【物理】2019届一轮复习人教版 验证机械能守恒定律 学案

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第五章 功和能 ‎1.从近几年高考来看，关于功和功率的考查，多以选择题的形式出现，有时与电流及电磁感应相结合命题．‎ ‎2．功和能的关系一直是高考的“重中之重”，是高考的热点和重点，涉及这部分内容的考题不但题型全、分量重，而且还经常有压轴题，考查最多的是动能定理和机械能守恒定律，且多数题目是与牛顿运动定律、平抛运动、圆周运动以及电磁学等知识相结合的综合性试题．‎ ‎3．动能定理及能量守恒定律仍将是高考考查的重点．高考题注重与生产、生活、科技相结合，将对相关知识的考查放在一些与实际问题相结合的情境中去，能力要求不会降低.‎ 第24讲 验证机械能守恒定律 ‎1.掌握验证机械能守恒定律的方法.‎ ‎2.会用图象法处理实验数据以达到验证目的．‎ 基本实验要求 1． 实验目的 验证机械能守恒定律．‎ ‎2．实验原理 通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律．‎ ‎3．实验器材 打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(附铁夹)、导线两根．‎ ‎4．实验步骤 ‎(1)根据实验原理图安装仪器．‎ ‎(2)将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔．‎ ‎(3)用手提着纸带，让重物靠近打点计时器并处于静止状态，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列小点．‎ ‎(4)从几条打下点的纸带中挑选出点迹清晰的纸带进行测量，ΔEk＝mv，ΔEp＝mgdn，vn＝‎ ‎(5)计算对比ΔEp与ΔEk.‎ ‎5．实验结论 在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒．‎ 规律方法总结 ‎1．误差分析 ‎(1)测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值．‎ ‎ (2)系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝mv必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．‎ ‎2．注意事项 ‎(1)打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减少摩擦阻力．‎ ‎(2)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．‎ ‎(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落．‎ ‎(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来计算．‎ ‎3．验证方案 方案一：利用起点和第n点：验证ghn＝v.‎ 方案二：任取较远两点A、B：验证ghAB＝v－v.‎ 过关检测 实验题 ‎1．（9分）在验证机械能守恒定律的实验中，使质量m=0.30kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，已知打点计时器每隔T=0.02s打一个点，当地的重力加速度为g=9.8m/s2．‎ ‎(1)同学甲选取一条纸带如图1所示．在点迹较清晰的部分选取某点O作为起始点，图中A、B、C、D为纸带上选取的四个连续点．根据计算出C点的速度，然后利用mgh=mvc2验证机械能守恒，这样处理存在的错误是____．‎ ‎(2)同学乙利用同学甲的纸带测量出：OB=15.55cm，OC=19.20cm，OD=23.23cm．根据测量数据计算重物和纸带下落的加速度a=____ m/s2，进一步计算重物和纸带下落过程中所受的阻力f=___ N．（计算结果均保留2位有效数字）‎ ‎(3)同学丙通过实验得到一条纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，以h为横轴，以为纵轴画出了如图2所示的图线，图线未过原点O．试分析同学丙在实验操作过程中可能出现的问题_____________．‎ ‎【答案】 O点不是打出来的第一个点，速度不为零，动能不为零． 9.5 0.090 该同学做实验时先释放了纸带，然后再合上打点计时器的开关 ‎2．（9分）在“验证机械能守恒定律”的实验中，小明同学利用传感器设计实验：如图，将质量为m、直径为d的金属小球在一定高度h由静止释放，小球正下方固定一台红外线计时器，能自动记录小球挡住红外线的时间t，改变小球下落高度h，进行多次重复实验．