2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第五章 第6課 實驗 驗證機(jī)械能守恒定律練習(xí)

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1、2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第五章 第6課 實驗 驗證機(jī)械能守恒定律練習(xí) 一、實驗?zāi)康? 驗證機(jī)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(yùn)動中，物體的重力勢能和動能互相轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)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，看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(jī)械能守恒定律． 2．速度的測量：做勻變速運(yùn)動的紙帶上某點的瞬時速度等于相鄰兩點之間的平均速度v1＝2t. 計算打第n個點速度的方法：測出第n個點與相鄰前后點間的距離sn和sn＋1，由公式vn＝或vn＝算出，如圖所示． 三、實驗

2、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)． 四、實驗步驟 1．安裝置：按圖所示將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，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3～5次實驗． 3．選紙帶：分兩種情況說明 (1)用mv＝mghn驗證時，應(yīng)選點跡清晰，且第1、2兩點間距離小于或接近2 mm的紙帶．若第1、2兩點間的距離大于2 mm，這是由于先釋放紙帶后接通電源造成的．這樣，

3、第1個點就不是運(yùn)動的起始點了，這樣的紙帶不能選． (2)用mv－mv＝mgΔh驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時，選擇適當(dāng)?shù)狞c為基準(zhǔn)點，這樣紙帶上打出的第1、2兩點間的距離是否大于2 mm就無關(guān)緊要了，所以只要后面的點跡清晰就可選用． 五、數(shù)據(jù)處理 1．測量計算． 在起始點標(biāo)上0，在以后各點依次標(biāo)上1、2、3…，用刻度尺測出對應(yīng)下落高度h1、h2、h3…. 利用公式vn＝計算出點1、點2、點3、…的瞬時速度v1、v2、v3…. 2．驗證守恒． 法一：利用起始點和第n點計算．代入ghn和v，如果在實驗誤差允許的條件下，ghn＝v，則機(jī)械能守恒． 法二：任取兩點計算． (1

4、)任取兩點A、B測出hAB，算出ghAB. (2)算出v－v的值． (3)在實驗誤差允許的條件下，如果ghAB＝v－v，則機(jī)械能守恒定律是正確的． 法三：圖象法．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)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機(jī)械能守恒． 六、注意事項 1．打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上，打點計時器平面與紙帶限位孔調(diào)整到豎直方向，以減小摩擦阻力． 2．重物要選用密度大、體積小的物體，這樣可以減小空氣阻力的影響，從而減小實驗誤差． 3．實驗中，

5、需保持提紙帶的手不動，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點計時器工作穩(wěn)定后，再松開紙帶． 4．速度不能用vn＝gtn或vn＝計算，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接測量，而不能用hn＝gt或hn＝計算得到． 七、誤差分析 1．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ΔEk稍小于重力勢能的減少量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，盡可能地減少阻力． 2．本實驗的另一個誤差來源于長度的測量，屬偶然誤差．減小誤差的辦法是測下落距離時都從0點量起，一次將各打點對應(yīng)的下落高度測量完．或者采用多次測量取平均值來減

6、小誤差． 　利用如圖所示裝置進(jìn)行“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗時，需要測量物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度v和下落高度h .某班同學(xué)利用實驗得到的紙帶，設(shè)計了以下四種測量方案，其中正確的是(D) A．用刻度尺測出物體下落的高度h，并測出下落時間t通過v＝gt計算出瞬時速度v B．用刻度尺測出物體下落的高度h，并通過v＝計算出瞬時速度v C．根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動時紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度v，并通過h＝計算出高度h D．用刻度尺測出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動時紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均

7、速度，測算出瞬時速度v 解析：在驗證機(jī)械能守恒定律的實驗中不能將物體下落的加速度看作g，只能把它當(dāng)作未知的定值，所以正確方案只有D項． 課時作業(yè) 1．在利用自由落體運(yùn)動驗證機(jī)械能守恒定律的實驗中，打點計時器的兩個限位孔不在同一豎直線上會使紙帶通過時受到較大阻力，這樣導(dǎo)致的實驗結(jié)果是A． A．mgh>mv2 B．mgh

