2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第五章機(jī)械能實(shí)驗(yàn)七驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

實(shí)驗(yàn)七驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的方法。2．會(huì)用計(jì)算法或圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)原理與要求[基本實(shí)驗(yàn)要求]1．實(shí)驗(yàn)原理通過實(shí)驗(yàn)，求出做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的重力勢能的減少量和相應(yīng)過程動(dòng)能的增加量，若二者相等，說明機(jī)械能守恒，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2．實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、導(dǎo)線兩根。3．實(shí)驗(yàn)步驟(1)安裝器材：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與交流電源相連。(2)打紙帶用手豎直提起紙帶，使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器下方附近，先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，取下紙帶，換上新的紙帶重復(fù)上述步驟多打幾條(3～5條)紙帶。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)論在誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體運(yùn)動(dòng)過程機(jī)械能守恒。命題點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理與操作[典例1]

(2021·河南四校聯(lián)考)如圖甲所示為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置?，F(xiàn)有器材為：帶鐵夾的鐵架臺(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、帶鐵夾的重物、天平。甲乙[答案]

(1)AD

(2)1.75

(3)重物的初速度為零2mm易錯(cuò)警示實(shí)驗(yàn)操作3點(diǎn)注意(1)重物要靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。(2)紙帶要保持豎直。(3)先接通電源再放開紙帶。

數(shù)據(jù)處理與分析[典例2]

如圖甲所示是用“落體法”驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置。(1)選出一條紙帶如圖乙所示，其中O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C為三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通以頻率為50Hz的交流電源。用分度值為1mm的刻度尺測得OA＝12.41cm，OB＝18.90cm，OC＝27.06cm，在計(jì)數(shù)點(diǎn)A和B、B和C之間還各有一個(gè)點(diǎn)，重錘的質(zhì)量為1.00kg，g＝9.80m/s2。甲同學(xué)根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)重錘的重力勢能比開始下落時(shí)減少了________J；此時(shí)重錘的速度vB＝________m/s，重錘的動(dòng)能比開始下落時(shí)增加了________J。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)[答案]

(1)1.85

1.83

1.67(2)①B②先釋放了紙帶，再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源命題點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新[典例3]

某同學(xué)做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。測量出光電門到放在試管夾上質(zhì)量為m＝0.1kg的小鐵球重心的豎直距離為x；打開試管夾，由靜止釋放小鐵球，小球經(jīng)過正下方的固定在鐵架臺(tái)上的光電門時(shí)，與光電門連接的傳感器可以記錄小鐵球經(jīng)過光電門的時(shí)間。(1)用螺旋測微器測得小鐵球直徑如圖乙所示，其直徑D＝_______mm。(2)從與光電門連接的傳感器上讀出小鐵球經(jīng)過光電門的時(shí)間t＝2ms，小鐵球經(jīng)過光電門時(shí)的速度v＝________m/s，則小鐵球經(jīng)過光電門時(shí)的動(dòng)能Ek＝________J。(兩空計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(3)某同學(xué)多次改變光電門的位置，測量出光電門到小鐵球重心的豎直距離x，并計(jì)算出小鐵球經(jīng)過光電門時(shí)的速度v，通過描繪v2-x圖象去驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。若實(shí)驗(yàn)中小鐵球所受阻力不可忽略，且阻力大小保持不變，從理論上分析，合理的v2-x圖象是下圖中的________。[答案]

(1)8.478(8.476～8.479均可)

(2)4.2

0.88

(3)A創(chuàng)新評價(jià)本題的創(chuàng)新點(diǎn)主要是用光電門測定小球下落到B點(diǎn)的速度替代利用紙帶求速度。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新[典例4]

用如圖甲實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)打下的點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示。已知m1＝50g、m2＝150g，則：(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5＝________m/s。(2)在計(jì)數(shù)點(diǎn)0～5過程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量ΔEk＝________J。為了簡化計(jì)算，g取10m/s2，則系統(tǒng)勢能的減少量ΔEp＝________J。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示ΔEp________ΔEk。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示ΔEp＞ΔEk，那么造成這一現(xiàn)象的主要原因是空氣阻力、紙帶與限位孔的阻力、滑輪軸間阻力做負(fù)功，使系統(tǒng)重力勢能的減少量大于系統(tǒng)動(dòng)能的增加量。[答案]

(1)2.4

(2)0.576

0.60

(3)>創(chuàng)新評價(jià)本題的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用系統(tǒng)機(jī)械能守恒代替單個(gè)物體的機(jī)械能守恒。

[典例5]

