高考物理總復(fù)習(xí)第5單元機(jī)械能實(shí)驗(yàn)7驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

實(shí)驗(yàn)七驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)課標(biāo)解讀

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展教師備用習(xí)題

課時(shí)鞏固訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)課標(biāo)解讀1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.2.實(shí)驗(yàn)原理:創(chuàng)設(shè)重物自由下落的過程為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)模型,在下落速度不太大的情況下,空氣阻力可以忽略,實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械能是守恒的.具體操作時(shí),在重物自由下落的軌跡上取兩個(gè)位置,測出重物在這兩個(gè)位置的動(dòng)能和勢能,計(jì)算這兩個(gè)位置的機(jī)械能,證明它們近似相等.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)例1[2021·杭州二中質(zhì)檢]用如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.通過電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落,下落過程中經(jīng)過光電門B時(shí),通過與之相連的毫秒計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)記錄下?lián)豕鈺r(shí)間t,測出A、B之間的距離h.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)整光電門位置使小球下落過程中球心通過光電門中的激光束,重力加速度為g.(1)為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,還需要測量下列物理量中的

(填選項(xiàng)前的字母).

A.A點(diǎn)與地面間的距離HB.小鐵球的質(zhì)量mC.小鐵球從A到B的下落時(shí)間tABD.小鐵球的直徑dD基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)[解析]根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知,需要測量的是A點(diǎn)到光電門中激光束的距離,故A錯(cuò)誤;根據(jù)機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式可知,方程兩邊可以約掉質(zhì)量,因此不需要測量質(zhì)量,故B錯(cuò)誤;利用小鐵球通過光電門的平均速度來代替瞬時(shí)速度,不需要測量下落時(shí)間,故C錯(cuò)誤;利用小鐵球通過光電門的平均速度來代替瞬時(shí)速度時(shí),需要知道擋光物體的尺寸,因此需要測量小鐵球的直徑,故D正確.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)變式

某同學(xué)安裝如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.如圖所示是該實(shí)驗(yàn)得到的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶,現(xiàn)要取A、B兩點(diǎn)來驗(yàn)證,已知電火花計(jì)時(shí)器每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn).請回答下列問題:(1)電火花計(jì)時(shí)器的工作電壓是

V.

220[解析]電火花計(jì)時(shí)器的工作電壓是220V.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)(2)若x2=4.80cm,則在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時(shí)重物的速度vB=

m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字).

1.20

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)(3)若x1數(shù)據(jù)也已測出,則實(shí)驗(yàn)還需測出的物理量為

.

A、B之間的距離[解析]要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,還要求出重力勢能的變化量,所以還要測出A、B之間的距離.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過關(guān)(4)經(jīng)過測量計(jì)算后,某同學(xué)畫出了如圖所示的E-h圖線,則圖中表示重物動(dòng)能隨重物高度變化的圖線為

(選填“圖線A”或“圖線B”).

圖線B[解析]根據(jù)機(jī)械能守恒定律,重物離地越高,重力勢能越大,則動(dòng)能越小,故動(dòng)能隨離地高度變化的圖線為圖線B.實(shí)驗(yàn)器材及裝置的替換

速度測量方法的改進(jìn)

測量紙帶上各點(diǎn)速度→由光電門計(jì)算速度實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新利用自由落體運(yùn)動(dòng)的閃光照片驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展例2

[2021·長郡中學(xué)模擬]某物理研究小組利用如圖所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.在鐵架臺上安裝有一電磁鐵(固定不動(dòng))和一光電門(可上下移動(dòng)),電磁鐵通電后將鋼球吸住,然后斷電,鋼球自由下落,并通過光電門,計(jì)時(shí)裝置可測出鋼球通過光電門的時(shí)間.

(1)用10分度的游標(biāo)卡尺測量鋼球的直徑,示數(shù)如圖所示,可知鋼球的直徑D=

cm.

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展0.96[解析]游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為0.9cm,游標(biāo)尺讀數(shù)為6×0.1mm=0.6mm,所以最終讀數(shù)為0.96cm.(2)多次改變光電門的位置,測量出光電門到電磁鐵下端的距離為h(h?D),并計(jì)算出鋼球經(jīng)過光電門時(shí)的速度v,若空氣阻力可以忽略不計(jì),則v2-h圖像正確的是圖中的

(填選項(xiàng)字母).

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展B

(3)鋼球通過光電門的平均速度

(選填“大于”或“小于”)鋼球球心通過光電門的瞬時(shí)速度.

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展小于[解析]根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律知,鋼球通過光電門的平均速度等于這個(gè)過程的中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度,所以鋼球通過光電門的平均速度小于鋼球球心通過光電門的瞬時(shí)速度.1.利用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究重物下落過程中重力勢能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化問題.(1)圖為一條符合實(shí)驗(yàn)要求的紙帶,O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一點(diǎn).分別測出若干連續(xù)點(diǎn)A、B、C……與

O點(diǎn)之間的距離h1、h2、h3…….已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T,重物質(zhì)量為m,重力加速度為g,可得打下B點(diǎn)時(shí)重物的速度大小為

.

