2019-2020年高考物理復習 驗證機械能守恒定律學案.doc

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2019-2020年高考物理復習 驗證機械能守恒定律學案 【學習目標】 1. 知道驗證機械能守恒定律的常規(guī)方案. 2. 學會對數據進行處理的方法. 3. 能對探究性實驗進行合理分析 【自主復習】 （1） 把電磁打點計時器豎直地固定在鐵架臺上，打點計時器的兩根導線接在 電源上. （2） 將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過打點計時器，手提著紙帶使重物靠近打點計時器，如圖所示. （3） 接通電源，釋放紙帶讓重物自由下落，計時器就在紙帶上打出一系列點來. （4） 換幾條紙帶，重做上面的實驗. （5） 在取下的紙帶中挑選第1、2兩點間距離接近 且點跡清楚的紙帶進行測量.先記下第一點O的位置，再任意取五個點1、2、3、4、5，用刻度尺測出距O點的相應距離如圖所示. （6） 用公式v＝ 計算出各點對應的瞬時速度v1、v2、v3、…. （7） 計算各點對應的重力勢能的減少量mghn和動能的增加量mvn2/2，進行比較. 【課堂探究】 活動一：紙帶的選取及注意事項 1.關于“驗證機械能守恒定律”的實驗，下列說法中正確的是（） A. 在實驗中必須要用天平測出重物的質量，用刻度尺測出下落的高度 B. 在實驗中因為不需要求出動能和重力勢能的具體數值，故不需要用天平測出重物的質量 C. 選取紙帶時，應盡量挑選第1、2兩點間距離接近 2mm的紙帶，如果沒有這樣的紙帶，實驗達不到目的 D. 如果沒有第1、2兩點間距離接近2mm的紙帶，本實驗仍然可達到目的 2.有4條用打點計時器（所用交流電頻率為50Hz）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。請你根據下列S1、S2、S3的測量結果確定該紙帶為 。（已知當地的重力加速度為9.791m/s2） A.61.0mm 65.8mm 70.7mm B. 41.2mm 45.1mm 53.0mm C.49.6mm 53.5mm 57.3mm D. 60.5mm 61.0mm 60.6mm 活動二：數據處理及誤差分析 1.如圖是該實驗中得到的一條較理想的紙帶，O點是打上去的第1個點，有關長度在圖中已標明.選取N點驗證機械能守恒定律，下面列舉的打N點時重物速度的計算方法正確的是（） A. vN＝B. vN＝C. vN＝D. vN＝ 活動三：創(chuàng)新設計問題的分析方法 1.某同學利用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，弧形軌道末端水平，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s. （1） 若軌道完全光滑，s2與h的理論關系應滿足s2＝ （用H、h表示）. （2） 該同學經實驗測量得到一組數據，如下表所示： 請在坐標紙上作出s2-h關系圖. （3） 對比實驗結果與理論計算得到的s2-h關系圖線（圖中已畫出），自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率 （填“小于”或“大于”）理論值. （4） 從s2-h關系圖線中分析得出鋼球水平拋出的速率差十分顯著，你認為造成上述偏差的可能原因是 . 【當堂檢測】 1.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列說法正確的是: A. 重物的重力應遠大于重物所受的空氣阻力和紙帶所受打點計時器的阻力 B. 實驗時應先放開紙帶，再接通電源 C. 打點計時器應接在電壓為4～6V的直流電源上 D. 測下落高度時，需從起始點算起，且選取的各點應距起始點適當遠一些 2.在利用重錘自由落下驗證機械能守恒定律的實驗中，產生誤差的主要原因是 A.重錘下落的實際高度大于測量值B.重錘下落的實際高度小于測量值 C.重錘實際末速度v大于gt D.重錘實際末速度v小于gt 3．在“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50Hz，查得當地的重力加速度g=9．80ms-2，測得所用的重物的質量為1．00kg．實驗中得到一條點跡清晰的紙帶，把第一個點記作O，另選連續(xù)的4個點A、B、C、D作為測量的點．如圖4-5-2所示，經測量知道A、B、C、D各點到O點的距離分別為62．99cm、70．18cm、77．76cm、85．