2021年高考物理一轮复习考点16实验探究动能定理验证机械能守恒定律课件

实验：探究动能定理验证机械能守恒定律考点16题组一基础与经典题1．“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图甲。当小车在1条橡皮筋的作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W；当用2条、3条……完全相同的橡皮筋进行第2次、第3次……实验时，由于每次实验中橡皮筋的拉伸长度相同，因此第2次、第3次……实验中橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W……，每次实验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带求出。(1)关于该实验，下列说法正确的是________。(填选项字母)A．打点计时器可以用干电池供电B．必须平衡摩擦力C．每次实验，小车必须从同一位置由静止弹出D．可以选用规格不相同的橡皮筋(2)图乙为某次实验打出的纸带，从中截取了测量小车最大速度所用的一段纸带，测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB＝1.60cm，BC＝1.62cm，CD＝1.64cm，DE＝1.64cm；已知相邻两点打点时间间隔为0.02s，则小车获得的最大速度vm＝________m/s。(结果保留两位有效数字)BC0.82解析(1)电磁打点计时器使用的是低压交流电源，故A错误；为了保证小车的动能的变化值都是橡皮筋做功的结果，必须平衡摩擦力，长木板要适当地倾斜，故B正确；根据实验原理可知，每次实验，小车必须从同一位置由静止弹出，故C正确；根据实验原理可知，橡皮筋必须是相同的，故D错误。(2)要测量最大速度，应该选用点迹间距恒定的部分。即应选用纸带的CE段，相邻两点打点时间间隔为0.02s，最大速度vm＝xt＝1.64×10－20.02m/s＝0.82m/s。解析2．某实验小组用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。(1)某同学按照正确操作得到纸带如图2所示，其中O是起始点，M、N、P为从合适位置开始选取的连续点中的三个点，打点频率为50Hz，该同学用毫米刻度尺测量O到M、N、P各点的距离，并记录在图中，重物的质量为m＝0.1kg，重力加速度g＝9.8m/s2。根据图上所得的数据，应取图中O点到________点来验证机械能守恒定律较为简便。N(2)从O点到(1)问中所取的点，重物重力势能的减少量为ΔEp＝________J，其动能的增加量为ΔEk＝________J。(结果保留三位有效数字)(3)若测出纸带上所有各点到O点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v及重物下落的高度x，则以v2为纵轴、x为横轴画出的图象是下图中的________。0.1850.184C解析(1)所取终点的速度应该能由纸带上的数据求出，则可知应取图中的N点来验证机械能守恒定律。(2)重物重力势能的减少量为ΔEp＝mgxON＝0.1×9.8×18.90×10－2J≈0.185J其动能的增加量：ΔEk＝12mv2N＝12×0.1×22.93－15.25×10－20.042J≈0.184J。(3)由mgx＝12mv2，得v2＝2gx，可知v2­x图象为一过原点的倾斜直线，则C正确。解析3．如图所示为倾斜放置的气垫导轨，用来验证机械能守恒定律。已知滑块的质量为m，滑块上遮光条的宽度为d，重力加速度为g。现将滑块由静止释放，两个光电门G1和G2分别记录了遮光条通过光电门的时间t1和t2，则滑块通过两个光电门过程中的动能变化ΔEk＝________________，滑块通过两个光电门过程中重力势能的变化ΔEp＝________(用图中所标符号表示)。若两者在实验误差允许范围内相等，则滑块在下滑过程中机械能守恒。若实验中滑块以初速度v0下滑，则上述方法________(选填“能”或“不能”)验证机械能守恒。12mdt22－12mdt12mgHsL能解析滑块从光电门G1运动到光电门G2的过程中，重力势能的减少量为：ΔEp＝mgHsL；而动能的增加量为：ΔEk＝12mdt22－12mdt12。无论滑块是否有初速度，只需满足在误差范围内ΔEp＝ΔEk，即可验证机械能守恒定律。解析题组二高考真题4.(2017·天津高考)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，撤手释放重物AB(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz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BC解析(1)A对：验证机械能守恒定律时，为降低空气阻力的影响，重物的质量和密度要大。B对：为减小纸带与打点计时器间的摩擦，两限位孔要在同一竖直平面内上下对正。C错：验证机械能守恒定律的表达式为mgh＝12mv2，重物的质量没必要测量。D错：此做法对减小实验误差无影响。(2)利用纸带数据，根据mgh＝12mv2即可验证机械能守恒定律。要从纸带上测出重物下落的高度并计算出对应的速度，选项A、D的条件中，下落高度与所能计算的速度不对应；选项B的条件符合要求，可以取重物下落OC时处理；选项C中，可以求出C、F点的瞬时速度，又知CF间的距离，可以利用12mv22－12mv21＝mgΔh验证机械能守恒定律。解析5．(2017·北京高考)如图1所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验。(1)打点计时器使用的电源是________(选填选项前的字母)。A．直流电源B．交流电源B(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是______(选填选项前的字母)。A．把长木板右端垫高B．改变小车的质量在不挂重物且________(选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车。若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。A．计时器不打点B．计时器打点AB(3)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O。在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T。