2024高考物理一轮复习第四章机械能实验六验证机械能守恒定律教案鲁科版

PAGE10-试验六验证机械能守恒定律●留意事项1.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削减摩擦阻力.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,再松开纸带让重物下落.4.纸带长度应选用60cm左右为宜5.速度不能用vn=gtn或vn=QUOTE计算,速度应从纸带上干脆测量计算.同样的道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺干脆测量,而不能用hn=QUOTEgQUOTE或hn=QUOTE计算得出.●误差分析1.减小测量误差: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.误差来源: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=QUOTEmQUOTE必定稍小于重力势能的削减量ΔEp=mghn,改进方法是器材的安装,尽可能地减小阻力.常规试验[例1](2024·安徽定远重点中学期末)利用如图(甲)所示的装置做“验证机械能守恒定律”的试验.(1)除打点计时器(含纸带、复写纸)、沟通电源、铁架台、导线及开关外,在下面的器材中,必需运用的还有.(选填器材前的字母)

A.大小合适的铁质重锤B.体积较大的木质重锤C.刻度尺D.游标卡尺E.秒表(2)如图(乙)是试验中得到的一条纸带.在纸带上选取三个连续打出的点A,B,C,测得它们到起始点O的距离分别为hA,hB,hC.重锤质量用m表示,已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T.从打下O点到打下B点的过程中,重锤重力势能的削减量ΔEp=,动能的增加量ΔEk=.

(3)在试验过程中,下列试验操作和数据处理正确的是.

A.释放重锤前,使纸带保持竖直且重锤靠近打点计时器B.做试验时,先接通打点计时器的电源,再释放重锤C.为测量打点计时器打下某点时重锤的速度v,可测量该点到O点的距离h,再依据公式v=计算,其中g应取当地的重力加速度D.用刻度尺测量某点到O点的距离h,利用公式Ep=mgh计算重力势能的削减量,其中g应取当地的重力加速度(4)某同学在纸带上选取计数点后,测量它们到起始点O的距离h,并计算出打相应计数点时重锤的速度v,通过描绘v2h图象去探讨机械能是否守恒.若试验中重锤所受阻力不行忽视,且阻力大小保持不变,从理论上分析,合理的v2h图象是图中的哪一个.

解析:(1)为了减小阻力的影响,选择质量较大、体积较小的重锤,故A正确,B错误;在该试验中须要测量点迹间的距离,须要刻度尺,不须要游标卡尺,故C正确,D错误;打点计时器可以记录时间,不须要秒表,故E错误.(2)从打下O点到打下B点的过程中,重锤重力势能的削减量ΔEp=mghB,B点的速度为vB=则增加的动能为ΔEk=m=.(3)释放重锤前,应使纸带竖直且重锤尽量靠近打点计时器,故A正确;试验时,应先接通电源,再释放纸带,故B正确;为测量打点计时器打下某点时重锤的速度v,应依据纸带上某段时间内的平均速度等于瞬时速度求出,故C错误;计算从起先到下落一段高度的重力势能的削减量时,应利用公式Ep=mgh计算,故D正确.(4)若机械能守恒,有mgh=mv2,则v2=2gh,可知v2h图线为过原点的一条倾斜直线,图线斜率为2g,若重锤受大小不变的阻力f作用,则有(mg-f)h=mv2,则v2=2（g-）h,图线仍为直线,只是斜率小于2g,选项A正确.答案:(1)AC(2)mghB(3)ABD(4)A[例2](2024·全国Ⅰ卷,22)某同学用图(a)所示的试验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为沟通电源,可以运用的频率有20Hz、30Hz和40Hz.打出纸带的一部分如图(b)所示.该同学在试验中没有记录沟通电的频率f,须要用试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.

(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,试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.

解析:(1)由关系式Δs=aT2得s2-s1=a1,s3-s2=a2,则a==.依据=得vB==,vC==.(2)由牛顿其次定律得mg-1%mg=ma,而a=,由此得0.99g=,即f=Hz=40Hz.答案:(1)(2)401.(2024·内蒙古集宁一中高三月考)某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律.已知频闪仪每隔0.05s闪光一次,图中所标数据为实际距离,该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取9.8m/s2,小球质量m=0.200kg,结果保留三位有效数字).时刻t2t3t4t5速度(m/s)5.595.084.58(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5=m/s.