教師備用習(xí)題

(2)取打下O點(diǎn)時(shí)重物的重力勢能為零,計(jì)算出該重物下落不同高度h時(shí)所對應(yīng)的動(dòng)能Ek和重力勢能Ep.建立坐標(biāo)系,橫軸表示h,縱軸表示Ek和Ep,根據(jù)以上數(shù)據(jù)在圖中繪出圖線Ⅰ和圖線Ⅱ.已求得圖線Ⅰ斜率的絕對值k1=2.94J/m,圖線Ⅱ的斜率k2=2.80J/m.重物和紙帶在下落過程中所受平均阻力與重物所受重力的比值為

(用k1和k2表示).

教師備用習(xí)題

2.用如圖所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.在高處固定電磁鐵,通電時(shí)吸住小鐵球(圖中未畫出電磁鐵),斷電后小鐵球由靜止開始下落,通過正下方的光電門.光電門可上下移動(dòng)但始終位于鐵球球心的正下方.(1)安裝并調(diào)整好器材.用游標(biāo)卡尺測量鐵球的三個(gè)互相垂直的直徑,取平均值為測量值d.其中某次測量的示數(shù)如圖所示,該示數(shù)為

cm.

教師備用習(xí)題1.020[解析]游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為10mm+4×0.05mm=10.20mm=1.020cm.(2)讓電磁鐵通電吸住小鐵球,測量并記錄球心到光電門的距離H.釋放小鐵球,記錄它通過光電門的時(shí)間t.(3)改變光電門位置,重復(fù)步驟(2)多次,得到多組H、t數(shù)據(jù),在坐標(biāo)圖中描點(diǎn)連線,得到如圖所示的直線,算出斜率k.若在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),k=

(用當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭、鐵球直徑d表示),則實(shí)驗(yàn)成功.

教師備用習(xí)題

3.某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖所示的裝置對輕質(zhì)彈簧的彈性勢能進(jìn)行探究.一輕質(zhì)彈簧放置在較光滑的水平桌面上,彈簧右端固定,左端與一小球接觸但不拴接;彈簧處于原長時(shí),小球恰好在桌面邊緣.向右推小球,使彈簧壓縮一段距離后由靜止釋放,小球離開桌面后落到鋪有白紙和復(fù)寫紙的水平地面上,通過測量和計(jì)算,可得到彈簧被壓縮后的彈性勢能.教師備用習(xí)題(1)為測得小球離開桌面時(shí)的動(dòng)能Ek,已知重力加速度g,下列物理量中需要測量的是

(填選項(xiàng)前的字母).

A.小球的質(zhì)量mB.小球拋出點(diǎn)到落地點(diǎn)的水平距離sC.桌面到地面的高度hD.彈簧的壓縮量x教師備用習(xí)題ABC

(2)用所選擇的測量量和已知量表示Ek,Ek=

.

教師備用習(xí)題

(3)若忽略桌面摩擦阻力的影響,則可認(rèn)為小球離開桌面時(shí)的動(dòng)能Ek等于彈簧被壓縮后的彈性勢能Ep.實(shí)驗(yàn)時(shí),測得小球質(zhì)量m=190.0g,桌面到地面的高度h=40.00cm.已知彈簧的勁度系數(shù)k=40N/m,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.8m/s2.某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出彈簧的彈性勢能Ep與彈簧的壓縮量的二次方x2關(guān)系的圖像,如圖所示.在Ep-x2圖像中,設(shè)圖像的斜率為β,由圖像可得Ep隨x2變化的表達(dá)式為

.根據(jù)功與能的關(guān)系可知,彈性勢能的表達(dá)式中可能包含x2這個(gè)因子;分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單位關(guān)系,與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是

.通過尋找這個(gè)物理量與β間的數(shù)值關(guān)系,可得到彈簧的彈性勢能的表達(dá)式為Ep=

.

教師備用習(xí)題Ep=βx2彈簧的勁度系數(shù)k

教師備用習(xí)題1.[2021·浙江6月選考]在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中,小王用如圖甲所示的裝置,讓重物從靜止開始下落,打出一條清晰的紙帶,其中的一部分如圖乙所示.O點(diǎn)是打下的第一個(gè)點(diǎn),A、B、C和D為另外4個(gè)連續(xù)打下的點(diǎn).(1)為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,對體積和形狀相同的重物,實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇密度大的理由是

.

課時(shí)鞏固訓(xùn)練阻力與重力之比更小(或其他合理解釋)[解析]在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,選擇的重物的密度應(yīng)適當(dāng)大一些,這樣阻力與重力之比更小.(2)已知交流電頻率為50Hz,重物質(zhì)量為200g,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.80m/s2,則從O點(diǎn)到C點(diǎn),重物的重力勢能變化量的絕對值|ΔEp|=

J,C點(diǎn)的動(dòng)能EkC=

J(計(jì)算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字).課時(shí)鞏固訓(xùn)練0.542~0.5500.570~0.590

比較EkC與|ΔEp|的大小,出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是

(單選).

