2019版高考物理總復(fù)習(xí) 第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)六 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案

《2019版高考物理總復(fù)習(xí) 第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)六 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019版高考物理總復(fù)習(xí) 第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)六 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案（9頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 實(shí)驗(yàn)六　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 誤差分析 1.減小測量誤差：一是測下落距離時都從0點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對應(yīng)下落高度測量完，二是多測幾次取平均值。 2.誤差來源：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動能的增加量ΔEk＝mv必定稍小于重力勢能的減少量ΔEp＝mghn，改進(jìn)辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力。 注意事項(xiàng) 1.打點(diǎn)計(jì)時器要豎直：安裝打點(diǎn)計(jì)時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減少摩擦阻力。 2.重物密度要大：重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。 3.一先一后：應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落。 4.測長度，算速

2、度：某時刻的瞬時速度的計(jì)算應(yīng)用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt來計(jì)算。 熱點(diǎn)一　教材原型實(shí)驗(yàn) 【例1】　[2017·天津理綜，9(2)]如圖1所示，打點(diǎn)計(jì)時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 圖1 (1)對于該實(shí)驗(yàn)，下列操作中對減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是________。 A.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘 B.兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正 C.精確測量出重物的質(zhì)量 D.用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撤手釋放重物 (2)某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時器接到50 Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，

3、圖中有部分未畫出，如圖2所示。紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時器打出的計(jì)時點(diǎn)，其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個點(diǎn)。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時點(diǎn)間的距離直接測出，利用下列測量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有________。 圖2 A.OA、AD和EG的長度 B.OC、BC和CD的長度 C.BD、CF和EG的長度 D.AC、BD和EG的長度 解析　(1)重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘，減小空氣阻力，以減小誤差，故選項(xiàng)A正確；兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正，減小紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器之間的阻力，以減小誤差，故選項(xiàng)B正確；驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理是：mgh＝mv－ mv，重物質(zhì)量可以消掉，無需精確測量

4、出重物的質(zhì)量，故選項(xiàng)C錯誤；用手拉穩(wěn)紙帶，而不是托住重物，接通電源后，撒手釋放紙帶，故選項(xiàng)D錯誤。 (2)由EG的長度可求出打F點(diǎn)的速度v2，打O點(diǎn)的速度v1＝0，但求不出OF之間的距離h，故選項(xiàng)A錯誤；由BC和CD的長度可求出打C點(diǎn)的速度v2，打O點(diǎn)的速度v1＝0，有OC之間的距離h，可以來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故選項(xiàng)B正確；由BD和EG的長度可分別求出打C點(diǎn)的速度v1和打F點(diǎn)的速度v2，有CF之間的距離h，可以來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故選項(xiàng)C正確；AC、BD和EG的長度可分別求出打B、C、F三點(diǎn)的速度，但BC、CF、BF之間的距離都無法求出，無法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故選項(xiàng)D錯誤。 答案　(

5、1)AB　(2)BC 【變式訓(xùn)練1】　[2016·北京理綜，21(2)]利用圖3裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)。 圖3 (1)為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點(diǎn)間的________。 A.動能變化量與勢能變化量 B.速度變化量與勢能變化量 C.速度變化量與高度變化量 (2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是________。 A.交流電源　 B.刻度尺　　 C.天平(含砝碼) (3)實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到圖4所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C

6、，測得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA、hB、hC。 已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點(diǎn)計(jì)時器打點(diǎn)的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過程中，重物的重力勢能變化量ΔEp＝____________，動能變化量ΔEk＝________。 圖4 (4)大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因是________。 A.利用公式v＝gt計(jì)算重物速度 B.利用公式v＝計(jì)算重物速度 C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響 D.沒有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法 (5)某同學(xué)想用下述方法研究機(jī)械能是否守恒，在紙帶上選取多個計(jì)數(shù)點(diǎn)，測量它們到起始點(diǎn)O的距離h，計(jì)算對應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)

7、的重物速度v，描繪v2－h(huán)圖象，并做如下判斷：若圖象是一條過原點(diǎn)的直線，則重物下落過程中機(jī)械能守恒，請你分析論證該同學(xué)的判斷是否正確的。 解析　(1)重物下落過程中重力勢能減少，動能增加，故該實(shí)驗(yàn)需要比較重物下落過程中任意兩點(diǎn)間的動能變化量與勢能變化量在誤差范圍內(nèi)是否相等，A項(xiàng)正確。 (2)電磁打點(diǎn)計(jì)時器使用的是交流電源，故要選A，需要測紙帶上兩點(diǎn)間的距離，還需要刻度尺，選B，根據(jù)mgh＝mv2－0可將等式兩邊的質(zhì)量抵消，不需要天平，不需用C。 (3)重物的重力勢能變化量為ΔEp＝－mghB， 動能的變化量ΔEk＝mv＝m()2 (4)重物重力勢能的減少量略大于動能的增加量，是因?yàn)橹?/p>

