2024高考物理一輪復(fù)習(xí)第四章機(jī)械能實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律教案魯科版

PAGE10-試驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律●留意事項(xiàng)1.安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn),使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以削減摩擦阻力.2.重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料.3.應(yīng)先接通電源,讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后,再松開(kāi)紙帶讓重物下落.4.紙帶長(zhǎng)度應(yīng)選用60cm左右為宜5.速度不能用vn=gtn或vn=QUOTE計(jì)算,速度應(yīng)從紙帶上干脆測(cè)量計(jì)算.同樣的道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺干脆測(cè)量,而不能用hn=QUOTEgQUOTE或hn=QUOTE計(jì)算得出.●誤差分析1.減小測(cè)量誤差:一是測(cè)下落距離時(shí)都從0點(diǎn)量起,一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)下落高度測(cè)量完,二是多測(cè)幾次取平均值.2.誤差來(lái)源:由于重物和紙帶下落過(guò)程中要克服阻力做功,故動(dòng)能的增加量ΔEk=QUOTEmQUOTE必定稍小于重力勢(shì)能的削減量ΔEp=mghn,改進(jìn)方法是器材的安裝,盡可能地減小阻力.常規(guī)試驗(yàn)[例1](2024·安徽定遠(yuǎn)重點(diǎn)中學(xué)期末)利用如圖(甲)所示的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的試驗(yàn).(1)除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶、復(fù)寫(xiě)紙)、溝通電源、鐵架臺(tái)、導(dǎo)線及開(kāi)關(guān)外,在下面的器材中,必需運(yùn)用的還有.(選填器材前的字母)

A.大小合適的鐵質(zhì)重錘B.體積較大的木質(zhì)重錘C.刻度尺D.游標(biāo)卡尺E.秒表(2)如圖(乙)是試驗(yàn)中得到的一條紙帶.在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A,B,C,測(cè)得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA,hB,hC.重錘質(zhì)量用m表示,已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T(mén).從打下O點(diǎn)到打下B點(diǎn)的過(guò)程中,重錘重力勢(shì)能的削減量ΔEp=,動(dòng)能的增加量ΔEk=.

(3)在試驗(yàn)過(guò)程中,下列試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理正確的是.

A.釋放重錘前,使紙帶保持豎直且重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器B.做試驗(yàn)時(shí),先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再釋放重錘C.為測(cè)量打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下某點(diǎn)時(shí)重錘的速度v,可測(cè)量該點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h,再依據(jù)公式v=計(jì)算,其中g(shù)應(yīng)取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣菵.用刻度尺測(cè)量某點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h,利用公式Ep=mgh計(jì)算重力勢(shì)能的削減量,其中g(shù)應(yīng)取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?4)某同學(xué)在紙帶上選取計(jì)數(shù)點(diǎn)后,測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h,并計(jì)算出打相應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)重錘的速度v,通過(guò)描繪v2h圖象去探討機(jī)械能是否守恒.若試驗(yàn)中重錘所受阻力不行忽視,且阻力大小保持不變,從理論上分析,合理的v2h圖象是圖中的哪一個(gè).