8、的實驗，以下說法正確的是D． A．實驗中摩擦是不可避免的，因此紙帶越短越好，因為紙帶越短，克服摩擦力做的功就越少，誤差就越小 B．實驗時需稱出重錘的質(zhì)量 C．紙帶上第1、2兩點間距若不接近2 mm，則無論怎樣處理實驗數(shù)據(jù)，實驗誤差都一定較大 D．處理打點的紙帶時，可以直接利用打點計時器打出的實際點跡，而不必選取計數(shù)點 解析：紙帶過短，長度測量的相對誤差較大，選項A錯誤；由mv2＝mgh知，只需驗證v2＝gh即可，不必測量重錘質(zhì)量，選項B錯誤；對C選項中的紙帶，可選點跡清晰、距離合適的任兩點M、N，通過計算ΔEk＝mv－mv與mghMN比較，實驗誤差不一定大，選項C錯誤；自由落體運(yùn)動加

9、速度較大，除去1、2兩點，其他相鄰兩點間的距離均大于或遠(yuǎn)大于2 mm，用毫米刻度尺測量完全可以，不必選取計數(shù)點，選項D正確． 3．如圖甲是某實驗小組驗證鉤碼和滑塊組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實驗裝置，圖中的氣墊導(dǎo)軌被水平地固定在實驗臺上． (1)實驗中，用螺旋測微器測量遮光條的寬度d，測量結(jié)果如圖乙所示，則遮光條的寬度d＝__________________________mm. (2)實驗時將滑塊從圖示位置由靜止釋放，由光電計時器讀出遮光條通過光電門所用的時間Δt，鉤碼的質(zhì)量m已用天平測得，為了驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒，在本次實驗中還需要測量的物理量有_____________________

10、_______________________________________ ____________________________(文字說明并用相應(yīng)的字母表示)． (3)在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，本實驗驗證機(jī)械能守恒的關(guān)系式是______________________(用測量的物理量符號表示)． 解析：(1)d＝3.5 mm＋19.5×0.01 mm＝3.695 mm. (2)驗證鉤碼和滑塊組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒，計算減少的重力勢能時需用到滑塊由靜止運(yùn)動到光電門的位移x，計算增加的動能時需用到滑塊的質(zhì)量M. (3)滑塊經(jīng)過光電門時的速度v＝，上述過程中滑塊和鉤碼系統(tǒng)增加的動能ΔE

11、k＝(M＋m)v2＝，減少的重力勢能ΔEp＝mgx.如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)ΔEp＝ΔEk，即mgx＝，則驗證了機(jī)械能守恒定律． 答案：(1)3.695　(2)滑塊的質(zhì)量M，滑塊由靜止運(yùn)動到光電門的位移x　(3)mgx＝ 4．利用氣墊導(dǎo)軌裝置驗證機(jī)械能守恒定律時，先把導(dǎo)軌調(diào)成水平，然后按如圖所示的方式，用墊塊把導(dǎo)軌一端墊高H，質(zhì)量為m的滑塊上安裝寬度d＝3.0 cm的遮光板．使滑塊由軌道上端任一處滑下，測出它通過光電門G1和G2時的速度v1和v2，就可以算出它由G1到G2這段過程中動能的增加量ΔEk＝m(v－v)，再算出重力勢能的減少量ΔEp＝mgh，比較ΔEk與ΔEp的大小，便可驗證機(jī)

12、械能是否守恒．圖中H、L、s均已事先設(shè)定，滑塊通過兩個光電門所用時間分別為Δt1和Δt2. (1)滑塊速度v1、v2的表達(dá)式分別為v1＝______、v2＝______，滑塊通過G1、G2時的高度差h的表達(dá)式h＝______． (2)若測得圖中L＝1.0 m，s＝0.50 m，H＝20 cm，m＝500 g，滑塊通過G1和G2的時間分別為5.0×10－2 s和2.0×10－2 s，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝9.80 m/s2，則動能增加量ΔEk＝________，重力勢能減少量ΔEp＝________(以上兩空保留三位有效數(shù)字)，由此得到的實驗結(jié)論是______________________

13、___. 解析：(1)由于擋光板寬度d＝3.0 cm很小，而滑塊通過光電門的時間極短，故可以認(rèn)為滑塊通過兩光電門時的平均速度就等于通過G1和G2兩位置的瞬時速度，即v1＝，v2＝；由導(dǎo)軌的傾角sin α＝＝，可得h＝ssin α＝ . (2)v1＝＝＝0.60 m/s，v2＝＝＝1.50 m/s，高度差h＝＝×0.50 m＝0.10 m．動能增加量ΔEk＝m(v－v)＝0.473 J，重力勢能減少量ΔEp＝mgh＝0.490 J；實驗結(jié)論為：在誤差允許范圍內(nèi)，滑塊下滑過程中機(jī)械能守恒． 答案：(1)　　 　(2)0.473 J　0.490 J　在誤差允許范圍內(nèi)，滑塊下滑過程中機(jī)械能守恒

