2020屆高考物理總復(fù)習第五章機械能高效演練創(chuàng)新預(yù)測實驗六驗證機械能守恒定律（含解析）新人教版.docx

驗證機械能守恒定律1.(2019湛江模擬)如圖甲所示，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。該裝置中的打點計時器所接交流電源頻率是50 Hz。(1)對于該實驗，下列操作中對減小實驗誤差有利的是_。A.精確測量出重物的質(zhì)量B.兩限位孔在同一豎直線上C.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘D.釋放重物前，重物離打點計時器下端遠些(2)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，如圖乙所示。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_。A.OA、OB和OG的長度B.OE、DE和EF的長度C.BD、BF和EG的長度D.AC、BF和EG的長度用刻度尺測得圖中AB的距離是1.76 cm，F(xiàn)G的距離是3.71 cm，則可計算得出當?shù)氐闹亓铀俣仁莀 m/s2。(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)【解析】(1)因為比較mgh、mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要測量重物的質(zhì)量，對減小實驗誤差沒有影響，故A錯誤；為了減小紙帶與限位孔之間的摩擦力，圖甲中兩限位孔必須在同一豎直線上，這樣可以減小紙帶與限位孔的摩擦，從而減小實驗誤差，故B正確；實驗供選擇的重物應(yīng)該是相對質(zhì)量較大、體積較小的物體，這樣能減少摩擦阻力的影響，從而減小實驗誤差，故C正確；實驗時，先接通打點計時器電源再放手松開紙帶，對減小實驗誤差沒有影響，故D錯誤。(2)由OA、OB和OG的長度測量值，不能求得各點的瞬時速度，從而不能確定兩者的動能變化，也無法求解重力勢能的變化，故A錯誤；由OE、DE和EF的長度測量值，依據(jù)DE和EF的長度，可求得E點的瞬時速度，從而求得O到E點的動能變化，因知道OE間距，則可求得重力勢能的變化，可以驗證機械能守恒，故B正確；由BD、BF和EG的長度測量值，依據(jù)BD和EG的長度，可分別求得C點與F點的瞬時速度，從而求得動能的變化，但不能由BF確定重力勢能的變化，從而無法驗證機械能守恒，故C錯誤；由AC、BF和EG的長度測量值，依據(jù)AC和EG長度，只可分別求得B點與F點的瞬時速度，從而求得動能的變化，再由BF間距可求得重力勢能的變化，則可驗證機械能守恒，故D正確。AB的距離是1.76 cm，F(xiàn)G的距離是3.71 cm，由=v，因此=m/s=0.88 m/s；同理，vFG中時刻= m/s=1.855 m/s；由vFG中時刻=vAB中時刻+g5T，則有g(shù)= m/s2=9.75 m/s2。答案：(1)B、C (2)B、D9.75 2.用圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。氣墊導軌上A處安裝了一個光電門，滑塊上固定一遮光條，滑塊用繞過氣墊導軌左端定滑輪的細線與鉤碼相連，每次滑塊都從同一位置由靜止釋放，釋放時遮光條位于氣墊導軌上B位置的上方。(1)某同學用游標卡尺測量遮光條的寬度d，如圖乙所示，則d=_ mm。(2)實驗中，接通氣源，滑塊靜止釋放后，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門的時間為t，測得滑塊質(zhì)量為M，鉤碼質(zhì)量為m，A、B間的距離為L。在實驗誤差允許范圍內(nèi)，鉤碼減小的重力勢能mgL與_(用直接測量的物理量符號表示)相等，則機械能守恒。(3)下列不必要的一項實驗要求是_(請?zhí)顚戇x項前對應(yīng)的字母)。A.滑塊必須由靜止釋放B.應(yīng)使滑塊的質(zhì)量遠大于鉤碼的質(zhì)量C.已知當?shù)刂亓铀俣?D.應(yīng)使細線與氣墊導軌平行(4)分析實驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)增加的動能明顯大于鉤碼減小的重力勢能，原因是_?！窘馕觥?1)由圖示游標卡尺可知，主尺示數(shù)為2 mm，游標尺示數(shù)為140.05 mm=0.70 mm，則游標卡尺讀數(shù)為2 mm+0.70 mm=2.70 mm。(2)由于遮光條通過光電門的時間極短，可以利用平均速度來代替其瞬時速度，因此滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度為v=，實驗要驗證機械能守恒定律，則有mgL=(M+m)v2=。(3)本實驗中通過實驗數(shù)據(jù)來判定鉤碼重力勢能的減少量與系統(tǒng)動能的增加量的關(guān)系，不需要保證所掛鉤碼的質(zhì)量m遠小于滑塊質(zhì)量M，故A、C、D錯誤，B正確。(4)實驗是通過鉤碼重力勢能的減少量與系統(tǒng)動能的增加量的關(guān)系來驗證機械能是否守恒，實驗過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)動能增加量總是大于鉤碼重力勢能的減少量，說明重力做功多，即滑塊的重力也做功了，因此調(diào)節(jié)導軌時右端過高。答案：(1)2.70 (2)(3)B (4)氣墊導軌右端偏高3. (2019石家莊模擬)小明同學利用如圖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。