解析:(1)為了減小阻力的影響,選擇質(zhì)量較大、體積較小的重錘,故A正確,B錯(cuò)誤;在該試驗(yàn)中須要測(cè)量點(diǎn)跡間的距離,須要刻度尺,不須要游標(biāo)卡尺,故C正確,D錯(cuò)誤;打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以記錄時(shí)間,不須要秒表,故E錯(cuò)誤.(2)從打下O點(diǎn)到打下B點(diǎn)的過(guò)程中,重錘重力勢(shì)能的削減量ΔEp=mghB,B點(diǎn)的速度為vB=則增加的動(dòng)能為ΔEk=m=.(3)釋放重錘前,應(yīng)使紙帶豎直且重錘盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,故A正確;試驗(yàn)時(shí),應(yīng)先接通電源,再釋放紙帶,故B正確;為測(cè)量打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下某點(diǎn)時(shí)重錘的速度v,應(yīng)依據(jù)紙帶上某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于瞬時(shí)速度求出,故C錯(cuò)誤;計(jì)算從起先到下落一段高度的重力勢(shì)能的削減量時(shí),應(yīng)利用公式Ep=mgh計(jì)算,故D正確.(4)若機(jī)械能守恒,有mgh=mv2,則v2=2gh,可知v2h圖線為過(guò)原點(diǎn)的一條傾斜直線,圖線斜率為2g,若重錘受大小不變的阻力f作用,則有(mg-f)h=mv2,則v2=2（g-）h,圖線仍為直線,只是斜率小于2g,選項(xiàng)A正確.答案:(1)AC(2)mghB(3)ABD(4)A[例2](2024·全國(guó)Ⅰ卷,22)某同學(xué)用圖(a)所示的試驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為溝通電源,可以運(yùn)用的頻率有20Hz、30Hz和40Hz.打出紙帶的一部分如圖(b)所示.該同學(xué)在試驗(yàn)中沒(méi)有記錄溝通電的頻率f,須要用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他題給條件進(jìn)行推算.(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落,利用f和圖(b)中給出的物理量可以寫(xiě)出:在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí),重物下落的速度大小為,打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為,重物下落的加速度大小為.

(2)已測(cè)得s1=8.89cm,s2=9.50cm,s3=10.10cm,當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80m/s2,試驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%,由此推算出f為Hz.

解析:(1)由關(guān)系式Δs=aT2得s2-s1=a1,s3-s2=a2,則a==.依據(jù)=得vB==,vC==.(2)由牛頓其次定律得mg-1%mg=ma,而a=,由此得0.99g=,即f=Hz=40Hz.答案:(1)(2)401.(2024·內(nèi)蒙古集寧一中高三月考)某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.已知頻閃儀每隔0.05s閃光一次,圖中所標(biāo)數(shù)據(jù)為實(shí)際距離,該同學(xué)通過(guò)計(jì)算得到不同時(shí)刻的速度如下表(當(dāng)?shù)刂亓铀俣热?.8m/s2,小球質(zhì)量m=0.200kg,結(jié)果保留三位有效數(shù)字).時(shí)刻t2t3t4t5速度(m/s)5.595.084.58(1)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計(jì)算t5時(shí)刻小球的速度v5=m/s.

(2)從t2到t5時(shí)間內(nèi),重力勢(shì)能增量ΔEp=J,動(dòng)能削減量ΔEk=J,可知在誤差允許的范圍內(nèi)機(jī)械能.

解析:(1)由于勻變速直線運(yùn)動(dòng)中,一段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于該時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度,所以有v5==m/s=4.08m/s.(2)依據(jù)重力做功和重力勢(shì)能的關(guān)系,小球增加的重力勢(shì)能為ΔEp=mg(h2+h3+h4)=0.200×9.8×(26.68+24.16+21.66)×10-2J≈1.42J;小球削減的動(dòng)能為ΔEk=m(-)=×0.200×[(5.59)2-(4.08)2]J≈1.46J.即在誤差允許的范圍內(nèi)機(jī)械能守恒.答案:(1)4.08(2)1.421.46守恒2.(2024·山東棗莊八中測(cè)試)用如圖1所示試驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1,m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.m2從高處由靜止起先下落,m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.圖2給出的是試驗(yàn)中獲得的一條紙帶:0是打下的第一個(gè)點(diǎn),計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示,每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出).已知m1=50g,m2=150g,則(取g=9.8m/s2)(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v=m/s.

(2)在打點(diǎn)0~5過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量ΔEk=J,系統(tǒng)勢(shì)能的削減量ΔEp=J,說(shuō)明在誤差允許的范圍內(nèi)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

(3)若某同學(xué)作出h圖象如圖3所示,則當(dāng)?shù)氐膶?shí)際重力加速度g=m/s2.