14、 5．在用自由落體運(yùn)動驗證機(jī)械能守恒定律時，某同學(xué)按照正確的操作得到如圖所示的紙帶，其中O是起始點，A、B、C是由頻率為50 Hz的打點計時器連續(xù)打下的3個點．該同學(xué)用毫米刻度尺測量O到A、B、C各點的距離，并記錄在圖中(單位：cm)． (1)這三個數(shù)據(jù)中不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是____________(填“OA”“OB”或“OC”)段，應(yīng)記作______cm. (2)甲同學(xué)用質(zhì)量為1 kg的重錘在OB段的運(yùn)動來驗證機(jī)械能守恒定律，已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2，他用AC段的平均速度作為B點處的瞬時速度，則OB段重錘重力勢能的減少量為________，而動能的增加量為__

15、______(以上兩空保留三位有效數(shù)字)．這樣驗證的系統(tǒng)誤差總是使重力勢能的減少量______(填“大于”“小于”或“等于”)動能的增加量． (3)乙同學(xué)根據(jù)同一條紙帶的同一組數(shù)據(jù)，也用重錘在OB段的運(yùn)動來驗證機(jī)械能守恒，將打點計時器打下的第一個點O記為第1個點，圖中的B是打點計時器打下的第9個點．因此他用vB＝gt計算B點的瞬時速度，得到動能的增加量，這樣驗證時的系統(tǒng)誤差總是使重力勢能的減少量________(填“大于”“小于”或“等于”)動能的增加量，原因是____________________. (4)丙同學(xué)根據(jù)同一條紙帶上測量出的數(shù)據(jù)，算出A、B之間的距離以及B、C之間的距離，利

16、用公式a＝算出紙帶下落時的重力加速度a，并把這個加速度當(dāng)作當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嬎愠鲋亓菽艿臏p少量；同時用AC段的平均速度作為B點的瞬時速度從而算出動能的增加量，這樣驗證時的系統(tǒng)誤差總是使重力勢能的減少量______(填“大于”“小于”或“等于”)動能的增加量，原因是______________________________________． 解析：(1)按照有效數(shù)字要估讀一位的要求，OC段的讀數(shù)應(yīng)為15.70 cm. (2)重錘重力勢能的減少量ΔEp＝mghOB＝1.22 J，動能的增加量ΔEk＝mv＝1.20 J，從計算結(jié)果可以看出重力勢能的減少量大于動能的增加量，因為有一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)

17、化為內(nèi)能了． (3)由于重錘下落過程中受到阻力，打下B點時重錘的速度小于根據(jù)v＝gt計算出來的速度，故系統(tǒng)誤差總是使重力勢能的減少量小于動能的增加量． (4)下落時的重力加速度a是按實際運(yùn)動計算的，v也是按照實際的運(yùn)動規(guī)律計算的，只要紙帶做勻加速直線運(yùn)動，mah＝mv2總成立． 答案：(1)OC　15.70　(2)1.22 J　1.20 J　大于　(3)小于　略　(4)等于　略 6．“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗可以采用如圖所示的甲或乙方案來進(jìn)行． (1)兩種方案中，較理想的是____(填“甲”或“乙”)方案； (2)如圖是實驗中得到的一條紙帶，圖中所標(biāo)的數(shù)據(jù)是相鄰兩個計數(shù)點間的距離，已知每相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔T＝0.1 s，則B點對應(yīng)物體的速度vB＝______m/s，D點對應(yīng)物體的速度vD＝______m/s； (3)經(jīng)分析該紙帶是采用____(填“甲”或“乙”)實驗方案得到的． 解析：(1)物體只受重力作用或阻力可忽略不計時，物體的機(jī)械能守恒，乙圖方案中物體受到的阻力比較大，所以方案甲比較理想． (2)vB＝＝ m/s＝0.95 m/s，vD＝＝ m/s＝1.91 m/s. (3)根據(jù)紙帶求出物體的加速度a＝＝4.8 m/s2，該加速度遠(yuǎn)小于重力加速度，顯然是由乙方案得到的． 答案：(1)甲　(2)0.95　1.91　(3)乙