（江蘇專版）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第五章 實驗五 驗證機械能守恒定律講義（含解析）.doc

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驗證機械能守恒定律一、實驗?zāi)康尿炞C機械能守恒定律。二、實驗器材鐵架臺(含鐵夾)、打點計時器、學(xué)生電源(交流46 V)、紙帶(數(shù)條)、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、重物(帶紙帶夾)。突破點(一)實驗原理與操作例1在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的實驗中，電源的頻率為50 Hz，依次打出的點為0,1,2,3,4，n。則：(1)如用第2點到第6點之間的紙帶來驗證，必須直接測量的物理量為_、_、_，必須計算出的物理量為_、_，驗證的表達式為_。(2)下列實驗步驟操作合理的排列順序是_(填寫步驟前面的字母)。A將打點計時器豎直安裝在鐵架臺上B接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落C取下紙帶，更換新紙帶(或?qū)⒓垘Х瓊€面)重新做實驗D將重物固定在紙帶的一端，讓紙帶穿過打點計時器，用手提著紙帶E選擇一條紙帶，用刻度尺測出物體下落的高度h1，h2，h3，hn，計算出對應(yīng)的瞬時速度v1，v2，v3，vnF分別算出mvn2和mghn，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)看是否相等答案(1)第2點到第6點之間的距離h26第1點到第3點之間的距離h13第5點到第7點之間的距離h57第2點的瞬時速度v2第6點的瞬時速度v6mgh26mv62mv22(2)ADBCEF由題引知要點謹(jǐn)記1.實驗原理的理解對應(yīng)第(1)題(1)兩種驗證方法利用起始點和第n點計算。代入ghn和vn2，如果在實驗誤差允許的條件下，ghnvn2，則能驗證機械能守恒定律。任取兩點計算a.任取兩點A、B，測出hAB，算出ghAB。b.算出vB2vA2的值。c.在實驗誤差允許的條件下，如果ghABvB2vA2，則能驗證機械能守恒定律。(2)不需要測量物體質(zhì)量m。集訓(xùn)沖關(guān)1(2018揚州期末)某同學(xué)利用“實驗圖示記心中”所示裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗。(1)關(guān)于這一實驗，下列說法中正確的是_。A打點計時器應(yīng)接直流電源B應(yīng)先釋放紙帶，后接通電源打點C需使用秒表測出重物下落的時間D測出紙帶上兩點跡間的距離，可知重物相應(yīng)的下落高度(2)該同學(xué)通過打點后得到一條紙帶如圖所示，O點為重物自由下落時紙帶打點的起點，另選取連續(xù)的三個點為計數(shù)點A、B、C，各計數(shù)點與O點的距離分別為s1、s2、s3，相鄰計數(shù)點時間間隔為T，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，重物質(zhì)量為m，從開始下落到打下B點的過程中，重物動能的增量表達式Ek_，重物重力勢能減少量表達式Ep_。(用題中字母表示)(3)經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)重物動能增加量略小于重力勢能減少量，其主要原因是_。A重物的質(zhì)量過大B重物的體積過小C重物及紙帶在下落時受到阻力D電源的電壓偏低(4)為了減小實驗誤差請?zhí)岢鲆粭l合理性建議：_。解析：(1)打點計時器應(yīng)接交流電源，故A錯誤。開始記錄時，應(yīng)先給打點計時器通電打點，然后再釋放重物，讓它帶著紙帶一同落下，如果先放開紙帶讓重物下落，再接通打點計時器的電源，由于重物運動較快，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，會對實驗產(chǎn)生較大的誤差，故B錯誤。我們可以通過打點計時器計算時間，不需要秒表，故C錯誤。測出紙帶上兩點跡間的距離，可知重物相應(yīng)的下落高度，故D正確。(2)打B點時重物的速度vB，故重物動能的增量表達式EkmvB20，重物重力勢能減少量表達式Epmgs2。(3)實驗中發(fā)現(xiàn)重物增加的動能略小于減少的重力勢能，其主要原因是重物下落時受到阻力作用，使得部分重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選C。(4)為減少實驗誤差，可選用密度大的材料做重物或使打點計時器的兩個限位孔的連線豎直。答案：(1)D(2)mgs2(3)C(4)選用密度大的材料做重物或使打點計時器的兩個限位孔的連線豎直2(2019鹽城模擬)小明利用“實驗圖示記心中”所示裝置“驗證機械能守恒定律”。