(全國版)高考物理一輪復(fù)習(xí)課時練習(xí)必修2 第五章 實驗六 (含解析)

實驗六驗證機械能守恒定律一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)(1)安裝：打點計時器豎直安裝；紙帶沿豎直方向拉直(2)重物：選密度大、質(zhì)量大的金屬塊，且靠近計時器處釋放(3)打紙帶：讓重物自由下落，紙帶上打下一系列小點(4)速度：應(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt計算二、數(shù)據(jù)處理1．方案一：利用起始點和第n點計算：驗證ghn＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)2．方案二：任取較遠兩點A、B：驗證ghAB＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)3．方案三：圖象法，描繪出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖線誤差分析(1)減小測量誤差：一是測下落距離時都從O點量起，一次將各打點對應(yīng)下落高度測量完，二是多測幾次取平均值。(2)誤差來源：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)必定稍小于重力勢能的減少量ΔEp＝mghn，改進辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力。熱點一教材原型實驗命題角度實驗原理與操作【例1】在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的實驗中，電源的頻率為50Hz，依次打出的點為0、1、2、3、4…n。則：圖1(1)如用第2點到第6點之間的紙帶來驗證，必須直接測量的物理量為__________________、______________________、_________________________，必須計算出的物理量為________________________、________________________，驗證的表達式為________________________________。(2)下列實驗步驟操作合理的排列順序是__________(填寫步驟前面的字母)。A．將打點計時器豎直安裝在鐵架臺上B．接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落C．取下紙帶，更換新紙帶(或?qū)⒓垘Х瓊€面)重新做實驗D．將重物固定在紙帶的一端，讓紙帶穿過打點計時器，用手提著紙帶E．選擇打點清晰和1、2兩點距離接近2mm的一條紙帶，用刻度尺測出物體下落的高度h1、h2、h3…h(huán)n，計算出對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3…vnF．分別算出eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)和mghn，在實驗誤差范圍內(nèi)看是否相等解析(1)要驗證從第2點到第6點之間的紙帶對應(yīng)重物的運動過程中機械能守恒，應(yīng)測出第2點到第6點的距離h26，要計算第2點和第6點的速度v2和v6，必須測出第1點到第3點之間的距離h13和第5點到第7點之間的距離h57，機械能守恒的表達式為mgh26＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,6)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)，即gh26＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,6)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,2)。(2)實驗操作順序為ADBCEF。答案(1)第2點到第6點之間的距離h26第1點到第3點之間的距離h13第5點到第7點之間的距離h57第2點的瞬時速度v2第6點的瞬時速度v6gh26＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,6)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,2)(2)ADBCEF命題角度數(shù)據(jù)處理及誤差分析【例2】物理興趣小組的同學(xué)用圖2甲所示的裝置驗證機械能守恒定律，電源的頻率為50Hz，重錘的質(zhì)量為m＝1.0kg，重力加速度g＝9.8m/s2，他們通過正確的實驗操作得到了如圖乙所示的紙帶。為了驗證機械能是否守恒，該小組同學(xué)采用了以下兩種方法。圖2(1)方法一：打點計時器打下計時點5時重錘的瞬時速度為__________m/s，在打點計時器打下計時點0和5的過程中，重錘重力勢能的變化量為ΔEp＝__________J，重錘動能的變化量為ΔEk＝__________J，若它們近似相等，則可知重錘的機械能守恒。(2)方法二：打點計時器打下計時點2時重錘的瞬時速度為__________m/s，在打點計時器打下計時點2和5的過程中，重錘重力勢能的變化量為ΔEp′＝__________J，重錘動能的變化量為ΔEk′＝__________J，若它們近似相等，則可知重錘的機械能守恒。(3)以上兩種方法，你認(rèn)為__________(選填“方法一”或“方法二”)誤差小。