此方案验证机械能守恒定律方便快捷．‎ ‎（1）用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径d＝__________mm；Com]‎ ‎（2）为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，应作下列哪一个图象________；‎ A．h－t图象 B．h－图象 C．h－t2图象 D．h－图象 ‎（3）若（2）问中的图象斜率为k，则当地的重力加速度为__________（用“d”、“k”表示，忽略空气阻力）．‎ ‎【答案】 17.806 D ‎ ‎3．（9分）用图甲所示装置验证机械能守恒定律 ‎(1)电火花计时器的工作电压为________‎ ‎(2)下列做法正确的有________‎ A．图甲中两限位孔必须在同一直线上 B．实验前，手应提住纸带上端，并使纸带竖直 C．实验时，先放手松开纸带再接通打点计时器电源 D．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 ‎ (3)实验打出的纸带如乙图所示，则实验时纸带的________端(选填“左”或“右”)应和重物相连接．重物质量为m，若选取A、C两点为初末位置研究机械能守恒，则减少的重力势能是________(当地重力加速度为g)．‎ ‎【答案】 (1)220v (2)AB (3)右 mgS1‎ ‎4．（9分）如图1所示，气垫导轨a端固定在水平桌面上，b端到桌面的高度h可调，让滑块A沿导轨下滑，位移传感器B能将A、B间的距离数据实时传送到计算机。‎ ‎（1）甲同学用该装置验证机械能守恒定律，实验时测得导轨ab长度L=1.20 m，将高度h调节为0.60 m，让滑块A从紧靠传感器B的位置由静止释放，经计算机处理后得到的x–t图象和对应的v–t图象如图2、图3所示，若物块质量m=0.20 kg，取，则在0~0.50 s内，物块的重力势能减少量为=_____J；动能的增加量为=________J。（计算结果均保留两位有效数字）‎ ‎（2）乙同学用此装置验证“质量一定时，加速度与合外力成正比”的关系。‎ ‎①图4为他某次实验通过传感器和计算机拟合得到的v–t图象，由图线可得物块下滑的加速度大小为______。（计算结果保留2位有效数字）；‎ ‎②保持气垫导轨a端固定在水平桌面上，测得气垫导轨长度为L，多次调节b端距离水平桌面的高度h，得到每次实验中物块下滑的v–t图象，实验得到多组a和h的数据，若a和h的关系符合图5中的__________（选填A或B或C），可得“物块质量一定时，加速度与其所受合外力成正比”的结论，该图象的斜率为________________（用L和g表示）。‎ ‎【答案】 0.660或0.665都对0.55开始滑块静止时遮光条到光电门的距离sC ‎5．（9分）某实验小组在做“验证机械能守恒定律”的实验中，提出了如图所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行实验，乙方案为用小车在斜面上下滑进行实验。‎ ‎（1）两种方案中能够完成实验的是_____，理由是____________________。‎ ‎（2）该小组采用正确的装置打出的一条纸带如图丙所示，相邻两点间的时间间隔为0.02 s，则根据纸带计算出B点对应的速度为_______m/s（结果保留三位有效数字）。‎ ‎（3）该小组根据纸带，计算出了各点对应的速度v和各点与打下的第一个点间的距离h，作出的v2–h图象如图丁所示，根据图象可得当地的重力加速度g=_______m/s2（结果保留三位有效数字）‎ ‎【答案】 甲乙方案中小车与斜面间有摩擦力，且不能忽略，小车运动过程中机械能不守恒1.379.75‎ ‎6．（9分）某同学利用如图所示探究“机械能守恒定律”。实验步骤如下：‎ ‎（1）用游标卡尺测出挡光片的宽度d；‎ ‎（2‎ ‎）按图竖直悬挂好轻质弹簧，将轻质遮光条水平固定在弹簧下端；在铁架台上固定一位置指针，标示出弹簧不挂钩码时遮光条下边缘的位置，并测出此时弹簧长度x0；‎ ‎（3）测量出钩码质量m，用轻质细线在弹簧下方挂上钩码，测量出平衡时弹簧的长度x1，并按图所示将光电门组的中心线调至与遮光条下边缘同一高度，已知当地重力加速度为g，则此弹簧的劲度系数k=_______；‎ ‎（4）用手缓慢地将钩码向上托起，直至遮光条恰好回到弹簧原长标记指针的等高处（保持细线竖直），迅速释放钩码使其无初速下落，光电门组记下遮光条经过的时间Dt，则此时重锤下落的速度=________；‎ ‎（5）弹簧的弹性势能增加量__________，（用题目所给字母符号表示）；‎ ‎（6）钩码减小的机械能∆E=________；（用题目所给字母符号表示）‎ ‎（7）若∆EP与∆E近似相等时，说明系统的机械能守恒。