(1)實驗中，為減少空氣阻力對實驗的影響，下列操作可行的是_。A選用質(zhì)量大、體積小的重物B打點計時器兩限位孔在同一豎直線上C釋放前手應(yīng)提紙帶上端并使紙帶豎直D重物下落過程中手始終提住紙帶的上端(2)小明選擇一條較為滿意的紙帶，如圖所示。小明以O(shè)為計時起點，從A點開始選取紙帶上連續(xù)點A、B、C、，測出O到A、B、C、的距離分別為h1、h2、h3、，重物的質(zhì)量為m。小明選擇A、C兩點，計算出打下B點時速度vB后，通過比較重力勢能減少量Epmgh2和動能增加量EkmvB2是否相等來驗證機械能守恒。你認為小明的數(shù)據(jù)處理是_(選填“正確”或“錯誤”)的，理由是_。解析：(1)為了減小阻力的影響，實驗時重物選擇質(zhì)量大一些的，體積小一些的，故A正確。安裝打點計時器使兩限位孔在同一豎直線上，從而減小打點計時器對紙帶的阻力的影響，故B錯誤。釋放紙帶前，手應(yīng)提紙帶上端并使紙帶豎直，可以減小打點計時器對紙帶的阻力的影響，故C錯誤。重物下落過程中，手不能拉著紙帶，故D錯誤。(2)小明選擇O、B兩點，計算出打下B點時速度vB，通過比較重力勢能減少量Epmgh2和動能增加量EkmvB2是否相等來驗證機械能守恒；這種做法是錯誤的，原因是打下O點時重物的動能不為0。答案：(1)A(2)錯誤打下O點時重物速度不為0突破點(二)數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2用如圖甲實驗裝置驗證m1、m2組成的系統(tǒng)機械能守恒。m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點進行測量，即可驗證機械能守恒定律。圖乙給出的是實驗中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個點，每相鄰兩計數(shù)點間還有4個打下的點(圖中未標(biāo)出)，計數(shù)點間的距離如圖所示。已知m150 g、m2150 g，則(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(1)在紙帶上打下計數(shù)點5時的速度v_ m/s。(2)在計數(shù)點05過程中系統(tǒng)動能的增量Ek_ J。為了簡化計算，設(shè)g9.8 m/s2，則系統(tǒng)勢能的減少量Ep_ J。(3)實驗結(jié)果顯示EpEk，那么造成這一現(xiàn)象的主要原因是_。(4)在本實驗中，若某同學(xué)作出了v2h圖像，如圖丙，h為從起點量起的長度，則據(jù)此得到當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭_ m/s2。答案(1)2.4(2)0.580.59(3)摩擦阻力造成的機械能損失(4)9.7由題引知要點謹(jǐn)記3考查實驗誤差分析對應(yīng)第(3)題因空氣阻力、紙帶與限位孔間的阻力、滑輪軸間阻力做負功，使系統(tǒng)重力勢能的減少量大于系統(tǒng)動能的增加量。集訓(xùn)沖關(guān)3.(2019如皋調(diào)研)用如圖甲所示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，重物上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點痕進行測量，即可驗證機械能守恒定律。下面是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用天平測出重物的質(zhì)量D先釋放懸掛紙帶的夾子，然后接通電源打出一條紙帶E測量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(1)其中沒有必要進行的或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E是_。(將其選項對應(yīng)的字母填在橫線處)(2)在實驗中，質(zhì)量m1.0 kg的重物自由下落，帶動紙帶打出一系列的點，如圖乙所示。相鄰計數(shù)點間的時間間隔為0.02 s，距離單位為cm。紙帶的_(選填“O”或“C”)端與重物相連；某同學(xué)從起點O到打下計數(shù)點B的過程中，計算出重物的動能增加量Ek_ J，重力勢能減少量Ep_ J(g取9.8 m/s2，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。(3)另一名同學(xué)用vB22ghOB計算出B的動能，恰好與重力勢能減少量Ep相等，于是該同學(xué)得出結(jié)論“重物下落過程中機械能守恒”，試問該同學(xué)的做法是否合理？_。解析：(1)該實驗中，先按題圖進行準(zhǔn)備實驗；打點計時器接到電源的交流輸出端上，不應(yīng)用直流輸出端，故B錯誤。