A.工作電壓偏高B.存在空氣阻力和摩擦力C.接通電源前釋放了紙帶課時(shí)鞏固訓(xùn)練C[解析]電壓高低不會(huì)影響打點(diǎn)時(shí)間間隔,對實(shí)驗(yàn)不會(huì)造成影響,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;如果是存在空氣阻力和摩擦力,那么減少的重力勢能應(yīng)大于增加的動(dòng)能,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;如果接通電源前釋放了紙帶,則紙帶記錄的下落距離偏小,所以計(jì)算出減少的重力勢能比增加的動(dòng)能少,選項(xiàng)C正確.2.[2022·江蘇如東高中月考]在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中:(1)已提供了鐵架臺、夾子、導(dǎo)線、紙帶等器材.為完成此實(shí)驗(yàn),除了所給的器材,還需要從圖中選取的實(shí)驗(yàn)器材名稱是

.

課時(shí)鞏固訓(xùn)練電火花計(jì)時(shí)器和毫米刻度尺[解析]實(shí)驗(yàn)中還需要從圖中選取的實(shí)驗(yàn)器材名稱是電火花計(jì)時(shí)器和毫米刻度尺.(2)某同學(xué)按照正確操作選的紙帶如圖所示,其中O是起始點(diǎn),A、B、C是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連續(xù)打下的3個(gè)點(diǎn),打點(diǎn)頻率為50Hz,該同學(xué)用毫米刻度尺測量O到A、B、C各點(diǎn)的距離,并記錄在圖中(單位:cm),重物的質(zhì)量為m=0.2kg,根據(jù)以上數(shù)據(jù),當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打到B點(diǎn)時(shí),重物的動(dòng)能為

J.(計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

課時(shí)鞏固訓(xùn)練1.12

課時(shí)鞏固訓(xùn)練D

3.某同學(xué)利用圖甲裝置進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn).(1)下列關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的說法中正確的有

(填選項(xiàng)前的字母).

A.選用重物時(shí),密度大的比密度小的好,可以減小空氣阻力的影響B(tài).實(shí)驗(yàn)時(shí)重物應(yīng)從靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處由靜止釋放C.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先松開紙帶讓重物下落,然后接通電源D.若紙帶上開始打出的幾個(gè)點(diǎn)模糊不清,則必須重新打一條紙帶再進(jìn)行驗(yàn)證課時(shí)鞏固訓(xùn)練AB[解析]實(shí)驗(yàn)中選擇的重物應(yīng)該為相對質(zhì)量較大、體積較小的物體,這樣能減小摩擦阻力的影響,故A正確;3.某同學(xué)利用圖甲裝置進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn).(1)下列關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的說法中正確的有

(填選項(xiàng)前的字母).

A.選用重物時(shí),密度大的比密度小的好,可以減小空氣阻力的影響B(tài).實(shí)驗(yàn)時(shí)重物應(yīng)從靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處由靜止釋放C.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先松開紙帶讓重物下落,然后接通電源D.若紙帶上開始打出的幾個(gè)點(diǎn)模糊不清,則必須重新打一條紙帶再進(jìn)行驗(yàn)證課時(shí)鞏固訓(xùn)練AB為了提高紙帶的利用率且讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器穩(wěn)定工作,應(yīng)讓重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通電源,后由靜止釋放紙帶,故B正確,C錯(cuò)誤;若紙帶上開頭打出的幾點(diǎn)模糊不清,也可用后面清晰的點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,故D錯(cuò)誤.(2)若該同學(xué)按照正確的操作要求,獲得了一條點(diǎn)跡清晰、最初兩點(diǎn)間距接近2mm的紙帶,令打第一個(gè)點(diǎn)時(shí)重物所在位置為0高度,相鄰計(jì)時(shí)點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02s,測量部分?jǐn)?shù)據(jù)并填入下列表格,已知重物質(zhì)量m=0.3kg,g取9.8m/s2,請?jiān)诳崭駜?nèi)補(bǔ)上相應(yīng)的數(shù)據(jù).(結(jié)果保留兩位小數(shù))1.20課時(shí)鞏固訓(xùn)練測量點(diǎn)0123距離x/m00.05620.07800.1040速度v/(m·s-1)0

(3)該同學(xué)完成全部數(shù)據(jù)處理后,在圖乙中畫出了各能量與高度的關(guān)系圖像,其中圖線Ⅲ是

與高度h的關(guān)系圖像(填選項(xiàng)前的字母).

A.動(dòng)能EkB.重力勢能EpC.機(jī)械能EB課時(shí)鞏固訓(xùn)練[解析]選打第一個(gè)點(diǎn)時(shí)重物所在位置為0高度,重物向下運(yùn)動(dòng)時(shí),高度為負(fù)值,根據(jù)重力勢能表達(dá)式Ep=mgh知,重物的重力勢能也為負(fù)值,且與下落高度成正比,故A、C錯(cuò)誤,B正確.(4)根據(jù)圖線Ⅱ能得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是