2020年高考物理必考17个实验精讲精练专题07验证机械能守恒定律含解析.pdf

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1、验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律 基本知识基本知识 机械能守恒定律：机械能守恒定律：只有重力做功，动能与重力势能相互转化，机械能守恒。 实验目的实验目的：通过研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，验证机械能守恒定律。 实验装置：实验装置： 实验步骤：实验步骤： （1）按上图安装装置 （2）先接通电源，后释放纸带 （3）选择打点清晰的纸带 （4）数据处理 数据处理：数据处理： （1）选取 0 点（从 0 点到 1 点距离约为 2cm） （2）选取适当的点 P （3）测物体下落的高度 h （4）计算 P 点的速度 v （5）验证是否符合即 2 2 1 gvgh 注意事项：不需要测物体质量 m

2、。 例题和习题例题和习题 1. 1. 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 验证机械能 守恒定律。 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 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

3、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_。 AOA、AD和EG的长度 BOC、BC和CD的长度 CBD、CF和EG的长度 D . AC、BD和EG的长度 2.某同学用图（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律2.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 率有和。打出纸带的一部分如图（b）所示。40Hz 该同学在实验中没有记录交流电的频率，需要用实验数据和其它题给条件进行推算。 f (1) 若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用和图（b）中给出的物理量可以写出：在打点计时器 f 打出 B 点时，重物下落的速度大小为_，打出 C

4、 点时重物下落的速度大小为_， 重物下落的加速度大小为_。 (2)已测得当地重力加速度大小为，实验中重物受到的 2 9.80m/s 平均阻力大小约为其重力的 1%，由此推算出为_。 f Hz 【答案】，；40 12 () 2 f SS 23 () 2 f SS 2 31 () 2 f SS 【解析】由于重物匀加速下落，各相邻点之间时间间隔相同，因此点应是从运动到的过程的BAC 中间时刻，由匀变速直线运动的推论可得： 点的速度等于段的平均速度，即B B vAC 12 2 B SS v t 由于，故 1 t f 同理可得 匀加速直线运动的加速度 v a t 故 重物下落的过程中，由牛顿第二定律可得

5、： gmF =ma 阻 由已知条件 0.01 gF =m 阻 由得 0.99ga 代入得：，代入数据得 40Hzf 3.利用图 2 装置做“验证机械能守恒定律”实验。3.利用图 2 装置做“验证机械能守恒定律”实验。 为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量 A.速度变化量和势能变化量 B.速度变化量和高度变化量 除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹） 、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使 用的两种器材是。 A.交流电源 B.刻度尺 C.天平（含砝码） 实验中，先接通电源，再释放重物，得到图 3 所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的

6、点A、B、C， 测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设 重物的质量为m。从打点到打点的过程中，重物的重力势能变化量 p E ，动能变化量 k E 。 大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是。 A利用公式vgt计算中午速度 B利用公式2vgh计算重物速度 C存在空气阻力和摩擦力阻力的影响 D没有采用多次试验去平均值的方法 某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点 O 的距离 h，计 算对应计数点的重物速度 v，描绘 2 vh图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，

7、则重物下落过 程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确。 【解析】 （2）根据机械能守恒定律可得，故需要比較动能变化量，A 正确； 电磁打点计时器使用的是交流电源，故 A 正确；因为在计算重力势能变化量时，需要用到纸带上两点之 间的距离，所以还需要刻度尺，故 B 正确 ； 根据可得等式两边的质量抵消，故不需要天平，C 错； 重力势能改变量为,由于下落过程中是匀变速直线运动， 所以根据中间时刻规律可得 B 点的速 PB Emgh 度为,所以 实验过程中存在空气阻力，纸带运动过程中存在摩擦力，C 正确； 该同学的判断依据不正确，在重物下落 h 的过程中，若阻力 f 恒定，根据 可知， 2

8、vh图像就是过原点的一条直线。要向通过 2 vh图像 的方法验证机械能是否守恒，还必须看图像的斜率是否接近 2g。 4.在“用 DIS 研究机械能守恒定律”的实验中，4.在“用 DIS 研究机械能守恒定律”的实验中，用到的传感器是 传感器。若摆锤直径的测量值大于 其真实值会造成摆锤动能的测量值偏 。 （选填：“大”或“小” ） 。 【答案】光电门；大 【解析】在实验中，摆锤的速度通过光电门进行测量，测量的速度是通过小球直径 d 与挡光时间的比值进 行计算，为，当摆锤直径大于真实值时，小球直径 d 变大，导致计算出的小球速度变大，故小球动 d v t 能也会变大。 5.某同学用如题图所示的装置验

9、证机械能守恒定律5.某同学用如题图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带为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， 取作为钢球经过A点时的速度 记录钢球每次下落 d v t 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 Ep与动能变化大小 Ek， 就能验证机械能是否守恒 题图 1 （1）用 Ep=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

