2021屆高考物理一輪復(fù)習(xí)第五章機(jī)械能實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案粵教版

1、實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)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(diǎn)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)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(diǎn)(4)選紙帶：點(diǎn)跡清晰，且所選用的點(diǎn)在同一條直線(xiàn)上(5)速度：應(yīng)用vn，不能用vn或vngt計(jì)算二、數(shù)據(jù)處理1.方案一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算：驗(yàn)證ghnv。2.方案二：任取較遠(yuǎn)兩點(diǎn)a、b：驗(yàn)證ghabvv。3.方案三：圖象法，描繪出v2h圖線(xiàn)。誤差分析(1)減小測(cè)量誤差：一是測(cè)下落距離時(shí)都從o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

2、紙帶下落過(guò)程中要克服阻力做功，故動(dòng)能的增加量ekmv必定稍小于重力勢(shì)能的減少量epmghn，改進(jìn)辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力。教材原型實(shí)驗(yàn)命題角度實(shí)驗(yàn)原理與操作【例1】 某同學(xué)用如圖1甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，可以提供輸出電壓為6 v的交變電流和直流電，交變電流的頻率為50 hz。重錘從高處由靜止開(kāi)始下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)測(cè)量并分析，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。(1)他進(jìn)行了下面幾個(gè)操作步驟：a.按照?qǐng)D示的裝置安裝器材；b.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；c.用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量；d.先接通電源，后釋放紙帶，打出

3、一條紙帶；e.測(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；f.根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能是否等于其增加的動(dòng)能。其中沒(méi)有必要進(jìn)行的步驟是_，操作不當(dāng)?shù)牟襟E是_(均填步驟前的選項(xiàng)字母)。圖1(2)這位同學(xué)進(jìn)行正確測(cè)量后挑選出一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測(cè)量分析，如圖乙所示，其中o點(diǎn)為起始點(diǎn)，a、b、c、d、e、f為六個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)。根據(jù)紙帶上的測(cè)量數(shù)據(jù)，可得出打b點(diǎn)時(shí)重錘的速度為_(kāi)m/s(保留3位有效數(shù)字)。(3)他根據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù)算出各點(diǎn)的速度v，量出下落距離h，并以為縱軸、h為橫軸畫(huà)出的圖象應(yīng)是下圖的_(填選項(xiàng)字母)。解析(1)應(yīng)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“交流輸出”上，選項(xiàng)b操作不當(dāng)，因?qū)嶒?yàn)只需比較gh和

4、的大小關(guān)系，不需要測(cè)量質(zhì)量，選項(xiàng)c沒(méi)必要。(2)打b點(diǎn)的速度即為ac段的平均速度，即vb1.84 m/s。(3)根據(jù)mv2mgh可知，v2與h成正比，故c項(xiàng)正確。答案(1)cb(2)1.84(3)c拓展訓(xùn)練1 如圖2所示，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，使重物帶動(dòng)紙帶從靜止開(kāi)始自由下落，利用此裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。圖2(1)對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，下列操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)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(duì)齊c.精確測(cè)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(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到50 hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整

5、的紙帶，由于紙帶較長(zhǎng)，圖中有部分未畫(huà)出，如圖3所示。紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中o點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出，利用下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有_。圖3a.oa、ad和eg的長(zhǎng)度b.oc、bc和cd的長(zhǎng)度c.bd、cf和eg的長(zhǎng)度d.ac、bd和eg的長(zhǎng)度(3)該實(shí)驗(yàn)小組想要測(cè)量出物體由靜止開(kāi)始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度v和下落高度h。他們利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案。a.用刻度尺測(cè)出重物下落的高度h，并測(cè)出下落時(shí)間t，通過(guò)vgt計(jì)算出瞬時(shí)速度v0b.用刻度尺測(cè)出重物下落的高度h，并通過(guò)v計(jì)算出瞬時(shí)速度c.根據(jù)物