解析(1)根據(jù)勻變速直線運動中某段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度可得打點計時器打下計時點5時重錘下落的速度v5＝eq\f(h6－h(huán)4,2T)＝1.155m/s，則在打點計時器打下計時點0和5的過程中，重錘重力勢能的變化量ΔEp＝mgh5＝0.659J，動能的變化量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,5)＝0.667J。(2)v2＝eq\f(h3－h(huán)1,2T)＝0.575m/s，ΔEp′＝mg(h5－h(huán)2)＝0.508J，ΔEk′＝eq\f(1,2)m(veq\o\al(2,5)－veq\o\al(2,2))＝0.502J。(3)重錘剛下落的時候運動狀態(tài)不穩(wěn)定；方法二避開了剛開始的一段紙帶，故方法二誤差比較小。答案(1)1.1550.6590.667(2)0.5750.5080．502(3)方法二熱點二實驗拓展創(chuàng)新命題角度用光電門測速法驗證機械能守恒定律【例3】某同學(xué)利用如圖3所示的氣墊導(dǎo)軌裝置驗證機械能守恒定律。在氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩個光電門1、2，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過定滑輪與鉤碼相連。圖3(1)實驗時要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌使氣墊導(dǎo)軌水平。不掛鉤碼和細(xì)線，接通氣源，輕推滑塊，使滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運動，如果滑塊__________________，則表示氣墊導(dǎo)軌已調(diào)整至水平狀態(tài)。(2)不掛鉤碼和細(xì)線，接通氣源，滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運動的過程中，發(fā)現(xiàn)滑塊通過光電門1的時間小于通過光電門2的時間。實施下列措施能夠達到實驗?zāi)繕?biāo)的是__________。A．調(diào)節(jié)P使軌道左端升高一些B．調(diào)節(jié)Q使軌道右端降低一些C．遮光條的寬度應(yīng)適當(dāng)大一些D．滑塊的質(zhì)量增大一些E．氣源的供氣量增大一些(3)實驗時，測出光電門1、2間的距離L，遮光條的寬度d，滑塊和遮光條的總質(zhì)量M，鉤碼質(zhì)量m。由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門1、2的時間t1、t2，則系統(tǒng)機械能守恒成立的表達式是_______________________________________。解析(1)實驗時要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌使氣墊導(dǎo)軌水平。不掛鉤碼和細(xì)線，接通氣源，輕推滑塊使滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運動，如果滑塊經(jīng)兩個光電門的時間相等，則表示氣墊導(dǎo)軌調(diào)整至水平狀態(tài)。(2)不掛鉤碼和細(xì)線，接通氣源，滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運動的過程中，發(fā)現(xiàn)滑塊通過光電門1的時間小于通過光電門2的時間。說明滑塊做加速運動，也就是左端低，右端高。所以能夠達到實驗?zāi)康牡拇胧┦钦{(diào)節(jié)P使軌道左端升高一些或調(diào)節(jié)Q使軌道右端降低一些。故選項A、B正確。(3)滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過光電門的平均速度?；瑝K從光電門2運動到光電門1的過程中，鉤碼的重力勢能減少了mgL，系統(tǒng)動能增加了eq\f(1,2)(m＋M)(eq\f(d,t1))2－eq\f(1,2)(m＋M)(eq\f(d,t2))2，則系統(tǒng)機械能守恒成立的表達式是mgL＝eq\f(1,2)(m＋M)(eq\f(d,t1))2－eq\f(1,2)(m＋M)(eq\f(d,t2))2。答案(1)經(jīng)兩個光電門的時間相等(2)AB(3)mgL＝eq\f(1,2)(m＋M)(eq\f(d,t1))2－eq\f(1,2)(m＋M)(eq\f(d,t2))2命題角度利用圓周運動和平拋運動驗證機械能守恒定律【例4】某同學(xué)利用如圖4甲所示的裝置驗證機械能守恒定律，其中是四分之一圓弧軌道，O點為圓心，半徑為L，圓弧的最低點A與水平面之間的距離為H。實驗時將一可看作質(zhì)點的小球從圓弧上某點由靜止釋放，量出此時小球與圓心連線偏離豎直方向的角度θ。當(dāng)小球滑到圓弧最低點A時將水平拋出，用刻度尺測出小球平拋的水平距離s。忽略所有摩擦，試分析下列問題：圖4(1)小球在A點時的水平速度為v＝__________(用題給字母表示)；(2)保持其他條件不變，只改變θ角，得到不同的s值，以s2為縱坐標(biāo)，以cosθ為橫坐標(biāo)作圖，如圖乙中的圖線a所示。另一同學(xué)重復(fù)此實驗，得到的s2－cosθ圖線如圖乙中的圖線b所示，兩圖線不重合的原因可能是___________________________________________________________________。