(通用版)2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第五章 第33課時 驗證機械能守恒定律(實驗增分課)講義(含解析).doc
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第33課時驗證機械能守恒定律(實驗增分課)一、實驗?zāi)康尿炞C機械能守恒定律。二、實驗原理1在只有重力做功的自由落體運動中,物體的重力勢能和動能互相轉(zhuǎn)化,但總的機械能保持不變。若物體某時刻瞬時速度為v,下落高度為h,則重力勢能的減少量為mgh,動能的增加量為mv2,判斷它們在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等,若相等則驗證了機械能守恒定律。2速度的測量:做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度等于相鄰兩點間的平均速度vt2t。計算打第n個點瞬時速度的方法是:測出第n個點的相鄰前后兩段相等時間T內(nèi)下落的距離xn和xn1,由公式vn或vn算出,如圖所示。三、實驗器材鐵架臺(含鐵夾)、打點計時器、學(xué)生電源、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、重物(帶紙帶夾)。謹記部分器材用途毫米刻度尺測量重物下落的高度重物自由下落,重力勢能轉(zhuǎn)化為動能四、實驗步驟1儀器安裝將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上,連接好電路。2打紙帶將紙帶的一端用夾子固定在重物上,另一端穿過打點計時器的限位孔,用手提著紙帶,使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源,后松開紙帶,讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復(fù)做35次實驗。3選紙帶分兩種情況說明(1)如果根據(jù)mv2mgh驗證時,應(yīng)選點跡清晰,打點成一條直線,且1、2兩點間距離小于或接近2 mm的紙帶。若1、2兩點間的距離大于2 mm,則可能是由于先釋放紙帶,后接通電源造成的。這樣,第1個點就不是運動的起始點了,這樣的紙帶不能選。(2)如果根據(jù)mvB2mvA2mgh驗證時,由于重力勢能的變化是絕對的,處理紙帶時,選擇適當?shù)狞c為基準點,這樣紙帶上打出的第1、2兩點間的距離是否接近2 mm就無關(guān)緊要了,只要后面的點跡清晰就可選用。五、數(shù)據(jù)處理1求瞬時速度由公式vn可以計算出重物下落h1、h2、h3、的高度時對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3、。2驗證守恒方法一: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范圍內(nèi),ghnvn2,則驗證了機械能守恒定律。方法二:任取兩點A、B測出hAB,算出ghAB和的值,如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi),ghABvB2vA2,則驗證了機械能守恒定律。方法三:圖像法,從紙帶上選取多個點,測量從第一點到其余各點的下落高度h,并計算各點速度的平方v2,然后以v2為縱軸,以h為橫軸,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出v2h圖線。若在誤差允許的范圍內(nèi)圖像是一條過原點且斜率為g的直線,則驗證了機械能守恒定律。六、誤差分析1系統(tǒng)誤差本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(空氣阻力、打點計時器阻力)做功,故動能的增加量Ek稍小于重力勢能的減少量Ep,即EkEp,這屬于系統(tǒng)誤差,改進的方法是調(diào)整器材的安裝,盡可能地減小阻力。2偶然誤差本實驗的另一誤差來源于長度的測量,屬于偶然誤差。減小誤差的方法是測下落距離時都從O點測量,一次將各打點對應(yīng)的下落高度測量完,或者多次測量取平均值。七、注意事項1應(yīng)盡可能控制實驗條件,即應(yīng)滿足機械能守恒的條件,這就要求盡量減小各種阻力的影響,采取的措施有:(1)安裝打點計時器時,必須使兩個限位孔的中線嚴格豎直,以減小摩擦阻力。(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物,增大重力可使阻力的影響相對減小,增大密度可以減小體積,可使空氣阻力減小。2實驗中,提紙帶的手要保持不動,且保證紙帶豎直,接通電源,待打點計時器工作穩(wěn)定后再松開紙帶。3驗證機械能守恒定律時,可以不測出重物質(zhì)量,只要比較vn2和ghn是否相等即可驗證機械能是否守恒。4測量下落高度時,為了減小測量值h的相對誤差,選取的各個計數(shù)點要離起始點遠一些,紙帶也不宜過長,有效長度可在6080 cm之間。