6、體做勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，計(jì)算出該點(diǎn)的瞬時(shí)速度，并通過(guò)計(jì)算得出高度hd.用刻度尺測(cè)出重物下落的高度h，根據(jù)物體做勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，計(jì)算出瞬時(shí)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(xiàng)a正確；兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)齊，減小紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力，以減小誤差，故選項(xiàng)b正確；驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理是：mghmvmv，重物質(zhì)量可以消掉，無(wú)需精確測(cè)量出重物的質(zhì)量，故選項(xiàng)c錯(cuò)誤；用手拉穩(wěn)紙帶，而不是

7、托住重物，接通電源后，撤手釋放紙帶，故選項(xiàng)d錯(cuò)誤。(2)由eg的長(zhǎng)度可求出打f點(diǎn)的速度v2，打o點(diǎn)的速度v10，但求不出of之間的距離h，故選項(xiàng)a錯(cuò)誤；由bc和cd的長(zhǎng)度可求出打c點(diǎn)的速度v2，打o點(diǎn)的速度v10，有oc之間的距離h，可以來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故選項(xiàng)b正確；由bd和eg的長(zhǎng)度可分別求出打c點(diǎn)的速度v1和打f點(diǎn)的速度v2，有cf之間的距離h，可以來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故選項(xiàng)c正確；ac、bd和eg的長(zhǎng)度可分別求出打b、c、f三點(diǎn)的速度，但bc、cf、bf之間的距離都無(wú)法求出，無(wú)法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，故選項(xiàng)d錯(cuò)誤。(3)不能用自由落體的公式再計(jì)算瞬時(shí)速度，a、b錯(cuò)誤；重物下落的高度

8、是用刻度尺測(cè)量的，不是計(jì)算的，選項(xiàng)c錯(cuò)誤；d為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案，是正確的。答案(1)ab(2)bc(3)d命題角度數(shù)據(jù)處理與分析【例2】 物理興趣小組的同學(xué)用圖4甲所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，電源的頻率為50 hz，重錘的質(zhì)量為m1.0 kg，重力加速度g9.8 m/s2，他們通過(guò)正確的實(shí)驗(yàn)操作得到了如圖乙所示的紙帶。為了驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，該小組同學(xué)采用了以下兩種方法。圖4(1)方法一：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)時(shí)點(diǎn)5時(shí)重錘的瞬時(shí)速度為_(kāi)m/s，在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)時(shí)點(diǎn)0和5的過(guò)程中，重錘重力勢(shì)能的變化量為ep_j，重錘動(dòng)能的變化量為ek_j，若它們近似相等，則可知重錘的機(jī)械能守恒

9、。 (2)方法二：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)時(shí)點(diǎn)2時(shí)重錘的瞬時(shí)速度為_(kāi)m/s，在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)時(shí)點(diǎn)2和5的過(guò)程中，重錘重力勢(shì)能的變化量為ep_j，重錘動(dòng)能的變化量為ek_j，若它們近似相等，則可知重錘的機(jī)械能守恒。(3)以上兩種方法，你認(rèn)為_(kāi)(選填“方法一”或“方法二”)誤差小。解析(1)根據(jù)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于該段時(shí)間內(nèi)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度可得打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)時(shí)點(diǎn)5時(shí)重錘下落的速度v51.155 m/s，則在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)時(shí)點(diǎn)0和5的過(guò)程中，重錘重力勢(shì)能的變化量epmgh50.659 j，動(dòng)能的變化量ekmv0.667 j。(2)v20.575 m/s，epmg(h5h2)0.5

10、08 j，ekm(vv)0.502 j。(3)重錘剛下落的時(shí)候運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定；方法二避開(kāi)了剛開(kāi)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)方法二拓展訓(xùn)練2 (2020廣東省揭陽(yáng)市高三二模)用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，打出如圖5甲所示的一條紙帶。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器頻率為50 hz。(1)根據(jù)紙帶所給數(shù)據(jù)，打下c點(diǎn)時(shí)重物的速度為_(kāi) m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。圖5(2)某同學(xué)選用兩個(gè)形狀相同，質(zhì)量不同的重物a和b進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得幾組數(shù)據(jù)，畫(huà)出h圖象，并求出圖線(xiàn)的斜率k，如圖乙所示，由圖象可知a的質(zhì)量m1_b的質(zhì)量m2(選填“大于

