2020版高考物理一轮复习 第五章 实验六 验证机械能守恒定律课件 新人教版

实验六验证机械能守恒定律高效演练强化提升研透命题点研透命题点命题点一教材原型实验某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz.打出纸带的一部分如图(b)所示．该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算．(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，打出C点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度大小为________．s1＋s2f2s2＋s3f2s3－s1f22(2)已测得s1＝8.89cm，s2＝9.50cm，s3＝10.10cm；当地重力加速度大小为9.80m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为________Hz.40【解析】(1)利用做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，可得打点计时器打出B点时重物下落的速度vB＝s1＋s22T＝s1＋s2f2；打出C点时重物下落的速度vC＝s2＋s32T＝s2＋s3f2.根据加速度的定义，重物下落的加速度大小为a＝vC－vBT＝(vC－vB)f＝s3－s1f22.(2)根据题述，重物下落受到的阻力为0.01mg，由牛顿第二定律得，mg－0.01mg＝ma，解得a＝0.99g.由s3－s1f22＝0.99g，解得f＝40Hz.1．如图1所示，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置可验证机械能守恒定律．(1)已准备的器材有打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物，此外还需要的器材是.A．直流电源、天平及砝码B．直流电源、刻度尺C．交流电源、天平及砝码D．交流电源、刻度尺D(2)安装好实验装置，正确进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图2所示．图中O点为打点起始点，且速度为零．选取纸带上打出的连续点A、B、C、…作为计时点，测出其中E、F、G点距起始点O的距离分别为h1、h2、h3.已知重物质量为m，当地重力加速度为g，计时器打点周期为T.为了验证此实验过程中机械能是否守恒，需要计算出从O点到F点的过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝，动能的增加量ΔEk＝(用题中所给字母表示)．mgh2mh3－h128T2(3)实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量，关于这个误差下列说法正确的是.A．该误差属于偶然误差B．该误差属于系统误差C．可以通过多次测量取平均值的方法来减小该误差D．可以通过减小空气阻力和摩擦阻力的影响来减小该误差BD(4)某同学在实验中发现重物增加的动能略小于重物减少的重力势能，于是深入研究阻力f对本实验的影响．他测出各计时点到起始点的距离h，并计算出打下各计数点时的速度v，用实验测得的数据绘制出v2­h图线，如图3所示．图象是一条直线，此直线斜率k＝(可能用到的物理量有m、g、f)2mg－fm解析：(1)打点计时器的工作电源是交流电源，在实验中需要刻度尺测量纸带上点与点间的距离从而可知重物下落的距离，以及通过纸带上两点的距离，求出平均速度，从而可知瞬时速度，纸带上相邻两计时点的时间间隔已知，所以不需要秒表，重物的质量可以不必测量，因此还需要的器材有D；(2)从打下O点到打下F点的过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝mgh2，F点的瞬时速度：vF＝h3－h12T，则动能的增加量为ΔEk＝12mv2F＝mh3－h128T2；(3)实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量，这个误差是系统误差，无法避免，可以通过减少空气阻力和摩擦阻力的影响来减小误差，BD正确；(4)根据能量关系可知：mgh＝12mv2＋fh，解得v2＝2mg－fmh，可知图线的斜率k＝2mg－fm.数据处理的方法汇总方法一：用12mv2＝mgh验证时，利用起始点和第n点计算．方法二：用12mv2B－12mv2A＝mgΔh验证时，任取两点计算．方法三：图象法，从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出12v2­h图线．若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．命题点二实验拓展创新1．实验器材、装置的改进2．速度测量方法的改进由光电门计算速度――→替代测量纸带上各点速度．3．实验方案的改进利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律．类型1实验情景创新如图所示，气垫导轨上滑块的质量为M，悬挂的钩码质量为m，遮光条宽度为d，气源开通后滑块在牵引力的作用下先后通过两个光电门的时间为Δt1和Δt2，当地重力加速度为g.(1)若光电计时器还记录了滑块从光电门1运动到光电门2所用的时间Δt，用上述装置测量滑块运动的加速度，则加速度的表达式为________________________(用所给物理量表示)．(2)用上述装置探究滑块加速度a与滑块质量M及滑块所受拉力F的关系时，要用钩码重力mg代替绳子的拉力，则m与M之间应满足________．dΔt2－dΔt1Δtm≪M(3)若两光电门间的距离为l，则可用上述装置验证系统在运动过程中的机械能守恒．滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，满足关系式____________________________________时(用所给物理量表示)，滑块和钩码组成的系统机械能守恒．正常情况下，在测量过程中，系统动能的增加量总是________(填“大于”“等于”或“小于”)钩码重力势能的减少量．mgl＝12(M＋m)dΔt22－dΔt12小于【解析】(1)光电门测量滑块瞬时速度的原理是遮光条通过光电门的速度可以用平均速度代替，根据运动学公式即可求出滑块运动的加速度a.(2)只有在滑块质量远大于钩码质量时，才可近似认为滑块受到的拉力等于钩码的重力．