《2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)增分 專(zhuān)題6 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)增分 專(zhuān)題6 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?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
考綱要求
考情分析
命題趨勢(shì)
驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
2017·天津卷，9(2)
2016·全國(guó)卷Ⅰ，22
本實(shí)驗(yàn)在全國(guó)高考考查頻率較高，應(yīng)給予足夠重視，要理解其實(shí)驗(yàn)原理，注意該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)創(chuàng)新，這也是高考的重點(diǎn)，要會(huì)根據(jù)機(jī)械能守恒定律靈活分析
知識(shí)梳理·夯實(shí)基礎(chǔ)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
二、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，但總的機(jī)械能保持不變．若物體某時(shí)刻瞬時(shí)速度為v，下落高度為h，則重力勢(shì)能的減少量為mgh，動(dòng)能的增加量為mv2，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
2、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：如圖所示，由公式可得第n個(gè)點(diǎn)的速度vn＝.
三、實(shí)驗(yàn)器材
鐵架臺(tái)(含鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、重物(帶紙帶夾)．
四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1．安裝置：按圖所示將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路．
2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方．先接通電源，后松開(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．
更換紙帶重復(fù)做3～5次實(shí)驗(yàn)．
3．選紙帶：在打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰的一條紙帶，在起點(diǎn)標(biāo)上0，以后各點(diǎn)依次標(biāo)上
3、1、2、3、4……用刻度尺測(cè)出對(duì)應(yīng)下落高度h1、h2、h3、h4……
五、數(shù)據(jù)處理
1．求瞬時(shí)速度
由公式vn＝可以計(jì)算出重物下落h1、h2、h3……的高度時(shí)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3……
2．驗(yàn)證守恒
方法一：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)誤差允許的范圍內(nèi)，ghn＝v，則說(shuō)明機(jī)械能守恒定律是正確的．
方法二：任取兩點(diǎn)A、B測(cè)出hAB，算出ghAB和的值，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，ghAB＝v－v，則說(shuō)明機(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
4、，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2－h(huán)圖線．若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒．
六、誤差分析
1．系統(tǒng)誤差：本實(shí)驗(yàn)中因重錘和紙帶在下落過(guò)程中要克服各種阻力(空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器阻力)做功，故動(dòng)能的增加量ΔEk稍小于重力勢(shì)能的減少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，這屬于系統(tǒng)誤差，改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力．
2．偶然誤差：本實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)誤差來(lái)源于長(zhǎng)度的測(cè)量，屬偶然誤差，減小誤差的辦法是測(cè)下落距離時(shí)都從0點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測(cè)量完，多次測(cè)量取平均值．
七、注意事項(xiàng)
1．安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直線上以減小摩擦阻
5、力．
2．重物應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大、體積較小的物體以減小空氣阻力的影響．
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(kāi)紙帶讓重物下落．
4．紙帶長(zhǎng)度選用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，否則犯了用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤．
6．驗(yàn)證機(jī)械能守恒時(shí)，可以不測(cè)出重錘質(zhì)量，只要比較v和ghn是否相等即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒．
核心考點(diǎn)·分層突破
考點(diǎn)1 實(shí)驗(yàn)原理及誤差分析
[例1](2017·天津卷)如圖所示，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，使重物帶動(dòng)紙帶從靜止開(kāi)始自由下落，利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．
(1)對(duì)于
6、該實(shí)驗(yàn)，下列操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是__AB__.
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(duì)正
C．精確測(cè)量出重物的質(zhì)量
D．用手托穩(wěn)重物，接通電源后，松手釋放重物
(2)某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(zhǎng)，圖中有部分未畫(huà)出，如圖所示．紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第—個(gè)點(diǎn)．重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出，利用下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有__BC__.
A．OA、AD和EG的長(zhǎng)度
B．OC、BC和CD的長(zhǎng)度
7、C．BD、CF和EG的長(zhǎng)度
D．AC、BD和EG的長(zhǎng)度
解析 (1)選用質(zhì)量大的金屬錘，可保證下落過(guò)程中紙帶豎直不松弛；金屬錘密度大，體積就小，下落過(guò)程中所受阻力小；上下限位孔對(duì)正，可減小摩擦；本實(shí)驗(yàn)中要驗(yàn)證mv2＝mgh，即驗(yàn)證v2＝2gh，不用測(cè)量重物的質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)時(shí)用手抓緊紙帶上端，接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后，再松手釋放紙帶，不能用手托住重物．
(2)本實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)某點(diǎn)的瞬時(shí)速度和從起始點(diǎn)到該點(diǎn)的距離，或者兩點(diǎn)的速度及其間距，符合要求的選項(xiàng)有B、C．
考點(diǎn)2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理
[例2]某同學(xué)用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源，可以使
8、用的頻率有20 Hz、30 Hz和40 Hz.打出紙帶的一部分如圖乙所示．
該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有記錄交流電的頻率f，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他題給條件進(jìn)行推算．
(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f和圖乙中給出的物理量可以寫(xiě)出：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重物下落的速度大小為_(kāi)_(s1＋s2)f__，打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為_(kāi)_(s2＋s3)f__，重物下落的加速度大小為_(kāi)_(s3－s1)f2__.