73cm，根據以上數據，可知重物由O點運動到C點，重力勢能的減少量等于 J，動能的增加量等于 J（取3位有效數字）． 4.用如圖甲所示實驗裝置驗證m1、m2組成的系統機械能守恒.m2從高處由靜止開始甲下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律.下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，每相鄰兩計數點間還有4個點(圖中未標出)，計數點間的距離如圖所示.已知m1＝50 g，m2＝150 g，則：(g取10 m／s2，結果保留兩位有效數字) (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. 將打點計時器接到直流電源上； C. 先釋放m2，再接通電源打出一條紙帶； D. 測量紙帶上某些點間的距離； E. 根據測量的結果，分別計算系統減少的重力勢能和增加的動能. 其中操作不當的步驟是： (填選項對應的字母). (2) 在紙帶上打下計數點5時的速度v＝ m／s； (3) 在打點0～5過程中系統動能的增量ΔEk＝ J，系統勢能的減少量ΔEp＝ J，由此得出的結論是 ； (4) 若某同學作出圖像如圖丙所示，寫出計算當地重力加速度g的表達式 ，并計算出當地的實際重力加速度g＝ m／s2. 【鞏固訓練】 1.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列物理量中，需要通過計算得到的有 A.重錘的質量 B.重力加速度 C.重錘下落的高度 D.與重錘下落高度對應的重錘的即時速度 2.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中: （1） 下面敘述正確的是（） A. 用天平稱出重物的質量 B. 選用點跡清晰、特別是第1、2點間距接近2mm的紙帶 C. 應先通電再釋放紙帶 D. 打點計時器應接在電壓為4～6V的直流電源上 （2） 選出一條紙帶如圖所示，其中O點為起始點，A、B、C為三個計數點，打點計時器通以50Hz的交變電流，用分度值為1mm的刻度尺，測得OA＝11.13cm，OB＝17.69cm，OC＝25.9cm.這三個數據中不符合有效數字要求的是 ，應該寫成 cm. （3） 在計數點A和B之間、B和C之間還各有一個點，重物的質量為1kg，根據以上數據計算，當打點針打到B點時，重物的重力勢能比開始下落時減少了 J，這時它的動能是 J，由此得到的結論是 .（g取9.8m/s2，保留三位小數） 3.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，質量為1 kg的重錘自由下落，通過打點計時器在紙帶上記錄運動過程，打點計時器所接電源為6 V、50 Hz的交流電源，如圖所示.紙帶上O點為重錘自由下落時紙帶打點起點，選取的計數點A、B、C、D依次間隔一個點(圖中未畫出)，各計數點與O點距離如圖所示，單位為mm，重力加速度為9.80 m/s2，則 (1)打點計時器記錄B點時，重錘速度vB=?重錘動能EkB=? (2)從開始下落算起，打點計時器記錄B點時重錘的重力勢能減少多少? (3)以B點為例，說明你怎樣判斷重錘下落過程中機械能是否守恒? 4.利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意圖如圖1所示： (1)實驗步驟： ①將氣墊導軌放在水平桌面上，桌面高度不低于lm ，將導軌調至水平； ②用游標卡尺測量擋光條的寬度，結果如圖2所示，由此讀出_ __mm； ③由導軌標尺讀出兩光電門中心之間的距離__________m； ④將滑塊移至光電門1左側某處，待砝碼靜止不動時，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2； ⑤從數字計時器上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間和； ⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質量M，再稱出托盤和砝碼的總質量。 (2)用表示直接測量量的字母寫出下列所示物理量的表達式： ①滑塊通過光電門1和光電門2時瞬時速度分別為__________和________。 ②當滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為___________和__________。