11、”或“小于”)。(3)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)造成k2值偏小的原因是實(shí)驗(yàn)中存在各種阻力，已知實(shí)驗(yàn)所用重物的質(zhì)量m20.052 kg，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭9.78 m/s2，求出重物所受的平均阻力f_ n。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)解析(1)c點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于bd段的平均速度，則有：vc102 m/s2.25 m/s。(2)根據(jù)動(dòng)能定理知：(mgf)hmv2，則有：h，知圖線(xiàn)的斜率kg，b的斜率小，知b的質(zhì)量小，所以a的質(zhì)量m1大于b的質(zhì)量m2。(3)m20.052 kg，k29.18，解得fm2(gk2)0.052(9.789.18) n0.031 n。答案(1)2.25 m/s(2)大于(3)0.031實(shí)驗(yàn)拓

12、展創(chuàng)新命題角度實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新【例3】 某同學(xué)利用如圖6所示的氣墊導(dǎo)軌裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。在氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩個(gè)光電門(mén)1、2，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線(xiàn)繞過(guò)定滑輪與鉤碼相連。圖6(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(xiàn)，接通氣源，輕推滑塊，使滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運(yùn)動(dòng)，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(xiàn)，接通氣源，滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)滑塊通過(guò)光電門(mén)1的時(shí)間小于通過(guò)光電門(mén)2的時(shí)間。實(shí)施下列措施能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?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

13、.氣源的供氣量增大一些(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)出光電門(mén)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(jì)時(shí)器讀出遮光條通過(guò)光電門(mén)1、2的時(shí)間t1、t2，則系統(tǒng)機(jī)械能守恒成立的表達(dá)式是 _。解析(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(xiàn)，接通氣源，輕推滑塊使滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運(yùn)動(dòng)，如果滑塊經(jīng)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)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(xiàn)，接通氣源，滑塊從導(dǎo)軌右端向左端運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)滑塊通過(guò)光電門(mén)1的時(shí)間小于通過(guò)光電門(mén)2的時(shí)間。說(shuō)明滑塊做加速運(yùn)動(dòng)，也就是左端低，右端高。所以能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?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

14、道右端降低一些。故選項(xiàng)a、b正確。(3)滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的瞬時(shí)速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)的平均速度?；瑝K從光電門(mén)2運(yùn)動(dòng)到光電門(mén)1的過(guò)程中，鉤碼的重力勢(shì)能減少了mgl，系統(tǒng)動(dòng)能增加了(mm)()2(mm)()2，則系統(tǒng)機(jī)械能守恒成立的表達(dá)式是mgl(mm)()2(mm)()2。答案(1)經(jīng)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間相等(2)ab(3)mgl(mm)()2(mm)()2拓展訓(xùn)練3 (2019茂名一模)某活動(dòng)小組利用圖7甲所示裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。鋼球自由下落過(guò)程中，先后通過(guò)光電門(mén)a、b，計(jì)時(shí)裝置測(cè)出鋼球通過(guò)a、b的時(shí)間分別為ta、tb。用鋼球通過(guò)光電門(mén)的平均速度表示鋼球球心通過(guò)光電門(mén)的瞬時(shí)速度。測(cè)

15、出兩光電門(mén)間的距離為h，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。圖7(1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼球的直徑，讀數(shù)如圖乙所示，鋼球直徑為d_cm。(2)要驗(yàn)證機(jī)械能守恒，只要比較_(選填項(xiàng)前的字母序號(hào)即可)。a.()d2與gh是否相等b.()d2與2gh是否相等c.()d2與gh是否相等d.()d2與2gh是否相等(3)鋼球通過(guò)光電門(mén)的平均速度_(選填“”或“”)鋼球球心通過(guò)光電門(mén)的瞬時(shí)速度。答案(1)0.950(2)d(3)命題角度實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新【例4】 利用氣墊導(dǎo)軌“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8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