(2)已測(cè)得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，s3＝10.10 cm；當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80 m/s2，實(shí)驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%.由此推算出f為
9、__40__Hz.
解析 (1)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，某一段位移的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度vB＝＝(s1＋s2)f，同理vC＝(s2＋s3)f，加速度a＝＝(s3－s1)f2.
(2)由牛頓第二定律可知mg－0.01mg＝ma，解得a＝0.99g，①
又由(1)問(wèn)知a＝，②
①②聯(lián)立得f＝40 Hz.
考點(diǎn)3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)可從下列三個(gè)方面改進(jìn)創(chuàng)新
1．物體的速度可以用光電計(jì)時(shí)器測(cè)量，消除紙帶與限位孔的摩擦阻力帶來(lái)的誤差．
2．用頻閃照相進(jìn)行驗(yàn)證，消除紙帶受到的阻力．
3．利用氣墊導(dǎo)軌來(lái)設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)，以減小由于摩擦帶來(lái)的誤差．
[例3]某同學(xué)用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械
10、能守恒定律．一根細(xì)線系住鋼球，懸掛在鐵架臺(tái)上，鋼球靜止于A點(diǎn)．光電門(mén)固定在A的正下方，在鋼球底部豎直地黏住一片寬度為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(guò)光電門(mén)的擋光時(shí)間t可由計(jì)時(shí)器測(cè)出，取v＝作為鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度．記錄鋼球每次下落的高度h和計(jì)時(shí)器示數(shù)t，計(jì)算并比較鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小ΔEp與動(dòng)能變化大小ΔEk，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒．
(1)用ΔEp＝mgh計(jì)算鋼球重力勢(shì)能變化的大小，式中鋼球下落高度h應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到__B__之間的豎直距離．
A．鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端 B．鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心
C．鋼球在A點(diǎn)時(shí)的底端
(2)用ΔEk＝m
11、v2計(jì)算鋼球動(dòng)能變化的大?。每潭瘸邷y(cè)量遮光條寬度，示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)為_(kāi)_1.50(1.49～1.51)__cm.某次測(cè)量中，計(jì)時(shí)器的示數(shù)為0.010 0 s，則鋼球的速度為v＝__1.50(1.49～1.51)__m/s.
(3)下表為該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
ΔEp(×10－2 J)
4.892
9.786
14.69
19.59
29.38
ΔEk(×10－2 J)
5.04
10.1
15.1
20.0
29.8
他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的．你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)說(shuō)明理由．
不同意，因?yàn)榭諝庾枇?huì)造成ΔEk小于ΔE
12、p，但表中ΔEk大于ΔEp
(4)請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議．
分別測(cè)出光電門(mén)和球心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L和l，計(jì)算ΔEk時(shí)，將v折算成鋼球的速度v′＝v.
解析 (1)要考慮鋼球重力勢(shì)能的改變量大小，需要測(cè)量鋼球球心下降的高度h，因此要測(cè)量鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)時(shí)球心之間的豎直距離，選項(xiàng)B正確．
(2)刻度尺的讀數(shù)為1.50 cm，鋼球的速度v＝＝
m/s＝1.50 m/s.