③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統勢能的減少___ ____(重力加速度為)。 (3)如果______________，則可認為驗證了機械能守恒定律。 5．某實驗小組在做“驗證機械能守恒定律”實驗中，提出了如圖所示的甲、乙兩種方案：甲方案為用自由落體運動進行實驗，乙方案為用小車在斜面上下滑進行實驗. （1） 組內同學對兩種方案進行了深入的討論分析，最終確定了一個大家認為誤差相對較小的方案，你認為該小組選擇的方案是 ，理由是 . （2） 若該小組采用圖甲的裝置打出了一條紙帶如圖丙所示，相鄰兩點之間的時間間隔為0.02 s，請根據紙帶計算出B點的速度大小 m/s（結果保留三位有效數字）. （3） 該小組內同學們根據紙帶算出了相應點的速度，作出v2-h圖線如圖丁所示，請根據圖線計算出當地的重力加速度g= m/s2（結果保留兩位有效數字）. 驗證機械能守恒定律參考答案 活動一1.BD 2.C 活動二1.CD 活動三1.（1） 由機械能守恒mgh＝mv2/2.由平拋運動規(guī)律s＝vt.H＝gt2/2.聯立解得s2＝4Hh. （2） 根據表中數據描出s2-h關系如下圖. （3） 由圖中看出在相同h下，水平位移s值比理論值要小，由s＝vt＝v，說明水平拋出的速率比理論值小. （4） 水平拋出的速率偏小，說明有機械能損失，可能是因為摩擦，或在下落過程中小球發(fā)生轉動. ［答案］ （1） 4Hh（2） 見解析圖（3） 小于（4） 摩擦、轉動（回答任一即可） 【當堂檢測】1.AD2. D 3.解析：本題主要考查考生是否理解“驗證機械能守恒定律”實驗的原理及其數據處理的方法．根據機械能守恒定律，在自由落體運動中，如果忽略各種阻力，則物體重力勢能的減少量應等于其動能的增加量，用公式表示為mv2=mgh,v為下落距離為h時的速度．本實驗的目的就是要驗證在自由落體運動中，這個關系mv2=mgh確定成立． 重物由O點運動到C點時，下落距離為77．76cm，就得到物體減少的重力勢能為mgh，代入數據得 1．009．800．7776=7．62J vC=，代入數據得vC==3. 8 則動能的增加量為mv2=7．56J 可見在實驗的準確度范圍內，關系式mv2=mgh成立． 答案： 7．62J 7．56J 4.（1） BC（2） 2.4 (3) 0.58 m 0.60 m 在實驗誤差允許的范圍內m1,m2機械能守恒 （4） g= v2 9.70 【鞏固訓練】1.D 2.［解析］（1） 在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，由于等號兩邊都有質量m，因此質量m被約掉，則不需要測量，A錯；在自由落體的第1個0.02s內，重物下落的距離h＝gt2/2＝0.019 6m，接近2mm，因此當第1、2點間的距離接近2mm時可以認為重物做自由落體運動，初速度為零，計算更方便些，B對；為了保證打第1個計數點時重物速度為零，則應先接通電源，再釋放紙帶，C正確；打點計時器應接4～6V交流電源，D錯. （2） 分度值為1mm的刻度尺，讀數時應估讀到0.1mm，因為讀數25.9cm沒有記錄估讀位，讀數錯誤，正確計數為25.90cm. （3） 重物的重力勢能減少量ΔEp＝mg─OB＝19.80.1769J＝1.734J； 打B點時的動能Ek＝mv2＝m＝1J＝1.704J. ［答案］ （1）BC（2）25.9 25.90（3）1.734 1.704在忽略誤差的情況下，重物的機械能守恒 3.（1）vB=1.18 m/s;EkB=6.9610-1 J.(2)ΔEp=6.9210-1 J(3)上述所得ΔEk與ΔEp在誤差允許范圍內二者相等，驗證了物體在只受重力作用時，重力勢能的減少量等于動能的增加量，即機械能守恒. 4.（1）②9.30③60.00(答案在59.96~60.04之間的，也給分)（2）①， ②， ③ (3) 5.（1） 本實驗要驗證機械能守恒，物體在運動過程中除重力外沒有外力做功，但物體沿斜面下滑的過程中，受到斜面的摩擦力，摩擦力做負功，物體的機械能減少，故應采用甲圖. （2） 點B的速度等于AC段的平均速度，vB=Xac/2T=1.37 m/s. （3） 機械能守恒的表達式為mv2=mgh，則v2-h的斜率為2g,g=k=2.9/(20.15) m/s2=9.7 m/s2. 答案：（1） 圖甲理由：采用圖乙實驗時，由于小車與斜面間存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小車在下滑的過程中機械能不守恒，故圖乙不能用于驗證機械能守恒. （2） 1.37（3） 9.7~9.8