8、物下落過程中存在空氣阻力和摩擦阻力的影響，C正確。 (5)該同學(xué)的判斷依據(jù)不正確，在重物下落h的過程中，若阻力f恒定，根據(jù)mgh－fh＝mv2－0，則v2＝2(g－)h可知，v2－h(huán)圖象就是過原點(diǎn)的一條直線。要想通過v2－h(huán)圖象的方法驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，還必須看圖象的斜率是否接近2g。 答案　(1)A　(2)AB　(3)－mghB　m()2　(4)C　(5)不正確，理由見解析 熱點(diǎn)二　實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新 【例2】　(2017·內(nèi)蒙古巴市一中期末)如圖5甲所示，一位同學(xué)利用光電計(jì)時器等器材做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。有一直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球由A處從靜止釋放，下落過程中能通過A處正下

9、方、固定于B處的光電門，測得A、B間的距離為H(H?d)，光電計(jì)時器記錄下小球通過光電門的時間為t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，則： 圖5 (1)如圖乙所示，用游標(biāo)卡尺測得小球的直徑d＝________mm。 (2)小球經(jīng)過光電門B時的速度表達(dá)式為v＝________。 圖6 (3)多次改變高度H，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，作出隨H的變化圖象如圖6所示，當(dāng)圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿足表達(dá)式________時，可判斷小球下落過程中機(jī)械能守恒。 (4)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)動能增加量ΔEk總是稍小于重力勢能減少量ΔEp，增大下落高度后，則ΔEp－ΔEk將________(選填“增大”

10、“減小”或“不變”)。 解析　(1)由圖可知，主尺刻度為7 mm，游標(biāo)對齊的刻度為8，故讀數(shù)為7 mm＋8×0.05 mm＝7.40 mm。 (2)已知經(jīng)過光電門的時間和小球的直徑，則可以由平均速度表示經(jīng)過光電門時的速度，故v＝。 (3)若小球減小的重力勢能等于增加的動能時，可以認(rèn)為機(jī)械能守恒，則有 mgH＝mv2 代入已知量得2gH0＝ 解得d2＝2gH0t。 (4)由于該過程中有阻力做功，而高度越高，阻力做功越多，故增大下落高度后，則ΔEp－ΔEk將增大。 答案　(1)7.40　(2)　(3)d2＝2gH0t　(4)增大 【變式訓(xùn)練2】　(2016·全國卷Ⅱ，22)某物理

11、小組對輕彈簧的彈性勢能進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示：輕彈簧放置在光滑水平桌面上，彈簧左端固定，右端與一物塊接觸而不連接，紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時器并與物塊連接。向左推物塊使彈簧壓縮一段距離，由靜止釋放物塊，通過測量和計(jì)算，可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能。 圖7 (1)實(shí)驗(yàn)中涉及到下列操作步驟： ①把紙帶向左拉直 ②松手釋放物塊 ③接通打點(diǎn)計(jì)時器電源 ④向左推物塊使彈簧壓縮，并測量彈簧壓縮量 上述步驟正確的操作順序是________(填入代表步驟的序號)。 (2)圖8中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不同位置后所得到的實(shí)際打點(diǎn)結(jié)果。打點(diǎn)計(jì)時器所用交流電的頻率為50 Hz。由M紙帶所給的數(shù)據(jù)

12、，可求出在該紙帶對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中物塊脫離彈簧時的速度為________m/s。比較兩紙帶可知，________(填“M”或“L”)紙帶對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中彈簧被壓縮后的彈性勢能大。 圖8 解析　(1)根據(jù)該實(shí)驗(yàn)操作過程，正確步驟應(yīng)為④①③②。 (2)物塊脫離彈簧時速度最大，v＝＝ m/s＝1.29 m/s；由動能定理ΔEp＝mv2，據(jù)紙帶中打點(diǎn)的疏密知M紙帶獲得的速度較大，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中彈簧被壓縮后的彈性勢能較大。 答案　(1)④①③②　(2)1.29　M 1.用如圖9甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，已知打點(diǎn)計(jì)時器打點(diǎn)頻率f＝ 50 Hz。 圖9 (1)實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶如圖乙

