物拖著紙 帶由靜止開始下落，打點計時器在紙帶上 打出一系列點，在紙帶上選取三個相鄰計 數(shù)點A、B、C，相鄰計數(shù)點時間間隔為0.1 0 s，O是重物剛開始下落時打下的第一個 點，計數(shù)點間的距離如圖實－7－8所示。 圖實－7－7 (g取9.8 m/s2，結果保留兩位有效數(shù)字) 圖實－7－8 (1)在紙帶上打下計數(shù)點B時的速度v＝________ m/s； (2)在打點O到B的過程中，重物動能的增加量ΔEk＝________ m J，重物重力勢能的減少量ΔEp＝_______ m J； (3)實驗中誤差產(chǎn)生的原因有________。(寫出兩個原因即可) 重物重力勢能的減少量： ΔEp＝mghOB＝5.3m J。 (3)空氣阻力；紙帶受到打點計時器的阻力作用；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差(任選其二)。 [答案]　(1)3.2　(2)5.1　5.3　(3)見解析 [例3]　(xx海南高考)現(xiàn)要通過實驗驗 證機械能守恒定律。實驗裝置如圖實－ 7－9所示：水平桌面上固定一傾斜的氣 墊導軌；導軌上A點處有一帶長方形遮 光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過輕 質(zhì)光滑定滑輪的細繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連； 圖實－7－9 遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上B點有一光電門，可以測量遮光片經(jīng)過光電門時 的擋光時間t。用d表示A點到導軌底端C點的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A、B兩點間的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點時的瞬時速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作圖： 圖實－7－10 (2)第1和第5個數(shù)據(jù)點及所作直線如圖所示。 直線的斜率約為k＝2.36104m－1s－2。 [每課一測] 1．下列關于“驗證機械能守恒定律”實驗的實驗誤差的說法中，正確的是(　　) A．重物質(zhì)量的稱量不準會造成較大誤差 B．重物質(zhì)量選用得大些，有利于減小誤差 C．重物質(zhì)量選用得較小些，有利于減小誤差 D．紙帶下落和打點不同步不會影響實驗 解析：驗證機械能守恒，即驗證減少的重力勢能是否等于增加的動能即mgh＝mv2，其中質(zhì)量可以約去，沒必要測量重物質(zhì)量，A不正確。當重物質(zhì)量大一些時，空氣阻力可以忽略，B正確，C錯誤。紙帶先下落而后打點，此時，紙帶上最初兩點的點跡間隔較正常時略大，用此紙帶進行數(shù)據(jù)處理，其結果是重物在打第一個點時就有了初動能，因此重物動能的增加量比重物重力勢能的減少量大，D錯誤。 答案：B 2．有4條用打點計時器(所用交流電頻率為50 Hz)打出的紙帶A、B、C、D，其中一條是做“驗證機械能守恒定律”實驗時打出的。為找出該紙帶，某同學在每條紙帶上取了點跡清晰的、連續(xù)的4個點，用刻度尺測出相鄰兩個點間距離依次為s1、s2、s3。請你根據(jù)下列s1、s2、s3的測量結果確定該紙帶為(已知當?shù)氐闹亓铀俣葹?.791 m/s2)(　　) A．61.0 mm　65.8 mm　70.7 mm B．41.2 mm　45.1 mm　53. 0mm C．49.6 mm　53.5 mm　57.3 mm D．60.5 mm　61.0 mm　60.6 mm 解析：驗證機械能守恒定律采用重錘的自由落體運動實現(xiàn)，所以相鄰的0.02 s內(nèi)的位移增加量為Δs＝gT2＝9.7910.022 mm≈3.9 mm，只有C符合要求。故選C。 答案：C 3.某同學利用豎直上拋小球的頻閃照片驗證機械能守恒定律。頻閃儀每隔0.05 s閃光一次，圖實－7－11中所標數(shù)據(jù)為實際距離，該同學通過計算得到不同時刻的速度如下表(當?shù)刂亓铀俣热?0 m/s2，小球質(zhì)量m＝0.2 kg，結果保留三位有效數(shù)字)： 時刻 t2 t3 t4 t5 速度(m/s) 5.59 5.08 4.58 (1)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計算t5時刻小球的速度v5＝________ m/s。 (2)從t2到t5時間內(nèi)，重力勢能增加量ΔEp＝________J，動能減小量ΔEk＝________J。 圖實－7－11 (3)在誤差允許的范圍內(nèi)，若ΔEp與ΔEk近似相等，從而驗證了機械能守恒定律。由上述計算得ΔEp________ΔEk(選填“>”“<”或“＝”)，造成這種結果的主要原因是________________。 解析：(1)v5＝ cm/s＝408 cm/s＝4.08 m/s。 (2)由題給條件知： h25＝(26.68＋24.16＋21.66) cm＝72.5 cm＝0.725 m。 ΔEp＝mgh25＝0.2100.725 J＝1.45 J ΔEk＝mv22－mv52＝0.2(5.592－4.082)J＝1.46 J (3)由(2)中知ΔEp<ΔEk，因為存在空氣摩擦等原因，導致重力勢能的增加量小于動能的減少量。 答案：(1)4.08　(2)1.45　1.46　(3)<　原因見解析 4．DIS實驗是利用現(xiàn)代信息技術進行的實驗。