16、的細(xì)繩和一質(zhì)量為m的小球相連；遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直，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，實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊在a處由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。圖8(1)某次實(shí)驗(yàn)測(cè)得傾角30，重力加速度用g表示，滑塊從a處到達(dá)b處時(shí)m和m組成的系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為ek_，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量可表示為ep_，在誤差允許的范圍內(nèi)，若ekep，則可認(rèn)為系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。(用題中字母表示)(2)在上述實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)改變a、b間的距離，作出的v2d圖象如圖乙所示，并測(cè)得mm，則重力加速度g_m/s2。解

17、析(1)系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為ek(mm)v，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量可表示為epmgdmgdsin 30(m)gd。(2)根據(jù)機(jī)械能守恒可得(m)gd(mm)v2，即g，代入數(shù)據(jù)得g9.6 m/s2。答案(1)(m)gd(2)9.6拓展訓(xùn)練4 某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖9所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：圖9將光電門(mén)安放在固定于水平地面上的長(zhǎng)木板上；將細(xì)繩一端連在小車(chē)上，另一端繞過(guò)兩個(gè)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(chē)間的細(xì)繩與木板平行；測(cè)出開(kāi)始時(shí)小車(chē)上遮光板與光電門(mén)之間的距離l，接通電源，釋放小車(chē)，記下小車(chē)遮光板經(jīng)過(guò)光電門(mén)的時(shí)間t；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出小車(chē)與鉤碼組

18、成的系統(tǒng)動(dòng)能的增加量和鉤碼重力勢(shì)能的減少量；改變l的大小，重復(fù)步驟、，若在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)能的增加量均等于鉤碼重力勢(shì)能的減少量，說(shuō)明該系統(tǒng)機(jī)械能守恒。(1)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)中還需測(cè)量的物理量有_(填選項(xiàng)前的字母)。a.小車(chē)上遮光板的寬度d b.小車(chē)的質(zhì)量m1c.鉤碼的質(zhì)量m2 d.鉤碼下落的時(shí)間t(2)由實(shí)驗(yàn)步驟和(1)選項(xiàng)中測(cè)得的物理量，可得到系統(tǒng)動(dòng)能增加量為_(kāi)，鉤碼重力勢(shì)能減少量為_(kāi)。(重力加速度為g)解析(1)小車(chē)經(jīng)過(guò)光電門(mén)的速度v，若滿(mǎn)足機(jī)械能守恒，則有m2gl(m1m2)，實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量遮光板的寬度d、小車(chē)質(zhì)量m1和鉤碼質(zhì)量m2，選項(xiàng)a、b、c正確。(2)系統(tǒng)動(dòng)能增加量為ek(m1m2)，鉤碼重力勢(shì)能減少量為m2gl。答案(1)abc(2)m2gl命題角度探究彈簧的彈性勢(shì)能【例5】 某同學(xué)利用如圖10甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中ab是四分之一圓弧軌道，o點(diǎn)為圓心，半徑為l，圓弧的最低點(diǎn)a與水平面之間的距離為h。實(shí)驗(yàn)時(shí)將一可看作質(zhì)點(diǎn)的小球從圓弧上某點(diǎn)由靜止釋放，量出此時(shí)小球與圓心連線(xiàn)偏離豎直方向的角度。當(dāng)小球滑到圓弧最低點(diǎn)a時(shí)將水平拋出，用刻度尺測(cè)出小球平拋的水平距離s。忽略所有摩擦，試分析下列問(wèn)題：圖10(1)小球在a點(diǎn)時(shí)的水平速度為v_(用題給字母表示)；(2)保持其他條件不變，只改變角，得到不同的s值，以s