测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……如图2所示。实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg。从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W＝______，打B点时小车的速度v＝________。mgx2x3－x12T(4)以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出如图3所示的v2–W图象。由此图象可得v2随W变化的表达式为___________________________________。根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v2这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是________。v2＝4.7W(4.5W～5.0W均认为正确)质量(5)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v2–W关系的是________。A解析(1)打点计时器使用交变电流，故应选用交流电源。(2)平衡摩擦力和其他阻力时采用垫高长木板右端，使小车的重力的分力与摩擦力及其他阻力平衡，阻力包含了打点时振针与纸带之间的摩擦，故需要在打点状态下判断是否达到平衡要求。(3)由做功公式知：W＝mgx2；利用匀变速直线运动中间时刻的速度等于本段时间内的平均速度知，B点速度等于AC段的平均速度，vB＝x3－x12T。解析(4)根据图线，关系式写为v2＝kW＋b，在直线上取两点，如(1.4×10－2,0.07)(8×10－2,0.38)，代入上式，解得k≈4.7，b≈0.004，在作图误差允许的范围内，表达式可写为v2＝4.7W。把功的单位用基本单位表示，J＝N·m＝kg·m2·s－2，容易得出与图线斜率有关的物理量单位为kg－1，故与图线斜率有关的物理量应是质量。解析(5)若重物质量m不满足远小于小车质量M，则绳子对小车的拉力实际不等于重物的重力，由mg＝(M＋m)a和F＝Ma知F＝MM＋mmg，由动能定理得：12mv2＝Fx，v2＝2Fmx＝2MgM＋mx，而W＝mgx，则实际v2­W图线的斜率k＝2MM＋mm，重物质量m与小车质量M不变，速度虽然增大，但斜率不变，选项A正确。解析6．(2019·江苏高考)某兴趣小组用如图1所示的装置验证动能定理。(1)有两种工作频率均为50Hz的打点计时器供实验选用：A．电磁打点计时器B．电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择________(选填“A”或“B”)。B(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动。同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除。同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动。看法正确的同学是________(选填“甲”或“乙”)。(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码。接通打点计时器电源，松开小车，小车运动。纸带被打出一系列点，其中的一段如图2所示。图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度vA＝________________________________m/s。乙0.31(0.30～0.33都算对)(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L。小车动能的变化量可用ΔEk＝12Mv2A算出。砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g。实验中，小车的质量应________(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用W＝mgL算出。多次测量，若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理。远大于解析(1)电磁打点计时器打点时运动的纸带受到的阻力较大，而电火花打点计时器打点时运动的纸带所受阻力较小，故选B。(2)由于刚开始运动，拉力等于最大静摩擦力，而最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，故平衡摩擦力的两种看法中，乙同学正确。(3)取与A点相邻的两点，用毫米刻度尺测出两点之间的距离，如图所示，可测得x＝1.24cm。用这一段的平均速度表示A点的瞬时速度，则vA＝x2T＝1.24×10－22×0.02m/s＝0.31m/s。(4)由题意知，本实验用砝码、砝码盘和沙子的总重力大小表示小车受到的拉力大小，故要求小车的质量应远大于砝码、砝码盘和沙子的总质量。解析7．(2016·江苏高考)某同学用如图1所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点。光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v＝dt作为钢球经过A点时的速度。记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。(1)用ΔEp＝mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到________之间的竖直距离。A．钢球在A点时的顶端B．钢球在A点时的球心C．钢球在A点时的底端B(2)用ΔEk＝12mv2计算钢球动能变化的大小。用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图2所示，其读数为_____________________________cm。某次测量中，计时器的示数为0.0100s，则钢球的速度为v＝_____________________________m/s。1.50(1.49～1.51都算对)1.50(1.49～1.51都算对)(3)下表为该同学的实验结果：ΔEp(×10－2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×1