(3)由動(dòng)能定理可知mgh－Wf＝ΔEk，即ΔEp－Wf＝ΔEk，ΔEp>ΔEk，所以空氣阻力會(huì)造成ΔEp>ΔEk，但表中為ΔEk>ΔEp，因此不同意他的觀點(diǎn)．
(4)鋼球球心和遮光條都繞懸點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，但
13、運(yùn)動(dòng)半徑不同，因此分別測(cè)出光電門(mén)和球心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L和l，遮光條在光電門(mén)處的速度v＝，則鋼球的速度v′＝·l，可以減小表中差異．
對(duì)應(yīng)演練·遷移運(yùn)用
1.如圖為驗(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、帶夾子的重錘、天平．回答下列問(wèn)題：
(1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材，還需要的器材有__AD__.(填入正確選項(xiàng)前的字母)
A．刻度尺 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__紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間有摩擦；用刻度尺測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)讀數(shù)有誤差__.(寫(xiě)出兩個(gè)原
14、因)
解析 本實(shí)驗(yàn)需測(cè)量長(zhǎng)度，但不需要計(jì)時(shí)，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要用交流電源，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)D正確．
(2)摩擦和長(zhǎng)度測(cè)量讀數(shù)問(wèn)題是產(chǎn)生誤差的主要原因．
2．小張同學(xué)準(zhǔn)備做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，小李同學(xué)準(zhǔn)備做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．
(1)圖甲中A、B、C、D、E表示部分實(shí)驗(yàn)器材，小張同學(xué)需要在圖中選用的器材__AB__；小李同學(xué)需在圖中選用的器材__BDE__.(用字母表示)
(2)小李同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室選齊所需器材后，經(jīng)正確操作獲得如圖所示的兩條紙帶①和②.紙帶__①__的加速度大(選填“①”或“②”)，其加速度大小為_(kāi)_2.5_m/s2(2.3
15、～2.7_m/s2均可)__.
解析 (1)要采用落體法做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，需要下落的重物A和計(jì)時(shí)用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器B；要做“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，需要研究對(duì)象小車(chē)D，拉動(dòng)小車(chē)的鉤碼E及計(jì)時(shí)用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器B．
(2)紙帶①的加速度大小為a1＝＝ m/s2＝2.5 m/s2，紙帶②的加速度大小為a2＝＝
m/s2＝1.25 m/s2，因此紙帶①的加速度大，大小為2.5 m/s2.
3．(2017·上海浦東模擬)用如圖甲所示的實(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(kāi)始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
16、．如圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，所用電源的頻率為50 Hz，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖乙所示．已知m1＝50 g、m2＝150 g，則：(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5＝__2.4__m/s；
(2)在打下第0點(diǎn)到打下第5點(diǎn)的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量ΔEk＝__0.58__J，系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝__0.60__J；(取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝10 m/s2)
(3)若某同學(xué)作出v2－h(huán)圖象如圖丙所示，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝__9.7__m/s2.
解析 (1)v5＝ m/s＝2.4
17、m/s，
(2)ΔEk＝(m1＋m2)v－0≈0.58 J，
ΔEp＝m2gh5－m1gh5＝0.60 J.
(3)由(m2－m1)gh＝(m1＋m2)v2知
＝，
即圖線的斜率k＝＝，
解得g＝9.7 m/s2.
4．利用圖甲裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)．
①為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的__A__.
A．動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量
B．速度變化量與勢(shì)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(tái)(含鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線及開(kāi)關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是__AB__.
A．交流電源 B．刻度尺
18、
C．天平(含砝碼)
③實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到圖乙所示的一條紙帶．在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C，測(cè)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(shí)器打點(diǎn)的周期為T(mén).設(shè)重物的質(zhì)量為m.從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，重物的重力勢(shì)能變化量ΔEp＝__－mghB__，動(dòng)能變化量ΔEk＝__m2__.
④大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，原因是__C__.
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(méi)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
19、方法研究機(jī)械能是否守恒：在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h，計(jì)算對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)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(guò)原點(diǎn)的直線，則重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒．請(qǐng)你分析論證該同學(xué)的判斷依據(jù)是否正確．
解析 ①只需要比較重物下落過(guò)程中，任意兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量是否相等，即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，故選A．②打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要接交流電源，故選A；還需要用刻度尺測(cè)量重物下落的高度，故還要選B．③從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，重物的重力勢(shì)能減少mghB，變化量為－mghB；打B點(diǎn)的速度vB＝，動(dòng)能Ek＝，聯(lián)立解得Ek＝m2，故動(dòng)能變化量ΔEk＝Ek－0＝m()2.④由于存在空氣阻力和摩擦阻力的影響，導(dǎo)致重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，多次實(shí)驗(yàn)取平均值無(wú)法消除系統(tǒng)誤差，故選項(xiàng)C正確．⑤在重物下落h的過(guò)程中，若阻力Ff恒定，由動(dòng)能定理得，mgh－Ffh＝，解得v2＝2(g－)h，故v2－h(huán)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，但還要看圖線的斜率是否在誤差允許的范圍內(nèi)接近2g，才能用該法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．
答案 ⑤該同學(xué)的判斷依據(jù)不正確．在重物下落h的過(guò)程中，若阻力f恒定，由mgh－fh＝mv2－0得，v2＝2(g－)h可知，v2－h(huán)圖象就是過(guò)原點(diǎn)的一條直線．要想通過(guò)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.
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2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)增分 專(zhuān)題6 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案