氣墊導(dǎo)軌是一種常用的實(shí)驗(yàn)儀器，它利用氣泵使帶孔的導(dǎo)軌與滑塊之間形成氣墊，使滑塊懸浮在導(dǎo)軌上，此時(shí)滑塊在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)可視為沒有摩擦。現(xiàn)利用氣墊導(dǎo)軌來研究功能關(guān)系。如圖甲所示，在氣墊導(dǎo)軌的左端固定一輕質(zhì)彈簧，軌道上有滑塊A緊靠彈簧但不連接，滑塊的質(zhì)量為m，重力加速度為g。創(chuàng)新評價(jià)本題的創(chuàng)新點(diǎn)在于由能量轉(zhuǎn)化和守恒測量彈簧做功或動(dòng)摩擦因數(shù)。每次都由P釋放，則每次彈簧彈性勢能都相同，彈簧對滑塊做功相同，結(jié)合彈性勢能與內(nèi)能間的轉(zhuǎn)化測動(dòng)摩擦因數(shù)。

1．(2021·江蘇揚(yáng)州高三調(diào)研)圖甲是某同學(xué)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置，提供的器材如下：鐵架臺(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、導(dǎo)線若干、紙帶、重錘、夾子，已知重錘的質(zhì)量為1kg，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.8m/s2。(1)該同學(xué)還應(yīng)補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)器材是________。(2)該同學(xué)正確操作得到的一條紙帶如圖乙所示，O點(diǎn)對應(yīng)重錘做自由下落的初始位置，該同學(xué)從合適位置開始選取了三個(gè)連續(xù)的計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C，OB距離已在圖中標(biāo)出，該同學(xué)選擇OB段來驗(yàn)證重錘的機(jī)械能是否守恒，則他還需________。A．僅測量AC段的長度B．僅測量AB段的長度C．僅測量OC段的長度D．僅測量OA段的長度(3)根據(jù)圖乙中的紙帶，可求得重錘在OB段重力勢能減少了________J(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。解析：(1)在實(shí)驗(yàn)中需要刻度尺測量紙帶上點(diǎn)與點(diǎn)間的距離以及紙帶上兩點(diǎn)的距離。(2)該同學(xué)選擇OB段來驗(yàn)證重錘的機(jī)械能是否守恒，需要知道位移的同時(shí)還需要知道末速度，所以根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，需要測量AC的長度，然后計(jì)算出B點(diǎn)的速度即可，故選A。(3)根據(jù)紙帶的數(shù)據(jù)得，重錘重力勢能減少ΔEp＝mghOB＝1×9.8×0.1228J≈1.20J。答案：(1)刻度尺(2)A

(3)1.202．(2021·福建福州期末)某同學(xué)用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。實(shí)驗(yàn)中，讓滑塊都從氣墊導(dǎo)軌某一固定位置O由靜止開始下滑，已測得氣墊導(dǎo)軌傾角為θ。(1)下列物理量不需要測量的是________。A．滑塊和擋光片的總質(zhì)量MB．光電門位置P到O點(diǎn)之間的距離lC．擋光片通過光電門遮光時(shí)間ΔtD．擋光片的寬度d(2)先用游標(biāo)卡尺測出擋光片的寬度，讀數(shù)如圖乙所示，則寬度d＝________mm。乙(3)若某次實(shí)驗(yàn)中測出寬度d＝10.00mm，擋光片通過光電門遮光時(shí)間Δt＝5.75ms，則滑塊通過光電門的速度v＝________m/s(計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。(4)根據(jù)直接測量的物理量，經(jīng)過計(jì)算分析就可以驗(yàn)證滑塊和擋光片整體下滑過程中機(jī)械能是否守恒。答案：(1)A

(2)10.20

(3)1.743．(2021·北京昌平區(qū)高三上學(xué)期期末)利用如圖甲所示裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)：(1)通過比較重物在某兩點(diǎn)間動(dòng)能增加量ΔEk與重力勢能減少量ΔEp就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到如圖乙所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C，測得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA、hB、hC。重物的質(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。從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過程中，重物的ΔEp＝________，ΔEk＝________。(2)某同學(xué)采用上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終得到ΔEp與ΔEk并不完全相等，請簡述原因___________________________________。4．利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖所示。(1)實(shí)驗(yàn)步驟：①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平；②用游標(biāo)卡尺測量擋光條的寬度l＝9.30mm；③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離s＝________cm；④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動(dòng)時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2；

⑤從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時(shí)間Δt1和Δt2；⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m。解析：(1)由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離s＝80.30cm－20.30cm＝60.00cm。答案：(1)③60.00(59.96～60.04都正確)(2)用直接測得量的字母寫出下列所示物理量的表達(dá)式：①滑塊通過光電門1和光電門2時(shí)瞬時(shí)速度分別為v1＝_____