解析:(1)由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論=得v5==m/s=2.40m/s.(2)系統(tǒng)動(dòng)能的增加量ΔEk=Ek5-0=(m1+m2)=0.576J.系統(tǒng)重力勢(shì)能減小量ΔEp=(m2-m1)gh=0.1×9.8×0.6000J=0.588J.在誤差允許的范圍內(nèi),m1,m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.(3)由于系統(tǒng)機(jī)械能守恒,從起先釋放m2到下降h高度,有(m1+m2)v2=ΔEp=(m2-m1)gh即=h,代入數(shù)據(jù)得=h.而h圖象的斜率k==4.85,即=4.85,則g=9.70m/s2.答案:(1)2.40(2)0.5760.588(3)9.70創(chuàng)新試驗(yàn)[例3](2024·江蘇卷,11)某同學(xué)用如圖(甲)所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.一根細(xì)線系住鋼球,懸掛在鐵架臺(tái)上,鋼球靜止于A點(diǎn),光電門(mén)固定在A的正下方.在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條.將鋼球拉至不同位置由靜止釋放,遮光條經(jīng)過(guò)光電門(mén)的擋光時(shí)間t可由計(jì)時(shí)器測(cè)出,取v=作為鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度.記錄鋼球每次下落的高度h和計(jì)時(shí)器示數(shù)t,計(jì)算并比較鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變更大小ΔEp與動(dòng)能變更大小ΔEk,就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒.(1)用ΔEp=mgh計(jì)算鋼球重力勢(shì)能變更的大小,式中鋼球下落高度h應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到之間的豎直距離.

A.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端B.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心C.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的底端(2)用ΔEk=mv2計(jì)算鋼球動(dòng)能變更的大小,用刻度尺測(cè)量遮光條寬度,示數(shù)如圖(乙)所示,其讀數(shù)為cm.某次測(cè)量中,計(jì)時(shí)器的示數(shù)為0.0100s,則鋼球的速度為v=m/s.

(3)下表為該同學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果:ΔEp(×10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10-2J)5.0410.115.120.029.8他發(fā)覺(jué)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異,認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的.你是否同意他的觀點(diǎn)?請(qǐng)說(shuō)明理由.(4)請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議.解析:(1)鋼球下落的高度為初末位置球心間的豎直距離,所以選B.(2)由圖知讀數(shù)為1.50cm(1.49~1.51都算對(duì)),鋼球的速度為v=,代入數(shù)據(jù)解得v=1.50m/s(1.49~1.51都算對(duì)).(3)若是空氣阻力造成的,則ΔEk應(yīng)小于ΔEp,依據(jù)表格數(shù)據(jù)知不是空氣阻力造成的.(4)鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí),光電門(mén)的位置低于球心的位置,故試驗(yàn)中測(cè)得的鋼球速度大于鋼球在A點(diǎn)的實(shí)際速度.遮光條與鋼球運(yùn)動(dòng)的角速度相等,由v=ω·r知,ω肯定時(shí),v與r成正比,故分別測(cè)出光電門(mén)和球心到懸點(diǎn)的距離L和l,即可折算出鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度v′=·v.答案:(1)B(2)1.50(1.49~1.51都算對(duì))1.50(1.49~1.51都算對(duì))(3)見(jiàn)解析(4)分別測(cè)出光電門(mén)和球心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L和l,計(jì)算ΔEk時(shí),將v折算成鋼球的速度v′=v.[例4](2024·山東濟(jì)寧期中)如圖(甲)所示的裝置叫做阿特伍德機(jī),是英國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿特伍德創(chuàng)制的一種聞名力學(xué)試驗(yàn)裝置,用來(lái)探討勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.某同學(xué)對(duì)該裝置加以改進(jìn)后用來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,如圖(乙)所示.(1)試驗(yàn)時(shí),該同學(xué)進(jìn)行了如下步驟:①將質(zhì)量均為M的重物(A含擋光片、B含掛鉤)用繩連接后,跨放在定滑輪上,處于靜止?fàn)顟B(tài).測(cè)量出(選填“A的上表面”“A的下表面”或“擋光片中心”)到光電門(mén)中心的豎直距離h.

