2022年高三物理復(fù)習(xí) 第5章 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證機(jī)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(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證在只有重力作用情況下的物體機(jī)械能守恒． 實(shí)驗(yàn)原理 1．在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能互相轉(zhuǎn)化，但總的________保持不變．若物體某時(shí)刻的瞬時(shí)速度為v，下落高度為h，則重力勢(shì)能的減少量為______，動(dòng)能的增加量為____________，看它們?cè)趯?shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)是否相等，若相等則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律． 2．計(jì)算打第n個(gè)點(diǎn)時(shí)速度的方法：測(cè)出第n個(gè)點(diǎn)與相鄰前后點(diǎn)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(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái)(含鐵夾)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，__________，紙帶，復(fù)寫紙，導(dǎo)線，____________，重物(帶紙帶夾)． 實(shí)驗(yàn)步驟 圖2 1．安裝、準(zhǔn)備：按如圖2裝置把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)器限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在________________． 2．打紙帶：先__________，后__________，讓重物帶著紙帶自由下落，這樣計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下了一系列點(diǎn)，更換紙帶重復(fù)上述步驟做3～5次實(shí)驗(yàn)． 3．選紙帶：分兩種情況來說明 (1)用mv2＝mgh來驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)選

3、點(diǎn)跡清晰，且1、2兩點(diǎn)間距離小于或接近2 mm的紙帶．若1、2兩點(diǎn)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(gè)點(diǎn)就不是運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)了，這樣的紙帶不能選． (2)用mv－mv＝mgΔh驗(yàn)證時(shí)，由于重力勢(shì)能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣紙帶上打出的第1、2兩點(diǎn)間的距離是否為2 mm就無關(guān)緊要了，所以只要后面的點(diǎn)跡清晰就可選用． 數(shù)據(jù)處理 在起始點(diǎn)標(biāo)上0，在以后各點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3、……用刻度尺測(cè)出對(duì)應(yīng)下落高度h1、h2、h3、…… 利用公式vn＝計(jì)算出點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、……的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、…… 用以下三種方法進(jìn)行驗(yàn)證： 方

4、法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算．代入ghn和v，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下ghn＝v，則機(jī)械能守恒定律是正確的． 方法二：任取兩點(diǎn)計(jì)算． (1)任取兩點(diǎn)A、B測(cè)出hAB，算出ghAB. (2)算出v－v的值． (3)若在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下ghAB＝v－v，則機(jī)械能守恒定律是正確的． 方法三：圖象法．從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測(cè)量從第一個(gè)點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h，并計(jì)算各點(diǎn)速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出v2－h(huán)圖線．若在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下，圖象是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒． 注意事項(xiàng) 1．安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)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(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后，再松開紙帶讓重物下落． 4．紙帶長(zhǎng)度應(yīng)選用60 cm左右為宜，應(yīng)選用點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測(cè)量． 5．速度不能用vn＝gtn或vn＝計(jì)算，因?yàn)橹灰J(rèn)為加速度為g，機(jī)械能當(dāng)然守恒， 即相當(dāng)于用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，況且用vn＝gtn計(jì)算出的速度比實(shí)際值大，會(huì)得出機(jī)械能增加的結(jié)論，而實(shí)際上因?yàn)槭苣Σ磷枇Φ挠绊?，機(jī)械能應(yīng)減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測(cè)量計(jì)算．同樣的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接測(cè)量，而不能用hn＝gt或hn＝計(jì)算得到. 題型

6、一　實(shí)驗(yàn)原理與步驟 【例1】 用如圖3所示 圖3 的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)痕進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律． (1)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟： A．按照?qǐng)D示的裝置安裝器件； B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上； C．用天平測(cè)量出重物的質(zhì)量； D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時(shí)接通電源開關(guān)打出一條紙帶； E．測(cè)量打出的紙帶上某些點(diǎn)間的距離； F．根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重物下落過程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)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(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母填在橫線處) (2)利用這個(gè)裝置也可以測(cè)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(gè)點(diǎn)A、B、C、D、E，測(cè)出A點(diǎn)距起始點(diǎn)O的距離為x0，點(diǎn)A、C間的距離為x1，點(diǎn)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(jì)算重物下落的加速度a＝__________________. 圖4 (3)在上述驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，重物減小的重力勢(shì)能總是大于重物增加的動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定該阻力的大?。粢阎?dāng)?shù)刂亓铀俣裙J(rèn)的較準(zhǔn)確的值是g，還需

8、要測(cè)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(hào)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 【例2】 (xx·如皋統(tǒng)考)在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量m＝1.00 kg的重物自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列點(diǎn)．如圖5所示為選取的一條符合實(shí)驗(yàn)要求的紙帶，O為第一個(gè)點(diǎn)(速度恰好為零)，每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出，選連續(xù)的3個(gè)計(jì)數(shù)

9、點(diǎn)A、B、C作為測(cè)量的點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量知道A、B、C各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為50.50 cm、86.00 cm、130.50 cm.已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02 s打一次點(diǎn)，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(jì)算出打B點(diǎn)時(shí)的速度vB＝______ m/s；重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少了________ J，動(dòng)能增加了________ J．根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)，還可以求出物體實(shí)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(jì)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(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)重物減少的勢(shì)能總是大于重物增加的動(dòng)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(cè)量不準(zhǔn) C．空氣對(duì)重物的阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的阻力 D．實(shí)驗(yàn)時(shí)操作不太仔細(xì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確 圖6 2．(xx·湖南理綜)圖6為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖．現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平．回答下列問題 (1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材

