2020高考物理一轮复习 第五章 实验六 验证机械能守恒定律学案（含解析）.doc

验证机械能守恒定律主干梳理 对点激活验证机械能守恒定律。1在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律。2速度的测量：做匀变速直线运动的物体某段位移中间时刻的瞬时速度等于这段位移之间的平均速度。计算打第n点速度的方法：测出第n点与相邻前后点间的距离xn和xn1，由公式vn计算，或测出第n1点和第n1点与起始点的距离hn1和hn1，由公式vn算出，如图所示。铁架台(含铁夹)，打点计时器，学生电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物(带纸带夹)。1安装置：如图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。2打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做35次实验。3选纸带：分两种情况说明(1)用mvmghn验证时，应选点迹清晰，且第1、2两点间距离接近2 mm的纸带。若第1、2两点间的距离大于2 mm，则可能是由于先释放纸带后接通电源造成的。这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选。(2)用mvmvmgh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时不必从起始点开始计算势能的大小，这样，纸带上打出的起始点O后的第一个0.02 s内的位移是否接近2 mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了，实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用来验证机械能守恒定律。1测量计算在起始点标上0，在以后各计数点依次标上1、2、3，用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3。利用公式vn计算出点1、点2、点3的瞬时速度v1、v2、v3。2验证守恒方法一：利用起始点和第n点计算。计算ghn和v，如果在实验误差允许的条件下，ghnv，则验证了机械能守恒定律。(此方法要求所选纸带必须点迹清晰且第1、2两点间距离接近2 mm)方法二：任取两点计算。任取两点A、B测出hAB，算出ghAB。算出vv的值。在实验误差允许的范围内，如果ghABvv，则验证了机械能守恒定律。方法三：图象法。从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2h 图线。若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。1系统误差：本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量Ek稍小于重力势能的减少量Ep，即Ekm2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。(1)若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有_。A物块的质量m1、m2B物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间C物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间D绳子的长度(2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：A绳的质量要轻B在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好C尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃D两个物块的质量之差要尽可能大以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_。(3)在数据的处理过程中，A、B物块的势能减小总是大于A、B物块的动能增加，导致这一结果的原因除有空气阻力和摩擦阻力外，还有可能的原因是_。(4)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：_。尝试解答(1)AB(或AC)_(2)AC_(3)没有考虑滑轮动能的增加_(4)对同一高度进行多次测量取平均值(或选取受力后相对伸长尽量小的绳等)。(1)通过连接在一起的A、B两物块验证机械能守恒定律，即验证系统的势能变化大小与动能变化大小是否相等，A、B连接在一起，A下降的距离一定等于B上升的距离；A、B的速度大小总是相等的，故不需要测量绳子的长度，需要测量两物块的质量，以及物块A下落的距离以及下落这段距离所用的时间，或物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间，故选A、B或A、C均可以。(2)如果绳子较重，系统的重力势能就会有一部分转化为绳子的动能，造成实验误差；绳子不宜太长，越长，形变对实验的影响越大；物块末速度v是根据匀变速直线运动求出的，故要保证物块在竖直方向运动；m1、m2相差较大，整体运动的速度较大，则对时间的测量误差就会较大；则提高实验结果准确程度的做法选A、C。(3)在数据的处理过程中，A、B物块的势能减小总是大于A、B物块的动能增加，导致这一结果的原因除有空气阻力和摩擦阻力外，还有可能的原因是没有考虑滑轮动能的增加。