我們是比較mgh與mv2的大小關(guān)系，故m可約去比較，不需要用天平，故C沒有必要。先接通電源，后釋放懸掛紙帶的夾子，讓重物帶著紙帶自由下落；再研究紙帶，進行重力勢能減少量和動能增量的比較即可，故D錯誤。(2)紙帶的O端與重物相連；重物通過B點的速度vB m/s0.98 m/s。從起點O到打下計數(shù)點B的過程中重物的動能增加量Ek1(0.98)2J0.48 J；重力勢能減小量Epmgh19.80.050 1 J0.49 J。(3)若用vB22ghOB計算B的動能，則mvB2mghOB，相當(dāng)于用機械能守恒定律來證明機械能守恒定律，該做法不合理。答案：(1)BCD(2)O0.480.49(3)不合理4(2019南京模擬)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，(1)甲同學(xué)按照正確的實驗步驟操作后，選出一條紙帶如圖1所示，其中O點為打點計時器打下的第一個點。從紙帶上A點開始每隔一個點取一個計數(shù)點，取得兩個計數(shù)點B和C。該同學(xué)用刻度尺，測得OA9.62 cm，OB15.89 cm，OC23.64 cm。已知打點計時器每0.02 s打一個點，重物的質(zhì)量為1.00 kg，取g9.80 m/s2。在OB段運動過程中，重物重力勢能的減少量Ep_ J；重物的動能增加量Ek_ J(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)。(2)乙同學(xué)利用該實驗裝置測定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。他打出了一條紙帶后，利用紙帶測量出了各計數(shù)點到打點計時器打下的第一個點的距離h，算出了各計數(shù)點對應(yīng)的速度v，以h為橫軸，以v2為縱軸畫出了如圖2所示的圖線。由于圖線明顯偏離原點，若測量和計算都沒有問題，其原因可能是_。乙同學(xué)算出該圖線的斜率為k，如果阻力不可忽略，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭_k(選填“大于”“等于”或“小于”)。解析：(1)在OB段運動過程中，重物重力勢能的減少量為：EpmghOB19.80.158 9 J1.56 J；B點的速度為：vB m/s1.75 m/s，則動能的增加量為：EkmvB211.752 J1.53 J。(2)從題給圖像中可以看出，當(dāng)重物下落的高度為0時，重物的速度不為0，說明了操作中先釋放重物，再接通(打點計時器)電源。若無阻力，則根據(jù)機械能守恒知，mghmv2，則v2gh，斜率kg。若有阻力則測得的加速度k小于重力加速度g，即g大于k。答案：(1)1.561.53(2)先釋放重物，再接通(打點計時器)電源大于5(2019海安模擬)“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置如圖甲所示，某實驗小組正確完成了一系列實驗操作后，得到了一條如圖乙所示的打點紙帶，選取紙帶上某個清晰的點標(biāo)為O，然后每兩個打點取一個計數(shù)點，分別標(biāo)為1、2、3、4、5、6，用刻度尺量出計數(shù)點1、2、3、4、5、6與O點的距離分別是h1、h2、h3、h4、h5、h6。(1)已知打點計時器的打點周期為T，可求出各個計數(shù)點時刻對應(yīng)的速度v1、v2、v3、v4、v5、v6，其中v3的計算式為v3_。(2)若重物的質(zhì)量是m，取打點O時刻重物位置為重力勢能的零勢能點，分別算出各個計數(shù)點時刻對應(yīng)重物的勢能Epi和動能Eki，計數(shù)點3時刻對應(yīng)重物的勢能Ep3_；接著在E h坐標(biāo)系中描點作出如圖丙所示的Ek h和Ep h變化圖線；求得Ek h圖線斜率是k1，Ep h圖線斜率是k2，則k1、k2關(guān)系為_時機械能守恒。(3)關(guān)于上述實驗，下列說法正確的是_。A實驗中必須用天平測出重物的質(zhì)量mB為了減小紙帶阻力和空氣阻力的影響，重物質(zhì)量應(yīng)該適當(dāng)大些C若實驗紙帶上打出點被拉長為短線，應(yīng)適當(dāng)調(diào)高電源電壓或增大振針與紙帶間的距離D圖丙Ek h圖線中，計數(shù)點1對應(yīng)的描點偏差較大，可能是長度測量誤差相對較大引起的(4)關(guān)于該實驗操作你還能提出哪些注意事項(至少1條)_。解析：(1)從題圖中可以看出“驗證機械能守恒定律”實驗裝置采用的是重物的自由下落運動，可以認為是勻變速運動，求某點的速度利用中間時刻的速度與某段時間內(nèi)的平均速度相同。即v3。(2)打計數(shù)點3時刻在打計數(shù)點0時刻的下方，所以Ep3mgh3。重物下落機械能守恒，減少的重力勢能等于增加的動能，所以k1k2。