10、在A点时的球心 （C）钢球在A点时的底端 （2）用 Ek=计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如题图 2 所示，其读数为 2 1 2 mv cm某次测量中，计时器的示数为 0.0100 s，则钢球的速度为v=m/s 题图 2 （3）下表为该同学的实验结果： 他发现表中的 Ep与 Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的你是否同意他的观点？请说明理 由 （4）请你提出一条减小上述差异的改进建议 【答案】 （1）B （2）1.50（1.491.51 都算对） 1.50（1.491.51 都算对） （3）不同意，因为空气阻力 会造成 Ek小于 Ep，但表中 Ek大于 Ep （4）

11、分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算 Ek 时，将v折算成钢球的速度 l vv L 【解析】 试题分析：(1)小球下落的高度为初末位置球心间的距离，所以选 B；（2）由题图知读数为 1.50cm，小球 的速度为，代入数据解得v=1.50m/s；（3）若是空气阻力造成的，则 Ek小于 Ep，根据表格数据 d v t 知 Ek大于 Ep，故不是空气阻力造成的 6.甲同学准备做“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验。6.甲同学准备做“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验。 （1）图 1 中 A、B、C、D、E 表示部分实

12、验器材，甲同学需在图中选用的器材_；乙同学需在 图中选用的器材_。 （用字母表示） （2）乙同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图 2 所示的两条纸带和。纸带_的 加速度大（填或者） ，其加速度大小为_. 【答案】 （1）AB；BDE （2）， （2.50.2）m/s2 【解析】 计算相邻位移的路程差， 为为， 所以的加速度大， 加速度。cm1 . 0cm05 . 0 【点评】本题考查“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验的 器材选择，打点计时器纸带的处理：计算加速度。难度：容易。 77有 4 条用打点计时器（所用交流电频率为 50Hz）打出的纸带

13、A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能 守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的 4 个点，用刻度 尺测出相邻两个点间距离依次为 S1、S2、S3。请你根据下列 S1、S2、S3的测量结果确定该纸带 为 。 （已知当地的重力加速度为 9.791m/s2） A.61.0mm 65.8mm 70.7mmB. 41.2mm 45.1mm 53.0mm C.49.6mm 53.5mm 57.3mmD. 60.5mm 61.0mm 60.6mm 【答案】C 【解析】验证机械能守恒采用重锤的自由落体运动实现，所以相邻的 0.02s 内的位移增加量为： ，答案为 C。

14、 88利用图示装置进行验证机械能守恒定律的实验验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速 度和下落高度。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。vh a. 用刻度尺测出物体下落的高度，并测出下落时间 ,通过计算出瞬时速度.htvgt 0 v b. 用刻度尺测出物体下落的高度，并通过计算出瞬时速度.h2vgh c. 根据做匀速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时 速度，并通过计算出高度. g v h 2 2 h d. 用刻度尺测出物体下落的高度，根据做匀速直线运动时纸带h 上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间

15、的平均速度，测算出瞬时速度。 0 v 以上方案中只有一种正确，正确的是 。 （填入相应的字母） 【答案】d 【解析】因为前 3 种方法用的公式都是在物体自由落体运动的基础上得到的，也就是认为机械能守恒成立 的基础上得到的。但本实验是“验证机械能守恒定律” ，所以 a，b，c 是错误的。D 是分别用实验的方法测 量 h 和计算 v，然后判断是否，即，所以只有 d 正确。 2 2 1 vgh 9.9.某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律弧形轨道末端水平，离地面的高度为H将钢球从 轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s h H s （1）若轨道完全

16、光滑，s2与h的理论关系应满足s2 （用H、h表示） （2）该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示： h（101m）2.003.004.005.006.00 s2 （101m2）2.623.895.206.537.78 请在坐标纸上作出s2h关系图 （3）对比实验结果与理论计算得到的s2h关系图线（图中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛 出的速率 （填“小于”或“大于”）理论值 1234567 0 2 4 6 8 10 12 14 理论 h/101 m s2/10 1 m2 （4）从s2h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因 是 【答案】4Hh

17、； 见图； 小于；摩擦，转动（回答任一即可） 【解析】 (1) 2 2 1 gtH vts 解得:hHs2 hHs4 2 （2）描点作图 1234567 0 2 4 6 8 10 12 14 理论 h/101 m s2/10 1 m2 (3) 小于 (4) 摩擦 10. 10. 如图所示，两个质量各为 m1和 m2的小物块 A 和 B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1m2， 现要利用此装置验证机械能守恒定律.验证机械能守恒定律. （1）若选定物块 A 从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有 （在答题卡上对应 区域填入选项前的编号） 物块的质量m1、m2； 物块 A 下落的

18、距离及下落这段距离所用的时间； 物块 B 上升的距离及上升这段距离所用的时间； 绳子的长度. （2）为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议： 绳的质量要轻： 在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好； 尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃； 两个物块的质量之差要尽可能小. 以上建议中确实对提高准确程度有作用的是 。 （在答题卡上对应区域填入选项前的编号） （3）写出一条上面没有提到的提高实验结果准确程度有益的建议： . 【解析与答案】(1)设 A 下降的高度为 h, 下落这段距离所用的时间为 t, 速度为 V, 机械能守恒的表达式为 , , t h v 2 物块 A 下落的距离及下落这段距离所用的时间与物块 B 上升的距离及上升这段距离所用的时间相等，所以 选 或 （2） （3）对同一高度进行多次测量求平均值，或选取受力后伸长尽量小的绳。