‎ ‎【答案】 ‎ ‎7．（9分）某同学利用如图所示的气垫导轨验证机械能守恒定律。在气垫导轨上安装光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连 ‎（1）不挂钩码和细线，接通气源，滑块从导轨右端向左运动的过程中，发现滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间。则下列措施能够达到实验调整目标的是______。‎ A．调节P使导轨左端升高一些 B．调节Q使导轨右端降低一些 C．遮光条的宽度应适当大一些 D．滑块的质量增大一些 ‎（2）实验时，测出光电门1、2间的距离L，遮光条的宽度d，滑块和遮光条的总质量M，钩码质量m。由数字计时器读出遮光条通过光电门1、2的时间t1、t2，则系统机械能守恒成立的表达式是 ‎__________________。‎ ‎【答案】 AB2mgL=（m+M）（）d2‎ ‎8．（9分）如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。‎ ‎（1）对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是______________。‎ A．重物选用质量和密度较大的金属锤 B．两限位孔在同一竖直面内上下对正 C．精确测量出重物的质量 D．用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物 ‎（2）某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有____________。‎ A．OA、AD和EG的长度 B．OC、BC和CD的长度 C．BD、CF和EG的长度 D．AC、BD和EG的长度 ‎【答案】 ABBC ‎9．（9分）某同学利用如图所示探究“机械能守恒定律”．实验步骤如下：‎ ‎（1）用游标卡尺测出挡光片的宽度d；‎ ‎（2）按图竖直悬挂好轻质弹簧，将轻质遮光条水平固定在弹簧下端；在铁架台上固定一位置指针，标示出弹簧不挂钩码时遮光条下边缘的位置，并测出此时弹簧长度x0；‎ ‎（3）测量出钩码质量m，用轻质细线在弹簧下方挂上钩码，测量出平衡时弹簧的长度x1，并按图所示将光电门组的中心线调至与遮光条下边缘同一高度，已知当地重力加速度为g，则此弹簧的劲度系数k =_______；‎ ‎（4）用手缓慢地将钩码向上托起，直至遮光条恰好回到弹簧原长标记指针的等高处（保持细线竖直），迅速释放钩码使其无初速下落，光电门组记下遮光条经过的时间Dt，则此时重锤下落的速度=________；‎ ‎（5）弹簧的弹性势能增加量__________，（用题目所给字母符号表示）；‎ ‎（6）钩码减小的机械能∆E=________； （用题目所给字母符号表示）‎ ‎（7）若∆EP与∆E近似相等时，说明系统的机械能守恒。‎ ‎【答案】 ‎ ‎10．（10分）用如图甲所示的装置可验证机械能守恒定律。装置的主体是一个有刻度尺的立柱，其上装有可移动的铁夹A和光电门B。‎ 主要实验步骤如下：‎ ‎①用游标卡尺测量小球的直径d，如图乙所示；‎ ‎②用细线将小球悬挂于铁架台上，小球处于静止状态 ‎③移动光电门B使之正对小球，固定光电门；‎ ‎④在铁夹A上固定一指针（可记录小球释放点的位置）‎ ‎⑤把小球拉到偏离竖直方向一定的角度后由静止释放，读出小球释放点到最低点的高度差h和小球通过光电门的时间t；‎ ‎⑥改变小球释放点的位置，重复步骤④⑤。‎ 回答下列问题：‎ ‎（1）由图乙可知，小球的直径d=____mm；‎ ‎（2）测得小球摆动过程中的最大速度为_____（用所测物理量的字母表示）；‎ ‎（3）以h为纵轴，以____为横轴，若得到一条过原点的直线，即可验证小球在摆动过程中机械能守恒。‎ ‎（4）小球从释放点运动到最低点的过程中，不考虑细线形变的影响，小球减小的重力势能大于增加的动能的原因是_____。‎ ‎【答案】 （1）10.60 （2） （3） （4）克服空气阻力做功 ‎11．（10分）用如图1实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．图2给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．已知m1=50g、m2=150g，则（g取10m/s2，结果保留两位有效数字）‎ ‎（1）在纸带上打下记数点5时的速度v=_____m/s；‎ ‎（2）在打点0～5过程中系统动能的增量△EK=_____J，系统势能的减少量△EP=_____J，由此得出的结论是_____．‎ ‎【答案】 (1)2.4 (2)0.58 0.60 因此在在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒．‎