老師上課時“用DIS研究機械能守恒定律”的裝置如圖實－7－12甲所示，在某次實驗中，選擇DIS以圖像方式顯示實驗的結果，所顯示的圖像如圖乙所示。圖像的橫軸表示小球距D點的高度h，縱軸表示擺球的重力勢能Ep、動能Ek或機械能E。試回答下列問題： 圖實－7－12 (1)圖乙的圖像中，表示小球的重力勢能Ep、動能Ek、機械能E隨小球距D點的高度h變化關系的圖線分別是________(按順序填寫相應圖線所對應的文字)。 (2)根據(jù)圖乙所示的實驗圖像，可以得出的結論是___________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)小球由A到D過程中重力勢能減小，動能增加，由題圖乙的圖像知機械能總量不變，故表示小球的重力勢能Ep、動能Ek、機械能E隨小球距D點的高度h變化關系的圖線分別是乙、丙、甲。 (2)由實驗結果知：在誤差允許的范圍內(nèi)，在只有重力做功的情況下，小球的機械能守恒。 答案：(1)乙、丙、甲 (2)在誤差允許的范圍內(nèi)，在只有重力做功的情況下，小球的機械能守恒 5．某研究性學習小組在做“驗證機械能守恒定律”的實驗中，已知打點計時器所用電源的頻率為50 Hz，查得當?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2。測得所用重物的質(zhì)量為1.00 kg。 (1)下面敘述中正確的是________。 A．應該用天平稱出重物的質(zhì)量 B．可選用點跡清晰，第一、二兩點間的距離接近2 mm的紙帶來處理數(shù)據(jù) C．操作時應先松開紙帶再通電 D．打點計時器應接在電壓為4～6 V的交流電源上 (2)實驗中甲、乙、丙三學生分別用同一裝置得到三條點跡清晰的紙帶，量出各紙帶上第一、二兩點間的距離分別為0.18 cm、0.19 cm、0.25 cm，則可肯定________同學在操作上有錯誤，錯誤是________。若按實驗要求正確地選出紙帶進行測量，量得連續(xù)三點A、B、C到第一個點O間的距離分別為15.55 cm、19.20 cm和23.23 cm。則當打點計時器打點B時重物的瞬時速度v＝________ m/s；重物由O到B過程中，重力勢能減少了________J，動能增加了________J(保留3位有效數(shù)字)，根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)，還可以求出重物實際下落的加速度為________m/s2，則重物在下落的過程中所受到的阻力為________N。 解析：(1)本實驗中只需驗證gh與的關系，不需要測重物質(zhì)量，操作時應先接通電源再松開紙帶，可選用點跡清晰，第一、二兩點間的距離接近2 mm的紙帶來處理數(shù)據(jù)，A、C錯，B、D對。 (2)實驗中理想的紙帶應是點跡清晰，第一、二兩點間的距離略小于2 mm的紙帶，所以丙錯誤，錯誤在于操作中先松開了紙帶，再接通了電源，致使紙帶上第一、二兩點間間距增大。利用公式vn＝可計算出打點B時重物的瞬時速度為1.92 m/s。重物由O到B過程中，重力勢能減少了ΔEp＝mgh＝1.009.819.2010－2 J＝1.88 J；動能增加了ΔEk＝mv2＝1.84 J，由Δh＝aT2可求出重物實際下落的加速度為a＝9.5 m/s2，由牛頓第二定律知重物在下落的過程中所受到的阻力滿足mg－F阻＝ma，所以F阻＝0.3 N。 答案：(1)BD　(2)丙　先松開了紙帶，再接通了電源　1.92　1.88　1.84　9.5　0.3 6．某實驗小組利用如圖實－7－13所示的實驗裝置來驗證鉤碼和滑塊所組成的系統(tǒng)機械能守恒。 圖實－7－13 (1)實驗前需要調(diào)整氣墊導軌底座使之水平，利用現(xiàn)有器材如何判斷導軌是否水平？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)如圖實－7－14所示(經(jīng)放大后的)，游標卡尺測得遮光條的寬度d＝________ cm；實驗時將滑塊從圖示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門的時間Δt＝1.210－2s，則滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度為________ m/s。在本次實驗中還需要測量的物理量有：鉤碼的質(zhì)量m、________和________(文字說明并用相應的字母表示，g為已知)。 圖實－7－14 (3)本實驗通過比較________和________在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等(用測量的物理量符號表示)，從而驗證系統(tǒng)的機械能守恒。 解析：(1)檢驗氣墊導軌底座是否水平時，可以先接通氣源，將滑塊靜置于氣墊導軌上，若滑塊在導軌上各個位置均能靜止時，說明導軌是水平的。 (2)游標卡尺的讀數(shù)為d＝5 mm＋0.1 mm2＝5.2 mm＝0.52 cm；滑塊通過光電門時的瞬時速度為v＝＝0.43 m/s；應測出滑塊上的遮光條的初位置到光電門的距離x和滑塊的質(zhì)量M。 (3)系統(tǒng)重力勢能的減少量為mgx，系統(tǒng)動能的增加量為(M＋m)v2＝(M＋m)()2，若兩者相等時，可認為系統(tǒng)的機械能守恒。 答案：(1)接通氣源，將滑塊靜置于氣墊導軌上，若滑塊基本保持靜止，則說明導軌是水平的(或取下鉤碼，輕推滑塊，滑塊基本能做勻速直線運動)。 (2)0.52　0.43　滑塊上的遮光條初始位置到光電門的距離x　滑塊的質(zhì)量M (3)mgx　(M＋m)()2