5速度不能用vngtn或vn計算,否則犯了用機械能守恒定律驗證機械能是否守恒的錯誤??挤ㄒ粚嶒炘砼c操作1.(2019漳州檢測)用如圖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,輸出電壓有6 V的交流電和直流電兩種。重物從高處由靜止開始下落,重物拖著紙帶通過打點計時器打出一系列的點,對紙帶上的點進行測量,即可驗證機械能守恒定律。(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材;B將打點計時器接到電源的直流輸出端上;C用天平測出重物的質(zhì)量;D先釋放紙帶,再接通電源開關(guān)打出一條紙帶;E測量打出的紙帶上某些點之間的距離;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。其中沒有必要進行或者操作不恰當?shù)牟襟E是_(將其選項對應(yīng)的字母填在橫線處)。(2)在驗證機械能守恒定律的實驗中,若以v2為縱軸、以h為橫軸,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出v2h的圖像應(yīng)是_,才能驗證機械能守恒定律。v2h圖像的斜率等于_的數(shù)值。解析:(1)打點計時器應(yīng)接到電源的交流輸出端上,故B錯誤;驗證機械能是否守恒只需驗證mghmv2,即ghv2,m可約去,故不需要測量重物的質(zhì)量,故C沒有必要進行;開始實驗時,應(yīng)先接通打點計時器的電源,然后再釋放重物,讓它帶著紙帶一同下落,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,會使實驗產(chǎn)生較大的誤差,故D錯誤。(2)利用v2h圖像處理數(shù)據(jù),重物自由下落過程中機械能守恒,mghmv2,即v2gh,若以v2為縱軸、以h為橫軸,畫出的圖像應(yīng)是過原點的傾斜直線,可知v2h圖像的斜率就等于重力加速度g的數(shù)值。答案:(1)BCD(2)過原點的傾斜直線重力加速度g2(2017天津高考)如圖甲所示,打點計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,利用此裝置驗證機械能守恒定律。(1)對于該實驗,下列操作中對減小實驗誤差有利的是_。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)某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到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,圖中有部分未畫出,如圖乙所示。紙帶上各點是打點計時器打出的計時點,其中O點為紙帶上打出的第一個點。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計時點間的距離直接測出,利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有_。AOA、AD和EG的長度BOC、BC和CD的長度CBD、CF和EG的長度DAC、BD和EG的長度解析:(1)選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘、限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正都可以減小摩擦阻力對實驗結(jié)果造成的誤差,A、B正確;動能與重力勢能表達式中都含有質(zhì)量m,可以約去,故不需要測量出質(zhì)量m的具體數(shù)值,C錯誤;重物下落之前應(yīng)該用手拉住紙帶上端而不是用手托住重物,D錯誤。(2)測出BC和CD的長度就可以計算出打下C點時的速度vC,再測出OC的長度,就可驗證mghOCmvC2是否成立,所以B正確;測出BD、EG的長度可計算出打下C、F兩點時的速度vC和vF,再測出CF的長度,就可驗證mghCFmvF2mvC2是否成立,所以C正確。答案:(1)AB(2)BC考法二數(shù)據(jù)處理和誤差分析3(2016全國卷)某同學(xué)用圖(a)所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律,其中打點計時器的電源為交流電源,可以使用的頻率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打出紙帶的一部分如圖(b)所示。該同學(xué)在實驗中沒有記錄交流電的頻率f,需要用實驗數(shù)據(jù)和其他題給條件進行推算。(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落,利用f和圖(b)中給出的物理量可以寫出:在打點計時器打出B點時,重物下落的速度大小為_,打出C點時重物下落的速度大小為_,重物下落的加速度大小為_。