小明同學進行了如下操作：(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高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18.0 mm，可動刻度為30.50.01 mm=0.305 mm，所以讀數(shù)為18.0 mm+0.305 mm=18.305 mm。(2)已知經(jīng)過光電門時的時間，小球的直徑，可以由平均速度表示經(jīng)過光電門時的速度，即v=，則小球下落過程中動能增加量的表達式為Ek=m()2，重力勢能減少量的表達式為Ep=mgh。(3)根據(jù)能量守恒定律分析，重力勢能的減少量Ep往往大于動能的增加量Ek的原因是阻力做負功。答案：(1)18.305(2)m()2mgh (3)阻力做負功 4.(2019濰坊模擬)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，一實驗小組讓小球自傾角為30的斜面上滑下，用頻閃相機記錄了小球沿斜面下滑的過程，如圖所示，測得B、C、D、E到A的距離分別為x1、x2、x3、x4，已知相機的頻閃頻率為f，重力加速度g取9.8 m/s2。(1)滑塊經(jīng)過位置D時的速度vD=_。(2)選取A為位移起點，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出v2-x圖線，若圖線斜率k=_，則小球下滑過程機械能守恒。(3)若改變斜面傾角進行實驗，請寫出斜面傾角大小對實驗誤差的影響。_?！窘馕觥?1)根據(jù)某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度可以求出D點的速度為vD=f。(2)若減小的重力勢能等于增加的動能時，則機械能守恒，故mgH=mv2，即gxsin30=v2，解得v2=gx，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出v2-x圖線，若圖線斜率k=g=9.8 m/s2，則小球下滑過程機械能守恒。(3)小球的動能增加量Ek總是稍小于重力勢能減少量EP，主要原因是該過程中有阻力做功，使小球的一部分重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；當斜面傾角越大，壓力減小，則摩擦阻力變小，因此阻力做功越少，則誤差越小。答案：(1)f(2)9.8(3)斜面傾角越大，誤差越小【加固訓練】某同學用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律。一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止于A點。光電門固定在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)過光電門的擋光時間t可由計時器測出，取v=作為鋼球經(jīng)過A點時的速度。記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t，計算并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小Ep與動能變化大小Ek，就能驗證機械能是否守恒。(1)用Ep=mgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落高度h應(yīng)測量釋放時的鋼球球心到_之間的豎直距離。A.鋼球在A點時的頂端B.鋼球在A點時的球心C.鋼球在A點時的底端(2)用Ek=mv2計算鋼球動能變化的大小，用刻度尺測量遮光條寬度，示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)為_cm。某次測量中，計時器的示數(shù)為0.010 0 s，則鋼球的速度為v=_m/s。(3)如表所示為該同學的實驗結(jié)果：Ep/10-2 J4.8929.78614.6919.5929.38Ek/10-2 J5.0410.115.120.029.8他發(fā)現(xiàn)表中的Ep與Ek之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點？請說明理由。(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議。【解析】(1)將鋼球視為質(zhì)點，所以鋼球下落高度h應(yīng)測量釋放時的鋼球球心到鋼球在A點時的球心的距離。(2)從圖中讀出遮光條寬度為1.50 cm(1.49 cm1.51 cm都算對)。速度v=1.50 m/s。(3)實驗中若有空氣阻力作用，會造成Ek小于Ep，所以該同學的觀點是錯誤的。(4)分別測出光電門和球心到懸點的長度L和l，計算Ek時，將v折算成鋼球的速度v=v。答案：(1)B(2)1.50(1.491.51都算對)1.50(3)不同意，因為空氣阻力會造成Ek小于Ep，但表中的Ek大于Ep。(4)分別測出光電門和球心到懸點的長度L和l，計算Ek時，將v折算成鋼球的速度v=v。5.某實驗小組利用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定律，實驗主要步驟如下：將光電門安裝在固定于水平地面上的長木板上；將細繩一端連在小車上，另一端繞過兩個定滑輪后懸掛一鉤碼，調(diào)節(jié)木板上滑輪的高度，使該滑輪與小車間的細繩與木板平行；測出小車遮光板與光電門之間的距離L，接通電源，釋放小車，記下小車遮光板經(jīng)過光電門的時間t；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出小車與鉤碼組成的系統(tǒng)動能的增加量和鉤碼重力勢能的減少量。(1)根據(jù)上述實驗步驟，實驗中還需測量的物理量有_。A.小車上遮光板的寬度d B.小車的質(zhì)量m1C.鉤碼的質(zhì)量m2D.鉤碼下落的時間t(2)由實驗步驟和(1)選項中測得的物理量，可得到系統(tǒng)動能增