(3)实验原理：求出滑块通过光电门1时的速度v1，通过光电门2时的速度v2，测出两光电门间的距离l，在这个过程中，系统减少的重力势能ΔEp＝mgl，增加的动能为ΔEk＝12(M＋m)v22－12(M＋m)v21；当mgl＝12(M＋m)dΔt22－dΔt12时，可验证系统机械能守恒；由于阻力的存在，系统动能的增加量小于钩码重力势能的减少量．2．如图甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验．有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为H(H≫d)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g.则：(1)如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径d＝mm.(2)小球经过光电门B时的速度表达式为.7.25v＝dt(3)多次改变高度H，重复上述实验，作出1t2随H的变化图象如图丙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式时，可判断小球下落过程中机械能守恒．(4)实验中发现动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，增加下落高度后，则ΔEp－ΔEk将(填“增大”“减小”或“不变”)．2gH0t20＝d2增大解析：(1)由题图乙可知，主尺读数为7mm，游标尺读数为5×0.05mm＝0.25mm，故小球直径d＝7mm＋0.25mm＝7.25mm.(2)已知小球经过光电门B的时间和小球的直径，则小球经过光电门B时的速度v＝dt.(3)若减少的重力势能等于增加的动能，可以认为机械能守恒，则有mgH0＝12mv2，即2gH0＝dt02，整理得2gH0t20＝d2.(4)因为该过程中有克服阻力做功，而高度越高，阻力做功越多，故增加下落高度后，ΔEp－ΔEk增大．类型2实验方案改进利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图1所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B点的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A点由静止开始运动．(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度b，结果如图2所示，由此读出b＝________mm.(2)滑块通过B点的瞬时速度可表示为____________________．(3)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑块从A点到达B点时小球和滑块(包括遮光片)组成的系统动能增加量可表示ΔEk＝________，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝__________，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp，则可认为系统的机械能守恒．3.85btm＋Mb22t2(m－M2)gd(4)在上次实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的v2­d图象如图3所示，并测得M＝m，则重力加速度g＝________m/s2.9.6【解析】(1)宽度b为3mm＋17×0.05mm＝3.85mm.(2)滑块通过B点的速度为vB＝bt.(3)滑块从A点到达B点时小球和滑块(包括遮光片)组成的系统动能增加量为ΔEk＝12(M＋m)(bt)2＝m＋Mb22t2，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝mgd－Mgdsin30°＝(m－M2)gd，比较ΔEp和ΔEk，若在实验误差允许的范围内相等，即可认为机械能是守恒的．(4)根据系统机械能守恒有12(M＋m)v2＝(m－M2)gd，则v2＝2m－MM＋mgd，v2­d图象的图线斜率k＝2m－MM＋mg.由图象可知，k＝2.40.5m/s2＝4.8m/s2，又M＝m，则有g＝M＋m2m－M×k＝9.6m/s2.3．用如图所示实验装置验证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．下图给出的是实验中获取的一条纸带：打点计时器每隔T＝0.02s打一个点，0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有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．(g取10m/s2，结果保留两位有效数字)(1)在纸带上打下计数点5时的速度v＝/s；(2)在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝J，系统势能的减少量ΔEp＝J，由此得出的结论是；(3)若某同学作出的12v2­h图象如图所示，则当地的实际重力加速度g＝m/s2.2.4m0.580.60在误差允许的范围内，系统的机械能守恒9.7解析：本题考查实验“验证机械能守恒定律”．(1)利用匀变速直线运动的推论v5＝x46t46＝0.2160＋0.2640m2×0.1s＝2.4m/s；(2)系统动能的增量ΔEk＝Ek5－0＝12(m1＋m2)v25＝12×(0.05＋0.15)×2.42J≈0.58J．系统重力势能减小量ΔEp＝(m2－m1)gh＝0.1×10×(0.3840＋0.2160)J＝0.60J．在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒；(3)由于ΔEk＝Ek5－0＝12(m1＋m2)v25＝ΔEp＝(m2－m1)gh，由于(m1＋m2)＝2(m2－m1)，得12v2＝g2h，所以12v2­h图象的斜率k＝g2得g＝9.7m/s2.高效演练强化提升1．在验证机械能守恒定律的实验中，所用电源的频率f＝50Hz，某次实验选择一条较理想纸带，某同学用毫米刻度尺测量从起始点O依次到A、B、C、D、E、F各点的距离分别记作x1、x2、x3、x4、x5、x6，并记录在下表中.符号x1x2x3x4x5x6数值(×10－2m)0.190.761.713.064.786.87(1)在实验过程中需要用工具进行直接测量的是()A．重锤的