②在B的下端掛上質(zhì)量為m的物塊C,讓系統(tǒng)中的物體由靜止起先運(yùn)動(dòng),光電門(mén)記錄擋光片擋光的時(shí)間為Δt.③測(cè)出擋光片的寬度d,計(jì)算有關(guān)物理量,驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.(2)假如系統(tǒng)(重物A,B以及物塊C)的機(jī)械能守恒,應(yīng)滿意的關(guān)系式為(已知重力加速度為g).

(3)引起該試驗(yàn)系統(tǒng)誤差的緣由可能是(寫(xiě)一條即可).

解析:(1)①須要測(cè)量系統(tǒng)重力勢(shì)能的變更量,則應(yīng)當(dāng)測(cè)量出擋光片中心到光電門(mén)中心的豎直距離h;③系統(tǒng)的末速度為v=.(2)系統(tǒng)重力勢(shì)能的減小量ΔEp=mgh,動(dòng)能的增加量為ΔEk=(2M+m)v2=(2M+m)()2,若系統(tǒng)機(jī)械能守恒,則有mgh=(2M+m)()2.(3)系統(tǒng)機(jī)械能守恒的條件是只有重力做功,引起試驗(yàn)誤差的緣由可能有:繩子有肯定的質(zhì)量、滑輪與繩子之間有摩擦、重物運(yùn)動(dòng)受到空氣阻力等.答案:(1)擋光片中心(2)mgh=(2M+m)()2(3)繩子有肯定的質(zhì)量、滑輪與繩子之間有摩擦、重物運(yùn)動(dòng)受到空氣阻力等1.(2024·山東濟(jì)南模擬)利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,試驗(yàn)裝置如圖(甲)所示,水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌,導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊,其總質(zhì)量為M,左端由跨過(guò)輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩和一質(zhì)量為m的小球相連;遮光片平面與導(dǎo)軌所在平面平行,導(dǎo)軌上B點(diǎn)有一光電門(mén),可以測(cè)量遮光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的擋光時(shí)間t,用d表示A點(diǎn)到光電門(mén)B處的距離,b表示遮光片的寬度,將遮光片通過(guò)光電門(mén)的平均速度看做滑塊通過(guò)B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度,試驗(yàn)時(shí)滑塊在A處由靜止起先運(yùn)動(dòng).(1)某次試驗(yàn)測(cè)得傾角θ=30°,重力加速度用g表示,滑塊從A處到達(dá)B處時(shí)小球和滑塊組成的系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為ΔEk=,系統(tǒng)的重力勢(shì)能削減量可表示為ΔEp=,在誤差允許的范圍內(nèi),若ΔEk=ΔEp,則可認(rèn)為系統(tǒng)的機(jī)械能守恒.(用題中字母表示)

(2)在上述試驗(yàn)中,某同學(xué)變更A,B間的距離,作出的d圖象如圖(乙)所示,并測(cè)得M=m,b=1cm,則重力加速度g=m/s2.

解析:(1)系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為ΔEk=(M+m)=,系統(tǒng)的重力勢(shì)能削減量可表示為ΔEp=mgd-Mgdsin30°=(m-)gd.(2)若機(jī)械能守恒,有(m-)gd=,即=d,由圖象得=m-1·s-2=48×103m-1·s-2,代入數(shù)據(jù)得g=9.6m/s2.答案:(1)(m-)gd(2)9.62.(2024·江西重點(diǎn)中學(xué)高三聯(lián)考)用圖(甲)所示的試驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.氣墊導(dǎo)軌上A處安裝了一個(gè)光電門(mén),滑塊上固定一遮光條,滑塊用繞過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端定滑輪的細(xì)線與鉤碼相連,每次滑塊都從同一位置由靜止釋放,釋放時(shí)遮光條位于氣墊導(dǎo)軌上B位置的上方.(1)某同學(xué)用游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光條的寬度d,如圖(乙)所示,則d=mm.

(2)試驗(yàn)中,接通氣源,滑塊靜止釋放后,由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間為t,測(cè)得滑塊質(zhì)量為M,鉤碼質(zhì)量為m,A,B間的距離為L(zhǎng).在試驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),鉤