(2)已測得s18.89 cm,s29.50 cm,s310.10 cm;當?shù)刂亓铀俣却笮?.80 m/s2,實驗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_Hz。解析:(1)重物勻加速下落時,根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律得vBf(s1s2),vCf(s2s3),由s3s12aT2,得af2(s3s1)。(2)根據(jù)牛頓第二定律,有mgkmgma,根據(jù)(1)中各式,化簡得f,代入數(shù)據(jù)可得f40 Hz。答案:(1)f(s1s2)f(s2s3)f2(s3s1)(2)404如圖甲所示是用“落體法”驗證機械能守恒定律的實驗裝置(g取9.80 m/s2)。(1)選出一條清晰的紙帶如圖乙所示,其中O點為打點計時器打下的第一個點,A、B、C為三個計數(shù)點,打點計時器通以頻率為50 Hz的交變電流。用分度值為1 mm的刻度尺測得OA12.41 cm,OB18.90 cm,OC27.06 cm,在計數(shù)點A和B、B和C之間還各有一個點,重錘的質(zhì)量為1.00 kg。根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出:當打點計時器打到B點時重錘的重力勢能比開始下落時減少了_J;此時重錘的速度vB_m/s,此時重錘的動能比開始下落時增加了_J(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)。(2)利用實驗時打出的紙帶,測量出各計數(shù)點到打點計時器打下的第一個點的距離h,算出各計數(shù)點對應(yīng)的速度v,然后以h為橫軸、以v2為縱軸作出如圖丙所示的圖線,圖線的斜率近似等于_。A19.6B9.80C4.90圖線未過原點O的原因是_。解析:(1)當打點計時器打到B點時,重錘的重力勢能減小了EpmgOB1.009.8018.90102 J1.85 J;打B點時重錘的速度vB m/s1.83 m/s,此時重錘的動能增加了EkmvB21.001.832 J1.67 J。(2)由機械守恒定律有mv2mgh,可得v2gh,由此可知題圖丙圖線的斜率近似等于重力加速度g,故B正確。由圖線可知,h0時,重錘的速度不等于零,原因是做實驗時先釋放了紙帶,再接通了打點計時器的電源。答案:(1)1.851.831.67(2)B先釋放了紙帶,再接通了打點計時器的電源5某同學(xué)用如圖甲所示裝置驗證機械能守恒定律時,所用交流電源的頻率為50 Hz,得到如圖乙所示的紙帶。選取紙帶上打出的連續(xù)五個點A、B、C、D、E,測出點A距起點O的距離為s019.00 cm,點A、C間的距離為s18.36 cm,點C、E間的距離為s29.88 cm,g取9.8 m/s2,測得重物的質(zhì)量為m1 kg。(1)下列做法正確的有_。A圖甲中兩限位孔必須在同一豎直線上B實驗前,手應(yīng)提住紙帶上端,使紙帶豎直C實驗時,先釋放紙帶,再接通打點計時器的電源D數(shù)據(jù)處理時,應(yīng)選擇紙帶上距離較近的兩點作為初、末位置(2)選取O、C兩點為初、末位置驗證機械能守恒定律,重物減少的重力勢能是_J,打下C點時重物的速度大小是_m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。(3)重物減少的重力勢能總是略大于增加的動能,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是 (寫出一條即可)。解析:(1)題圖甲中兩限位孔必須在同一豎直線上,實驗前手應(yīng)提住紙帶上端,并使紙帶豎直,這是為了減小打點計時器與紙帶之間的摩擦,選項A、B正確;實驗時,應(yīng)先接通打點計時器的電源再釋放紙帶,選項C錯誤;數(shù)據(jù)處理時,應(yīng)選擇紙帶上距離較遠的兩點作為初、末位置,以減小長度的測量誤差,選項D錯誤。(2)重物減少的重力勢能為Epmg(s0s1)2.68 J,由于重物下落時做勻變速直線運動,根據(jù)勻變速直線運動任意時間段中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度可知,打下C點時重物的速度為vC2.28 m/s。(3)在實驗過程中,由于紙帶與打點計時器之間的摩擦阻力、空氣阻力的存在,實驗中需要克服阻力做功,所以損失了部分機械能,因此實驗中重物減少的重力勢能總是略大于增加的動能。答案:(1)AB(2)2.682.28(3)重物受到空氣阻力(或紙帶與打點計時器之間存在阻力)有些同學(xué)在處理實驗數(shù)據(jù)時,利用公式v計算重物速度,結(jié)果完全沒有實驗誤差,甚至利用公式vgt計算重物速度,導(dǎo)致動能的增加量比重力勢能的減少量還要大,以上兩種錯誤都是因為不理解實驗原理,生搬硬套公式造成的。 例1如圖甲是驗證機械能守恒定律的實驗裝置。小圓柱由一根不可伸長的輕繩拴住,輕繩另一端固定。將輕繩拉至水平后由靜止釋放。在最低點附近放置一組光電門,測出小圓柱運動到最低點的擋光時間t,再用游標卡尺測出小圓柱的直徑d,如圖乙所示,重力加速度為g。