A．兩同學(xué)選擇的小球質(zhì)量不同B．圓弧軌道的半徑L不同C．圓弧的最低點A與水平面之間的距離不同解析(1)小球從A點拋出后做平拋運動，設(shè)小球做平拋運動的時間為t，由H＝eq\f(1,2)gt2，s＝vt得v＝eq\f(s,t)＝seq\r(\f(g,2H))。(2)設(shè)小球的質(zhì)量為m，若小球的機械能守恒，則有eq\f(1,2)m(seq\r(\f(g,2H)))2＝mgL(1－cosθ)，整理得s2＝4HL－4HL·cosθ，由題圖乙可知，圖線b的斜率大，在縱軸上的截距大，可得A點與水平面之間的距離或圓弧軌道的半徑變大了，故選項B、C正確。答案(1)seq\r(\f(g,2H))(2)BC1．如圖5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。圖5(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)上下對齊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50Hz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6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________。圖6A．OA、AD和EG的長度B．OC、BC和CD的長度C．BD、CF和EG的長度D．AC、BD和EG的長度(3)該實驗小組想要測量出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。他們利用實驗得到的紙帶，設(shè)計了以下四種測量方案。A．用刻度尺測出重物下落的高度h，并測出下落時間t，通過v＝gt計算出瞬時速度v0B．用刻度尺測出重物下落的高度h，并通過v＝eq\r(2gh)計算出瞬時速度C．根據(jù)物體做勻變速直線運動時，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，計算出該點的瞬時速度，并通過計算得出高度hD．用刻度尺測出重物下落的高度h，根據(jù)物體做勻變速直線運動時，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，計算出瞬時速度v0以上方案中只有一種正確，正確的是________。(填入相應(yīng)的字母)解析(1)重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘，減小空氣阻力，以減小誤差，故選項A正確；兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對齊，減小紙帶和打點計時器之間的阻力，以減小誤差，故選項B正確；驗證機械能守恒定律的原理是：mgh＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)，重物質(zhì)量可以消掉，無需精確測量出重物的質(zhì)量，故選項C錯誤；用手拉穩(wěn)紙帶，而不是托住重物，接通電源后，撤手釋放紙帶，故選項D錯誤。(2)由EG的長度可求出打F點的速度v2，打O點的速度v1＝0，但求不出OF之間的距離h，故選項A錯誤；由BC和CD的長度可求出打C點的速度v2，打O點的速度v1＝0，有OC之間的距離h，可以來驗證機械能守恒定律，故選項B正確；由BD和EG的長度可分別求出打C點的速度v1和打F點的速度v2，有CF之間的距離h，可以來驗證機械能守恒定律，故選項C正確；AC、BD和EG的長度可分別求出打B、C、F三點的速度，但BC、CF、BF之間的距離都無法求出，無法驗證機械能守恒定律，故選項D錯誤。(3)不能用自由落體的公式再計算瞬時速度，A、B錯誤；重物下落的高度是用刻度尺測量的，不是計算的，選項C錯誤；D為驗證機械能守恒定律的實驗測量方案，是正確的。答案(1)AB(2)BC(3)D2．(2019·河北石家莊模擬)小明同學(xué)利用如圖7甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，其中紅外線發(fā)射器、接收器可記錄小球的擋光時間。小明同學(xué)進行了如下操作：圖7(1)用螺旋測微器測小球的直徑如圖乙所示，則小球的直徑為__________mm；(2)該小球質(zhì)量為m、直徑為d?，F(xiàn)使小球從紅外線的正上方的高度h處自由下落，記錄小球擋光時間t，已知重力加速度為g，則小球下落過程中動能增加量的表達式為__________；重力勢能減少量的表達式為__________(用所給字母表示)。(3)改變小球下落高度h，多次重復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)小球動能的增加量總是小于重力勢能的減少量，你認(rèn)為可能的原因是______________________________________(至少寫出一條)。解析(1)螺旋測微器的固定刻度為18.0mm，可動刻度為30.4×0.01mm＝0.304mm，所以最終讀數(shù)為18．0mm＋0.304mm＝18.304mm。(2)已知經(jīng)過光電門的時間內(nèi)的位移為小球的直徑，則可以由平均速度表示經(jīng)過光電門時的速度，所以v＝eq\f(d,t)，則小球下落過程中動能增加量的表達式為ΔEk＝eq\f(1,2)m(eq\f(d,t))2；重力勢能減少量的表達式為ΔEp＝mgh。(3)根據(jù)能量守恒定律分析，重力勢能的減少量ΔEp往往大于動能的增加量ΔEk的原因是阻力做負(fù)功。答案(1)18