(4)减小误差的建议：对同一高度进行多次测量取平均值；选取受力后相对伸长尽量小的绳等。变式2(2018石家庄质检一)用如图甲实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个打下的点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示，打点频率为50 Hz。已知m150 g、m2150 g，则(计算结果保留两位有效数字)：(1)在纸带上打下计数点5时的速度v_ m/s。(2)在打计数点05过程中系统动能的增量Ek_ J。为了简化计算，设g9.8 m/s2，则系统势能的减少量Ep_ J。(3)实验结果显示EpEk，那么造成这一现象的主要原因是_。(4)在本实验中，若某同学作出了v2h图象，如图丙，h为从起点量起的长度，则据此得到当地的重力加速度g_ m/s2。答案(1)2.4(2)0.580.59(3)阻力造成的机械能损失(4)9.7解析(1)在纸带上打下计数点5时的速度v m/s2.4 m/s。(2)打点05过程中系统动能的增加量Ek(m1m2)v20.22.42 J0.58 J；系统重力势能的减少量Ep(m2m1)gh0.19.8(21.6038.40)102 J0.59 J。(3)由于存在空气阻力和摩擦阻力，导致机械能减小，EpEk。(4)根据系统机械能守恒得(m2m1)gh(m1m2)v2，解得gh，图象斜率kg m/s2，解得g9.7 m/s2。考点3实验创新例3(2018郑州质检)如图甲所示，一同学利用光电计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为H(Hd)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则：(1)如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径d_ mm。(2)多次改变H，重复上述实验，作出H随的变化图象如图丙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式_时，可判断小球下落过程中机械能守恒。(3)实验中，因受空气阻力影响，小球动能增加量Ek，总是稍小于重力势能减少量Ep，适当降低下落高度后，则EpEk将_(选填“增加”“减小”或“不变”)。尝试解答(1)7.25(2)H0(或2gH0td2)(3)减小。(1)由题图乙可知，游标卡尺的读数为7 mm50.05 mm7.25 mm。(2)若小球减小的重力势能等于增加的动能，可以认为小球的机械能守恒，则有mgHmv2，即2gH02，整理得H0。(3)由于该过程中有空气阻力做功，而高度越高，空气阻力做功越多，故适当减小下降高度后，EpEk将减小。变式3(2018东北三省三校模拟)某实验小组要用如下图所示的装置验证机械能守恒定律。他们先将气垫导轨水平放置，然后把遮光条固定在滑块上并把滑块放在气垫导轨的右端，在气垫导轨上安装一个光电门B，滑块用绕过气垫导轨左端定滑轮的细线与钩码相连，滑块每次都从A处由静止释放。(1)该小组用游标卡尺测量遮光条的宽度d，由图可知d_ cm。(2)为了完成本实验，除已知遮光条宽度d、A处与光电门B间距离L、遮光时间t、重力加速度g外，还需要知道的物理量有_。(3)请用(2)问中的物理量写出验证机械能守恒定律的表达式：_。答案(1)1.160(2)钩码质量m，滑块和遮光条质量M(3)mgL(mM)2解析(1)游标卡尺读数d1.1 cm0.05 mm121.160 cm。(2)设钩码质量为m，滑块和遮光条质量为M，钩码重力做功使系统动能增加，则应该有mgL(mM)v2, 由题知v，L已知，还需要知道M、m。(3)由(2)得：mgL(mM)2。高考模拟 随堂集训1(2017天津高考)如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是_。A重物选用质量和密度较大的金属锤B两限位孔在同一竖直面内上下对正C精确测量出重物的质量D用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有_。AOA、AD和EG的长度 BOC、BC和CD的长度CBD、CF和EG的长度 DAC、BD和EG的长度答案(1)AB(2)BC解析(1)验证机械能守恒定律时，为降低空气阻力的影响，重物的质量和密度要大，A正确；为减小纸带与打点计时器间的摩擦，两限位孔要在同一竖直平面内上下对正，B正确；验证机械能守恒定律的表达式为mghmv2，两边质量m会约去，故重物的质量没必要测量，C错误；此做法对减小实验误差无影响，D错误。(2)利用纸带数据，根据mghmv2即可验证机械能守恒定律。要从纸带上测出重物下落的高度并计算出对应的速度，选项A、D的条件中，下落高度与所能计算的速度不对应；选项B的条件符合要求，可以取重物下落OC的过程；选项C中，可以求出打C、F点的瞬时速度，又知CF间的距离，可以利用mvmvmgh验证机械能守恒定律。2(2016全国卷)某同学用图a所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打出纸带的一部分如图b所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图b中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。(2)已测得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当地重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为_ Hz。