則:(1)小圓柱的直徑d_cm。(2)測出懸點到小圓柱重心的距離l,若等式gl_成立,說明小圓柱下擺過程機械能守恒。(3)若在懸點O安裝一個拉力傳感器,測出輕繩上的拉力F,則要驗證小圓柱在最低點的向心力公式還需要測量的物理量是_(用文字和字母表示),若等式F_成立,則可驗證向心力公式Fnm。三步化“新”為“熟”1分析實驗?zāi)康模候炞C機械能守恒定律同時驗證向心力公式。2確定實驗原理:小圓柱向下擺動減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能,二者相等即可驗證機械能守恒;小圓柱做圓周運動,最低點處合外力提供向心力。3制定數(shù)據(jù)處理方案:利用光電門測出小圓柱的速度v,計算小圓柱減少的重力勢能及其獲得的動能,進行比較即可;用拉力傳感器測出繩拉力F后,可得合力為Fmg,代入牛頓第二定律公式進行驗證。解析(1)小圓柱的直徑d10 mm20.1 mm10.2 mm1.02 cm。(2)根據(jù)機械能守恒定律得mglmv2,所以只需驗證glv22,就說明小圓柱下擺過程中機械能守恒。(3)小圓柱在最低點時,由牛頓第二定律得Fmgm,若等式Fmgm成立,則可驗證向心力公式,可知需要測量小圓柱的質(zhì)量m。答案(1)1.02(2)2(3)小圓柱的質(zhì)量mmgm例2某研究性學(xué)習(xí)小組利用氣墊導(dǎo)軌驗證機械能守恒定律,實驗裝置如圖甲所示。在氣墊導(dǎo)軌上相隔一定距離的兩處安裝兩個光電傳感器A、B,滑塊P上固定一遮光條,若光線被遮光條遮擋,光電傳感器A、B會輸出高電壓,兩光電傳感器A、B采集數(shù)據(jù)后傳輸給計算機?;瑝KP在細線的牽引下向左做加速運動,遮光條經(jīng)過兩光電傳感器A、B時,通過計算機可以得到如圖乙所示的電壓U隨時間t變化的圖像。(1)實驗前,接通氣源,將滑塊P(不掛鉤碼)置于氣墊導(dǎo)軌上,輕推滑塊P,當圖乙中的t1_(選填“”“”或“”)t2時,說明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平。(2)用游標卡尺測遮光條寬度d,測量結(jié)果如圖丙所示,則d_mm。(3)滑塊P用細線跨過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與鉤碼Q相連,鉤碼Q的質(zhì)量為m。將滑塊P由圖甲所示位置釋放,通過計算機得到的圖像如圖乙所示,若t1、t2和d已知,要驗證滑塊P和鉤碼Q組成的系統(tǒng)機械能是否守恒,還應(yīng)測出_(寫出物理量的名稱及符號)。(4)若滿足關(guān)系式_,則表明在實驗過程中,滑塊P和鉤碼Q組成的系統(tǒng)機械能守恒。三步化“新”為“熟”1分析實驗?zāi)康模候炞C機械能守恒定律。2確定實驗原理:滑塊P在重物Q拖拽下加速運動,Q減小的重力勢能轉(zhuǎn)化為P、Q兩者的動能。3制定數(shù)據(jù)處理方案:測出滑塊P先后通過A、B光電傳感器的速度,由此計算P、Q兩者增加的動能,并把它跟Q在該過程減少的重力勢能進行比較,A、B之間的距離就是Q相應(yīng)下降的高度。解析(1)實驗前,接通氣源,將滑塊P(不掛鉤碼)置于氣墊導(dǎo)軌上,輕推滑塊P,當題圖乙中的t1t2時,可知滑塊P已經(jīng)勻速運動,說明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平。(2)遮光條的寬度d5 mm00.1 mm5.0 mm。(3)滑塊P經(jīng)過兩個光電傳感器A、B的速度分別為和,鉤碼Q重力勢能的減少量為mgL,故要驗證系統(tǒng)機械能是否守恒的關(guān)系式是mgL(mM)2(mM)2,故還應(yīng)測出滑塊P質(zhì)量M和兩光電傳感器A、B間距離L。(4)若滿足關(guān)系式mgL(mM)2(mM)2,則表明在實驗過程中,滑塊P和鉤碼Q組成的系統(tǒng)機械能守恒。答案(1)(2)5.0(3)滑塊P質(zhì)量M和兩光電傳感器A、B間距離L(4)mgL(mM)2(mM)2創(chuàng)新角度歸納實驗原理的創(chuàng)新(1)利用機械能守恒定律求解彈簧彈性勢能(2)由平拋運動測量球的初速度(3)利用平拋位移s彈簧壓縮量x圖線處理數(shù)據(jù)(1)利用鋼球擺動來驗證機械能守恒定律(2)利用光電門測定擺球的瞬時速度實驗器材的創(chuàng)新(1)小球在重力作用下做豎直上拋運動(2)利用頻閃照片獲取實驗數(shù)據(jù)實驗過程的創(chuàng)新(1)用光電門測定小球下落到B點的速度(2)結(jié)合H圖像判斷小球下落過程中機械能守恒(3)分析實驗誤差EpEk隨H變化的規(guī)律(1)利用系統(tǒng)機械能守恒代替單個物體的機械能守恒(2)利用光電門測定滑塊的瞬時速度- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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