高考物理總復(fù)習(xí)第5單元機械能實驗7驗證機械能守恒定律

實驗七驗證機械能守恒定律實驗課標(biāo)解讀

基礎(chǔ)實驗過關(guān)

創(chuàng)新實驗拓展教師備用習(xí)題

課時鞏固訓(xùn)練實驗課標(biāo)解讀1.實驗?zāi)康?通過具體的實驗數(shù)據(jù),驗證機械能守恒定律.2.實驗原理:創(chuàng)設(shè)重物自由下落的過程為實驗驗證的運動模型,在下落速度不太大的情況下,空氣阻力可以忽略,實驗證明機械能是守恒的.具體操作時,在重物自由下落的軌跡上取兩個位置,測出重物在這兩個位置的動能和勢能,計算這兩個位置的機械能,證明它們近似相等.基礎(chǔ)實驗過關(guān)例1[2021·杭州二中質(zhì)檢]用如圖所示實驗裝置驗證機械能守恒定律.通過電磁鐵控制的小鐵球從A點自由下落,下落過程中經(jīng)過光電門B時,通過與之相連的毫秒計時器(圖中未畫出)記錄下?lián)豕鈺r間t,測出A、B之間的距離h.實驗前應(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)為了驗證機械能守恒定律,還需要測量下列物理量中的

(填選項前的字母).

A.A點與地面間的距離HB.小鐵球的質(zhì)量mC.小鐵球從A到B的下落時間tABD.小鐵球的直徑dD基礎(chǔ)實驗過關(guān)[解析]根據(jù)實驗原理可知,需要測量的是A點到光電門中激光束的距離,故A錯誤;根據(jù)機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錯誤;利用小鐵球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度,不需要測量下落時間,故C錯誤;利用小鐵球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度時,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)實驗過關(guān)

基礎(chǔ)實驗過關(guān)變式

某同學(xué)安裝如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律.如圖所示是該實驗得到的一條點跡清晰的紙帶,現(xiàn)要取A、B兩點來驗證,已知電火花計時器每隔0.02s打一個點.請回答下列問題:(1)電火花計時器的工作電壓是

V.

220[解析]電火花計時器的工作電壓是220V.基礎(chǔ)實驗過關(guān)(2)若x2=4.80cm,則在紙帶上打下計數(shù)點B時重物的速度vB=

m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字).

1.20

基礎(chǔ)實驗過關(guān)(3)若x1數(shù)據(jù)也已測出,則實驗還需測出的物理量為

.

A、B之間的距離[解析]要驗證機械能守恒定律,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)實驗過關(guān)(4)經(jīng)過測量計算后,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)機械能守恒定律,重物離地越高,重力勢能越大,則動能越小,故動能隨離地高度變化的圖線為圖線B.實驗器材及裝置的替換

速度測量方法的改進(jìn)

測量紙帶上各點速度→由光電門計算速度實驗方案的創(chuàng)新利用自由落體運動的閃光照片驗證機械能守恒定律創(chuàng)新實驗拓展例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證機械能守恒定律.在鐵架臺上安裝有一電磁鐵(固定不動)和一光電門(可上下移動),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,計時裝置可測出鋼球通過光電門的時間.

(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)新實驗拓展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),并計算出鋼球經(jīng)過光電門時的速度v,若空氣阻力可以忽略不計,則v2-h圖像正確的是圖中的

(填選項字母).

創(chuàng)新實驗拓展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速度.

創(chuàng)新實驗拓展小于[解析]根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律知,鋼球通過光電門的平均速度等于這個過程的中間時刻的瞬時速度,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速度.1.利用如圖所示的實驗裝置探究重物下落過程中重力勢能與動能的轉(zhuǎn)化問題.(1)圖為一條符合實驗要求的紙帶,O點為打點計時器打下的第一點.分別測出若干連續(xù)點A、B、C……與

O點之間的距離h1、h2、h3…….已知打點計時器的打點周期為T,重物質(zhì)量為m,重力加速度為g,可得打下B點時重物的速度大小為

.