13、所示，將第一個打點(diǎn)標(biāo)記為O，選擇點(diǎn)跡清晰且便于測量的連續(xù)5個點(diǎn)，標(biāo)為A、B、C、D、E，測出A、C、E到O點(diǎn)的距離分別為d1＝9.51 cm、d2＝15.71 cm、d3＝23.47 cm。重物質(zhì)量為0.5 kg，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝9.80 m/s2?，F(xiàn)選取OC段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則OC段重物的重力勢能減少量為________J，動能增加量為________J。(計(jì)算結(jié)果保留2位有效數(shù)字) (2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是重力勢能的減少量略大于動能的增加量，關(guān)于這個誤差，下列說法正確的是________。 A.該誤差屬于偶然誤差 B.該誤差屬于系統(tǒng)誤差 C.可以通過多次測量取平均值的方法來減小該誤差

14、 D.可以通過減小空氣阻力和摩擦阻力的影響來減小該誤差 解析　(1)由題圖中所給數(shù)據(jù)可計(jì)算出打C點(diǎn)時重物的瞬時速度vC＝＝＝ m/s＝1.745 m/s，ΔEk＝mv＝×0.5×1.7452 J＝0.76 J，ΔEp＝mgd2＝0.5×9.8×0.157 1 J≈0.77 J。 (2)重力勢能的減少量略大于動能的增加量是因?yàn)榇嬖诳諝庾枇湍Σ磷枇Γ@是實(shí)驗(yàn)原理和儀器帶來的誤差，是系統(tǒng)誤差，故選項(xiàng)B、D正確。 答案　(1)0.77　0.76　(2)BD 2.某同學(xué)根據(jù)機(jī)械能守恒定律，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關(guān)系。 (1)如圖10甲，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺，在上端的托盤

15、中依次增加砝碼，測量相應(yīng)的彈簧長度，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表。由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝________N/m。(g取9.80 m/s2) 圖10 砝碼質(zhì)量(g) 50 100 150 彈簧長度(cm) 8.62 7.63 6.66 (2)取下彈簧，將其一端固定于氣墊導(dǎo)軌左側(cè)，如圖乙所示；調(diào)整導(dǎo)軌，使滑塊自由滑動時，通過兩個光電門的速度大小__________。 (3)用滑塊壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x；釋放滑塊，記錄滑塊脫離彈簧后的速度v。釋放滑塊過程中，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為__________。 (4)重復(fù)(3)中的操作，得到v與x的關(guān)系如圖丙。由圖可知，v與x成______

16、____關(guān)系。由上述實(shí)驗(yàn)可得結(jié)論：對同一根彈簧，彈性勢能與彈簧的__________成正比。 解析　(1)根據(jù)F＝kx得ΔF＝kΔx，可得k＝＝。取較遠(yuǎn)的兩組數(shù)計(jì)算，k＝＝50 N/m。 (2)氣墊導(dǎo)軌摩擦力可以忽略，故滑塊做勻速直線運(yùn)動，通過兩個光電門的速度大小相等。 (3)因忽略摩擦力，釋放滑塊后，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的動能。 (4)由題圖丙可知，v－x圖線為過原點(diǎn)的傾斜直線，成正比關(guān)系。由Ek＝mv2＝Ep可知，Ep＝mv2∝x2，故彈性勢能與彈簧的壓縮量的平方成正比。 答案　(1)50　(2)相等　(3)滑塊的動能　(4)正比 壓縮量的平方 3.(2017·哈爾濱模擬

17、)用如圖11甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)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(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒。圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶；0是打下的第一個點(diǎn)，每相鄰兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖乙所示。已知兩個物體m1＝100 g、m2＝300 g，則(g＝9.8 m/s2) 圖11 (1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時的速度v5＝________m/s； (2)在打點(diǎn)0～5過程中系統(tǒng)動能的增加量ΔEk＝________J，系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp＝________J，由此得出的結(jié)論是________

18、_________________________；(結(jié)果保留3位有效數(shù)字) (3)若某同學(xué)作出－h(huán)圖象如圖丙所示，則根據(jù)圖象求得的重力加速度g＝________m/s2。 解析　(1)根據(jù)在勻變速直線運(yùn)動中時間中點(diǎn)的瞬時速度大小等于該過程中的平均速度，可知打第5個點(diǎn)時的速度為v5＝ m/s＝2.40 m/s。 (2)物體的初速度為零，所以動能的增加量為ΔEk＝(m1＋m2)v＝×0.4× 2.402 J≈1.16 J；重力勢能的減小量等于物體重力做功，故(m2－m1)gh＝0.2×9.8×(0.384 0＋0.216 0) J≈1.18 J；由此可知動能的增加量和勢能的減小量基本相等，因此在誤差允許的范圍內(nèi)，m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。 (3)根據(jù)系統(tǒng)機(jī)械能守恒有(m2－m1)gh＝(m1＋m2)v2，則v2＝gh，知圖線的斜率k＝g＝，整理可以得到g＝9.6 m/s2。 答案　(1)2.40　(2)1.16　1.18　在誤差允許的范圍內(nèi)，m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒　(3)9.6 9