答案(1)(s1s2)f(s2s3)f(s3s1)f2(2)40解析(1)匀变速直线运动中，某一段位移的平均速度等于这段位移所对应的中间时刻的瞬时速度：vB(s1s2)f，同理vC(s2s3)f，加速度a(s3s1)f2。(2)由牛顿第二定律可知：mg0.01mgmaa0.99g又由(1)问知：a联立得f40 Hz。3(2016北京高考)利用图1装置做“验证机械能守恒定律”实验。(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的_。A动能变化量与势能变化量B速度变化量和势能变化量C速度变化量和高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是_。A交流电源 B刻度尺 C天平(含砝码)(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图2所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量Ep_，动能变化量Ek_。(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是_。A利用公式vgt计算重物速度B利用公式v计算重物速度C存在空气阻力和摩擦阻力的影响D没有采用多次实验取平均值的方法(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2h图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。答案(1)A(2)AB(3)mghBm2(4)C(5)见解析解析(1)如果机械能守恒，则只有动能和势能相互转化，所以本实验需要比较重物下落过程中任意两点的动能变化量与势能变化量，A正确。(2)电磁打点计时器需要交流电源，数据处理时需要利用刻度尺测量纸带上的距离，A、B正确；本实验不需要测量重物的质量，所以不需要天平。(3)从O点到B点，重力势能的变化为Ep0mghBmghB，因起始点的速度为零，所以动能的变化量等于B点的动能，B点的速度为v，则动能变化量为Ekmv2m2。(4)由于实验中存在空气阻力和摩擦阻力，重力势能的减少量等于动能的增加量及摩擦产生的热量之和，所以动能的增加量小于重力势能的减少量，C正确。(5)该同学的判断依据不正确。在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据mghfhmv20，v22h，可知v2h图象就是过原点的一条直线。要想通过画v2h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g。4(2016江苏高考)某同学用如图1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。(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2所示，其读数为_ cm。某次测量中，计时器的示数为0.0100 s，则钢球的速度为v_ m/s。(3)下表为该同学的实验结果：Ep(102 J)4.8929.78614.6919.5929.38Ek(102 J)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。答案(1)B(2)1.50(1.491.51都算对)1.50(1.491.51都算对，但要与上空数值相同)(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(1)要计算钢球重力势能的改变量大小，需要测量钢球球心下降的高度h，因此要测量钢球在释放点和A点时球心之间的竖直距离，B正确。(2)刻度尺的读数为1.50 cm，钢球的速度v m/s1.50 m/s。(3)由动能定理可知，mghWfEk，即EpWfEk，EpEk，所以空气阻力会造成EpEk，但表中为EkEp，因此不同意他的观点。(4)钢球球心和遮光条都绕悬点做圆周运动，但运动半径不同，因此分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，遮光条在光电门处的速度v，则钢球的速度vl，利用Ekmv2可以减小表中差异。5(2019安徽省示范高中考试)某同学利用如图甲所示装置测量弹簧的弹性势能Ep和滑块与桌面间的动摩擦因数。实验步骤如下：用重垂线确定桌面右边沿在水平地面投影的位置O；将轻弹簧一端固定在桌面左边沿的墙面上；用滑块(可视为质点)把弹簧压缩到P点，释放滑块，测出滑块落地点与O点的水平距离x；通过在滑块上增减砝码来改变滑块的质量，重复步骤的操作；根据得到的一系列的滑块质量m与水平距离x的值，作出x2图象，如图乙所示。回答下列问题：(1)为达到实验目的，除已经测出的滑块质量和滑块落地点与O点的水平距离x，还需要测量_。A弹簧的原长L0B弹簧压缩后滑块到桌面右边沿的距离LC桌面到地面的高度HD弹簧压缩前滑块到桌面右边沿的距离L1(2)若当地的重力加速度为g，根据图乙可知弹簧被压缩到P点时的弹性势能为_，滑块与桌面间的动摩擦因数为_。(用图象中的a、b和(1)中所选物理量的符号表示结果)答案(1)BC(2)解析根据实验原理可知，要测量滑块从桌面右边沿飞出时滑块的动能，即求滑块飞出时的速度，则需要测量桌面到地面的高度H；要测量滑块与桌面间动摩擦因数和弹簧的弹性势能，需要测量弹簧压缩后滑块到桌面右边沿的距离L。根据能量守恒定律有EpmgLmv，滑块离开桌面后做平抛运动，水平方向xv0t，竖直方向Hgt2，联立可得x24HL，由题图乙可知，4HLb，解得Ep，。