教師備用習(xí)題

(2)取打下O點時重物的重力勢能為零,計算出該重物下落不同高度h時所對應(yīng)的動能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證機械能守恒定律.在高處固定電磁鐵,通電時吸住小鐵球(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)圖中描點連線,得到如圖所示的直線,算出斜率k.若在實驗誤差允許的范圍內(nèi),k=

(用當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭、鐵球直徑d表示),則實驗成功.

教師備用習(xí)題

3.某實驗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,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的動能Ek,已知重力加速度g,下列物理量中需要測量的是

(填選項前的字母).

A.小球的質(zhì)量mB.小球拋出點到落地點的水平距離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)為小球離開桌面時的動能Ek等于彈簧被壓縮后的彈性勢能Ep.實驗時,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)實驗數(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這個因子;分析實驗結(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“驗證機械能守恒定律”實驗中,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點是打下的第一個點,A、B、C和D為另外4個連續(xù)打下的點.(1)為了減小實驗誤差,對體積和形狀相同的重物,實驗時選擇密度大的理由是

.

課時鞏固訓(xùn)練阻力與重力之比更小(或其他合理解釋)[解析]在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,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點到C點,重物的重力勢能變化量的絕對值|ΔEp|=

J,C點的動能EkC=

J(計算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字).課時鞏固訓(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鞏固訓(xùn)練C[解析]電壓高低不會影響打點時間間隔,對實驗不會造成影響,選項A錯誤;如果是存在空氣阻力和摩擦力,那么減少的重力勢能應(yīng)大于增加的動能,選項B錯誤;如果接通電源前釋放了紙帶,則紙帶記錄的下落距離偏小,所以計算出減少的重力勢能比增加的動能少,選項C正確.2.[2022·江蘇如東高中月考]在“驗證機械能守恒定律”實驗中:(1)已提供了鐵架臺、夾子、導(dǎo)線、紙帶等器材.為完成此實驗,除了所給的器材,還需要從圖中選取的實驗器材名稱是

.

課時鞏固訓(xùn)練電火花計時器和毫米刻度尺[解析]實驗中還需要從圖中選取的實驗器材名稱是電火花計時器和毫米刻度尺.(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,A、B、C是打點計時器連續(xù)打下的3個點,打點頻率為50Hz,該同學(xué)用毫米刻度尺測量O到A、B、C各點的距離,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)打點計時器打到B點時,重物的動能為

J.(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

課時鞏固訓(xùn)練1.12

課時鞏固訓(xùn)練D

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

(填選項前的字母).

A.選用重物時,密度大的比密度小的好,可以減小空氣阻力的影響B(tài).實驗時重物應(yīng)從靠近打點計時器處由靜止釋放C.實驗時應(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點模糊不清,則必須重新打一條紙帶再進(jìn)行驗證課時鞏固訓(xùn)練AB[解析]實驗中選擇的重物應(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“驗證機械能守恒定律”的實驗.(1)下列關(guān)于本實驗的說法中正確的有

(填選項前的字母).

A.選用重物時,密度大的比密度小的好,可以減小空氣阻力的影響B(tài).實驗時重物應(yīng)從靠近打點計時器處由靜止釋放C.實驗時應(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點模糊不清,則必須重新打一條紙帶再進(jìn)行驗證課時鞏固訓(xùn)練AB為了提高紙帶的利用率且讓打點計時器穩(wěn)定工作,應(yīng)讓重物靠近打點計時器,先接通電源,后由靜止釋放紙帶,故B正確,C錯誤;若紙帶上開頭打出的幾點模糊不清,也可用后面清晰的點進(jìn)行驗證,故D錯誤.(2)若該同學(xué)按照正確的操作要求,獲得了一條點跡清晰、最初兩點間距接近2mm的紙帶,令打第一個點時重物所在位置為0高度,相鄰計時點時間間隔為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,請在空格內(nèi)補上相應(yīng)的數(shù)據(jù).(結(jié)果保留兩位小數(shù))1.20課時鞏固訓(xùn)練測量點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(填選項前的字母).

A.動能EkB.重力勢能EpC.機械能EB課時鞏固訓(xùn)練[解析]選打第一個點時重物所在位置為0高度,重物向下運動時,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錯誤,B正確.(4)根據(jù)圖線Ⅱ能得出的實驗結(jié)論是