（全国通用）2020版高考物理一轮复习 第五章 微专题44 实验：验证机械能守恒定律加练半小时（含解析）

实验：验证机械能守恒定律方法点拨要明确“谁”在“哪个过程”中机械能守恒，列出守恒方程，明确要测量的物理量.1.某课外活动小组利用竖直上抛运动“验证机械能守恒定律”：(1)某同学用20分度游标卡尺测量小球的直径，读数如图1甲所示，小球直径为_cm.用图乙所示的弹射装置将小球竖直向上抛出，先后通过光电门A、B，计时装置测出小球通过A、B的时间分别为2.55ms、5.15ms，由此可知小球通过光电门A、B时的速度分别为vA、vB，其中vA_m/s.图1(2)用刻度尺测出光电门A、B间的距离h，已知当地的重力加速度为g，只需比较_与_是否相等就可以验证机械能是否守恒(用题目中涉及的物理量符号来表示).(3)通过多次的实验发现，小球通过光电门A的时间越短，(2)中要验证的两数值差别越大，试分析实验中产生误差的主要原因是_.2.某同学用如图2所示的装置验证机械能守恒定律.一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方.在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条.将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v作为钢球经过A点时的速度.记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小Ep与动能变化大小Ek，就能验证机械能是否守恒.图2(1)用Epmgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到_之间的竖直距离A.钢球在A点时的顶端B.钢球在A点时的球心C.钢球在A点时的底端(2)用Ekmv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图3所示，其读数为_cm.某次测量中，计时器的示数为0.0100s，则钢球的速度为v_m/s.图3(3)下表为该同学的实验结果：Ep/(102J)4.8929.78614.6915.5929.38Ek/(102J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的Ep与Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点？请说明理由._(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议._3.为了“验证机械能守恒定律”，某研究性学习小组的同学利用透明直尺和光电计时器设计了一套实验装置，如图4所示.当有不透光物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间，所用的光电门传感器可测的最短时间为0.01ms.将具有很好挡光效果的宽度为d3.8103m的黑色磁带水平贴在透明直尺上.实验时，将直尺从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门.某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间ti与图中所示的高度差hi，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示(表格中M为直尺质量，g取9.8m/s2).图4ti(103s)vi(ms1)EkiMvi2Mv12hi(m)Mghi11.213.1321.153.310.58M0.060.58M31.003.782.24M0.232.25M40.954.003.10M0.323.14M50.904.224.01M0.41(1)从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用vi求出的，请你简要分析该同学这样做的理由是_.(2)请将表格中的数据填写完整.(3)通过实验得出的结论是_.(4)根据该实验，下列Ekh图象中正确的是_.答案精析1.(1)1.0204.0(2)gh(3)小球上升过程中受到空气阻力的作用，速度越大，所受阻力越大解析(1)根据游标卡尺读数原理知题图甲所示的小球直径为d10mm0.054mm1.020cm.由于小球通过光电门的时间很短，可以用通过光电门的平均速度代替瞬时速度，由速度定义可知，vAm/s4.0m/s.(2)小球从A到B，重力势能增加mgh，动能减少mvA2mvB2，则要验证机械能是否守恒，只需比较gh与是否相等即可.(3)小球通过光电门A的时间越短，说明小球速度越大.(2)中要验证的两数值差越大，说明机械能损失越大，克服空气阻力做功越大，阻力越大，这说明小球上升过程中受到空气阻力的作用，速度越大，所受阻力越大.2.(1)B(2)1.50(1.491.51均可)1.50(1.491.51均可)(3)不同意，因为空气阻力会造成Ek小于Ep，但表中Ek大于Ep.(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算Ek时，将v折算成钢球的速度vv.解析(2)读数时要注意最小分度值是1毫米，要估读到最小分度值的下一位，速度v1.50m/s.(3)因为空气阻力会使动能的增加量Ek小于重力势能的减少量Ep，但表中Ek大于Ep，所以不同意他的观点.(4)据题图可看出，光电门计时器测量的是遮光条经过光电门的挡光时间，而此时遮光条经过光电门时的速度比小球的速度大，因为它们做的是以悬点为圆心的圆周运动，半径不等，所以速度不能等同，而这位同学误以为相同，从而给实验带来了系统误差.改进方法：根据它们运动的角速度相等，分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算Ek时，将v折算成钢球的速度vv.3.(1)瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度(2)4.02M(3)在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量(4)C5