(3)根據(jù)機械能守恒有：mgh2mgh1mv22mv12，重物的質(zhì)量m在等式兩邊都消去了，故不需要用天平測出重物的質(zhì)量m，A錯誤；為了減小紙帶阻力和空氣阻力的影響，重物的質(zhì)量應(yīng)該適當(dāng)大些，這樣可以減少誤差，B正確；若實驗時紙帶上打出的點被拉長為短線，可能是因為電源電壓太高，振針振幅太大造成的，也可能是振針到紙帶的距離太小，所以應(yīng)適當(dāng)調(diào)低電源電壓或增大振針與紙帶間的距離，C錯誤；計數(shù)點1對應(yīng)的描點偏差較大，可能是長度測量誤差相對較大引起的，D正確。(4)建議：重物應(yīng)從靠近打點計時器處釋放；或調(diào)節(jié)打點計時器限位孔在同一豎直線上，減少紙帶與打點計時器間的摩擦。答案：(1)(2)mgh3k1k2(3)BD(4)重物從靠近打點計時器處釋放或調(diào)節(jié)打點計時器限位孔在同一豎直線上，減少紙帶與打點計時器間的摩擦突破點(三)實驗的改進與創(chuàng)新例3(2016江蘇高考)某同學(xué)用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定律。一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止于A點。光電門固定在A的正下方，在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間t可由計時器測出，取v作為鋼球經(jīng)過A點時的速度。記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t，計算并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小Ep與動能變化大小Ek，就能驗證機械能是否守恒。(1)用Epmgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落高度h應(yīng)測量釋放時的鋼球球心到_之間的豎直距離。A鋼球在A點時的頂端B鋼球在A點時的球心C鋼球在A點時的底端(2)用Ekmv2計算鋼球動能變化的大小。用刻度尺測量遮光條寬度，示數(shù)如圖所示，其讀數(shù)為_cm。某次測量中，計時器的示數(shù)為0.010 0 s。則鋼球的速度為v_m/s。(3)下表為該同學(xué)的實驗結(jié)果：Ep(102 J)4.8929.78614.6919.5929.38Ek(102 J)5.0410.115.120.029.8他發(fā)現(xiàn)表中的Ep與Ek之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點？請說明理由。(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議。解析(1)高度變化要比較鋼球球心的高度變化。(2)毫米刻度尺讀數(shù)時要估讀到毫米下一位，由v代入數(shù)據(jù)可計算出相應(yīng)速度。(3)從表中數(shù)據(jù)可知EkEp，若有空氣阻力，則應(yīng)為EkEp，所以不同意他的觀點。(4)實驗中遮光條經(jīng)過光電門時的速度大于鋼球經(jīng)過A點時的速度，因此由Ekmv2計算得到的Ek偏大，要減小Ep與Ek的差異可考慮將遮光條的速度折算為鋼球的速度。答案(1)B(2)1.50(1.491.51都算對)1.50(1.491.51都算對)(3)不同意，因為空氣阻力會造成Ek小于Ep，但表中Ek大于Ep。(4)分別測出光電門和球心到懸點的長度L和l，計算Ek時，將v折算成鋼球的速度vv。由題引知要點謹(jǐn)記1實驗器材的創(chuàng)新對應(yīng)題干部分(1)利用細線系住鋼球來驗證機械能守恒定律。(2)利用光電門測鋼球經(jīng)過光電門的速度。2實驗原理的創(chuàng)新對應(yīng)第(1)、(2)題(1)小球重力勢能的減少量等于小球下擺過程中動能的增加量。(2)mm刻度尺讀數(shù)時應(yīng)估讀到mm的十分位。3誤差分析與實驗改進對應(yīng)第(3)題(1)因空氣阻力做負功，導(dǎo)致EkEp，本題中第(3)問出現(xiàn)EkEp，是鋼球的速度計算方法引起的。(2)改進方案應(yīng)從修正鋼球速度大小的角度來設(shè)計。4本實驗還可以從以下兩個方面創(chuàng)新(1)利用氣墊導(dǎo)軌驗證。(2)利用牛頓管和頻閃照相進行驗證。集訓(xùn)沖關(guān)6.(2018徐州模擬)用如圖所示裝置驗證機械能守恒定律。實驗前調(diào)整光電門位置使小球下落過程中球心通過光電門時能遮擋激光束。實驗中通過斷開電磁鐵開關(guān)使小球從A點下落，經(jīng)過光電門B，記錄擋光時間t，測出小球在AB間下落的距離h。