12、，還需要的器材有________．(填入正確選項(xiàng)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(shí)驗(yàn)中誤差產(chǎn)生的原因有______________________________________ ________________________________________________________________________ _________________________________________________

13、_______________________ ________________________________________________________________________.(寫出兩個(gè)原因) 圖7 3．(xx·安徽理綜)利用圖7所示裝置進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量物體由靜止開始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度v和下落高度h.某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案． a．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，并測(cè)出下落時(shí)間t，通過v＝gt計(jì)算出瞬時(shí)速度v. b．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，并通過v＝計(jì)算出瞬時(shí)速度． c．根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上

14、某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度，并通過計(jì)算得出高度h. d．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)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(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中： (1)某同學(xué)用圖8所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖9所示的紙帶，測(cè)出點(diǎn)A、C間的距離為14.77 cm，點(diǎn)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(diǎn)計(jì)時(shí)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(shí)驗(yàn)報(bào)告顯示重錘增加的動(dòng)能略大于重錘減少的重力勢(shì)能，則出現(xiàn)這一問題的原因可能是________(填序號(hào))． A．重錘的質(zhì)量測(cè)量錯(cuò)誤 B．該同學(xué)自編了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) C．交流電源的頻率不等于50 Hz D．重錘下落時(shí)受到的阻力過大 5．(全國(guó)Ⅰ高考·22)如圖10所示，兩個(gè)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(yàn)證機(jī)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(cè)量，則需要測(cè)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(shí)間； ③物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時(shí)間； ④繩子的長(zhǎng)度． (2)為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，某小組同學(xué)對(duì)此實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)越好； ③盡量保證物塊只沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，不要搖晃； ④兩個(gè)物塊的質(zhì)量之差要盡可能?。? 以上建議中確實(shí)對(duì)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(duì)提高實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)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?kù)o止釋放，鋼球的落點(diǎn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(qǐng)?jiān)趫D12給出的坐標(biāo)紙上作出x2－h(huán)關(guān)系圖． 圖12 (3)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)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(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，使質(zhì)量為m＝1.00 kg的重物自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，選取一條符合實(shí)驗(yàn)要求的紙帶如圖13所示．O為第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C為從合適位置開始選取連續(xù)點(diǎn)中的三個(gè)點(diǎn)．已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn)，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(diǎn)到________點(diǎn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律； (2)從O點(diǎn)到(1)問中所取的點(diǎn)，重物重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝________ J，動(dòng)能增加量ΔEk＝________ J(結(jié)果取三位

20、有效數(shù)字)； (3)若測(cè)出紙帶上所有各點(diǎn)到O點(diǎn)之間的距離，根據(jù)紙帶算出各點(diǎn)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(shí)驗(yàn)學(xué)案25　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 【基礎(chǔ)自主落實(shí)】 實(shí)驗(yàn)原理 1．機(jī)械能　mgh　mv2　2. 實(shí)驗(yàn)器材 學(xué)生電源　毫米刻度尺 實(shí)驗(yàn)步驟 1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近　2.接通電源　松開紙帶 【熱點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中是通過比較重物的重力勢(shì)能減小量mghn和動(dòng)能mv增加量的大小來達(dá)到驗(yàn)證的目的，對(duì)于同一個(gè)

21、研究對(duì)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(xiàng)C是沒必要的．選項(xiàng)B、D是錯(cuò)誤的，應(yīng)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(cè)量重物的質(zhì)量m，代入加速度得F＝m[g－] 或由動(dòng)能定理得：mg(x0＋x1)－F(x0＋x1)＝mv 又因?yàn)関C＝ 由以上兩式得F＝m[g－] [規(guī)范思維]　解答實(shí)驗(yàn)題時(shí)，首先應(yīng)弄清實(shí)驗(yàn)原理和誤差來源，然后針對(duì)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(shí)驗(yàn)步驟和注意

22、事項(xiàng)． 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?jī)蓚€(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)沒有畫出，所以每?jī)蓚€(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.1 s，同時(shí)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(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間內(nèi)的平均速度可得 vB＝＝＝＝ m/s＝4.00 m/s 由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)下落的距離為h＝86.00 cm＝0.86 m，重力勢(shì)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(diǎn)速度可得，重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)動(dòng)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(shí)效果檢測(cè)】 1．C 2．(1)AD　(2)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

24、之間有摩擦；用米尺測(cè)量紙帶上點(diǎn)的位置時(shí)讀數(shù)有誤差；計(jì)算勢(shì)能變化時(shí)，選取初末兩點(diǎn)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(duì)同一高度進(jìn)行多次測(cè)量取平均值”；“選取受力后相對(duì)伸長(zhǎng)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(yàn)證機(jī)械能守恒定律，即驗(yàn)證系統(tǒng)的勢(shì)能變化與動(dòng)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(cè)其中的一個(gè)即可，不需要測(cè)量繩子的長(zhǎng)度． (2)如果繩子質(zhì)量不能忽略，則A、B組成的系統(tǒng)勢(shì)能將有一部分轉(zhuǎn)化為繩子的動(dòng)能，從而為驗(yàn)證機(jī)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(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)能帶來誤差；兩個(gè)物塊質(zhì)量差較大時(shí)，摩擦阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所帶來的誤差影響就會(huì)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(jī)械能守恒mgh＝mv2① 由平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律x＝vt② H＝gt2③ 由①②③得x2＝4Hh. (2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點(diǎn)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