豎直平移光電門B，重復(fù)上述步驟，測得多組h及相應(yīng)的t，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。(1)實驗中還需測量的物理量是_。(2)小球通過光電門速度的表達式為v_。(3)根據(jù)測量數(shù)據(jù)描繪h圖像，能否僅依據(jù)圖像是過原點的直線就得出機械能守恒的結(jié)論？_，理由是_。解析：(1)題中要驗證的關(guān)系是mghmv2，即v22gh，其中的v由光電門求得，v，可知實驗中還需測量的物理量是小球的直徑d；(2)小球通過光電門速度的表達式為v；(3)根據(jù)v22gh，即22gh，即2h，可知h圖像是一條過原點且斜率為的直線；故僅依據(jù)圖像是過原點的直線不能得出機械能守恒的結(jié)論；還要看斜率近似等于。答案：(1)小球的直徑d(2)(3)不能斜率近似等于，才能判斷小球下落過程中機械能守恒7(2019無錫模擬)(1)某同學(xué)想利用圖甲所示裝置，驗證滑塊與鉤碼組成的系統(tǒng)機械能守恒，該同學(xué)認為只要將摩擦力平衡掉就可以了。你認為該同學(xué)的想法_(選填“正確”或“不正確”)，理由是：_。(2)另一同學(xué)用一傾斜的固定氣墊導(dǎo)軌來驗證機械能守恒定律。如圖乙所示，質(zhì)量為m1的滑塊(帶遮光條)放在A處，由跨過輕質(zhì)定滑輪的細繩與質(zhì)量為m2的鉤碼相連，導(dǎo)軌B處有一光電門，用L表示遮光條的寬度，x表示A、B 兩點間的距離，表示氣墊導(dǎo)軌的傾角，g表示當(dāng)?shù)刂亓铀俣取獗谜９ぷ骱?，將滑塊由A點靜止釋放，運動至B，測出遮光條經(jīng)過光電門的時間t，該過程滑塊與鉤碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減小量表示為_，動能的增加量表示為_；若系統(tǒng)機械能守恒，則與x的關(guān)系式為_(用題中已知量表示)。實驗時測得m1475 g，m255 g，遮光條寬度L4 mm，sin 0.1，改變光電門的位置，滑塊每次均從A點釋放，測量相應(yīng)的x與t的值，以為縱軸，x為橫軸，作出的圖像如圖丙所示，則根據(jù)圖像可求得重力加速度g0為_ m/s2(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)，若g0與當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭近似相等，則可驗證系統(tǒng)機械能守恒。解析：(1)機械能守恒的條件是只有重力或彈力做功，平衡摩擦力時，是用重力的分力等于摩擦力，但此時系統(tǒng)受到摩擦力，故摩擦力對系統(tǒng)做功，機械能不守恒；故該同學(xué)的想法不正確。(2)滑塊由A到B的過程中，系統(tǒng)重力勢能的減小量為：Epm2gxm1gxsin ；經(jīng)過光電門時的速度為：v；則動能的增加量為：Ek(m1m2)v2(m1m2)2因機械能守恒，則有：EpEk聯(lián)立解得：；由上述公式可得，圖像中的斜率k；由題圖可知k104 m1s2代入數(shù)據(jù)解得：g9.4 m/s2。答案：(1)不正確有摩擦力做功，不滿足機械能守恒的條件(2)(m2m1sin )gx(m1m2)29.48.(2018徐州、南通聯(lián)考)如圖所示，用光電門等器材驗證機械能守恒定律。直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球由A處靜止釋放，下落過程中經(jīng)過A處正下方的B處，其中B處固定有光電門，測得A、B間的距離為H(Hd)，光電門測出小球通過光電門的時間為t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，則(1)小球通過光電門B時的速度表達式_。(2)多次改變高度H，重復(fù)上述實驗，描點作出隨H的變化圖像，若作出的圖線為通過坐標(biāo)原點的直線，且斜率為_，可判斷小球下落過程中機械能守恒。(3)實驗中發(fā)現(xiàn)動能增加量Ek總是小于重力勢能減少量Ep，增加下落高度后，則(EpEk)將_(選填“增大”“減小”或“不變”)。(4)小明用AB段的運動來驗證機械能守恒時，他用vB計算與B點對應(yīng)的重錘的瞬時速度，得到動能的增加量，你認為這種做法正確還是錯誤？答：_。理由是_。解析：(1)小球通過光電門B時的速度v。(2)若減小的重力勢能等于增加的動能時，可以認為機械能守恒，則有：mgHmv2，即：2gH2，解得：H，故H變化圖像的斜率k。(3)由于該過程中有阻力做功，而高度越高，阻力做功越多；故增加下落高度后，(EpEk)將增大。(4)小明用AB段的運動來驗證機械能守恒時，他用vB計算與B點對應(yīng)的重錘的瞬時速度，得到動能的增加量，這種做法是錯誤的，此做法已默認機械能守恒。答案：(1)v(2)(3)增加(4)錯誤此做法已默認機械能守恒(只要意思正確即可)