(2)从t2到t5时间内,重力势能增量ΔEp=J,动能削减量ΔEk=J,可知在误差允许的范围内机械能.

解析:(1)由于匀变速直线运动中,一段时间内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度,所以有v5==m/s=4.08m/s.(2)依据重力做功和重力势能的关系,小球增加的重力势能为ΔEp=mg(h2+h3+h4)=0.200×9.8×(26.68+24.16+21.66)×10-2J≈1.42J;小球削减的动能为ΔEk=m(-)=×0.200×[(5.59)2-(4.08)2]J≈1.46J.即在误差允许的范围内机械能守恒.答案:(1)4.08(2)1.421.46守恒2.(2024·山东枣庄八中测试)用如图1所示试验装置验证m1,m2组成的系统机械能守恒.m2从高处由静止起先下落,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给出的是试验中获得的一条纸带:0是打下的第一个点,计数点间的距离如图所示,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出).已知m1=50g,m2=150g,则(取g=9.8m/s2)(1)在纸带上打下计数点5时的速度v=m/s.

(2)在打点0~5过程中系统动能的增量ΔEk=J,系统势能的削减量ΔEp=J,说明在误差允许的范围内系统的机械能守恒.(结果保留三位有效数字)

(3)若某同学作出h图象如图3所示,则当地的实际重力加速度g=m/s2.

解析:(1)由匀变速直线运动的推论=得v5==m/s=2.40m/s.(2)系统动能的增加量ΔEk=Ek5-0=(m1+m2)=0.576J.系统重力势能减小量ΔEp=(m2-m1)gh=0.1×9.8×0.6000J=0.588J.在误差允许的范围内,m1,m2组成的系统机械能守恒.(3)由于系统机械能守恒,从起先释放m2到下降h高度,有(m1+m2)v2=ΔEp=(m2-m1)gh即=h,代入数据得=h.而h图象的斜率k==4.85,即=4.85,则g=9.70m/s2.答案:(1)2.40(2)0.5760.588(3)9.70创新试验[例3](2024·江苏卷,11)某同学用如图(甲)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=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点之间的势能变更大小ΔEp与动能变更大小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更的大小,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(2)用ΔEk=mv2计算钢球动能变更的大小,用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图(乙)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.

(3)下表为该同学的试验结果:ΔEp(×10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10-2J)5.0410.115.120.029.8他发觉表中的ΔEp与ΔEk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.解析:(1)钢球下落的高度为初末位置球心间的竖直距离,所以选B.(2)由图知读数为1.50cm(1.49~1.51都算对),钢球的速度为v=,代入数据解得v=1.50m/s(1.49~1.51都算对).(3)若是空气阻力造成的,则ΔEk应小于ΔEp,依据表格数据知不是空气阻力造成的.(4)钢球经过A点时,光电门的位置低于球心的位置,故试验中测得的钢球速度大于钢球在A点的实际速度.遮光条与钢球运动的角速度相等,由v=ω·r知,ω肯定时,v与r成正比,故分别测出光电门和球心到悬点的距离L和l,即可折算出钢球经过A点时的速度v′=·v.答案:(1)B(2)1.50(1.49~1.51都算对)1.50(1.49~1.51都算对)(3)见解析(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l,计算ΔEk时,将v折算成钢球的速度v′=v.[例4](2024·山东济宁期中)如图(甲)所示的装置叫做阿特伍德机,是英国数学家和物理学家阿特伍德创制的一种闻名力学试验装置,用来探讨匀变速直线运动的规律.某同学对该装置加以改进后用来验证机械能守恒定律,如图(乙)所示.(1)试验时,该同学进行了如下步骤:①将质量均为M的重物(A含挡光片、B含挂钩)用绳连接后,跨放在定滑轮上,处于静止状态.测量出(选填“A的上表面”“A的下表面”或“挡光片中心”)到光电门中心的竖直距离h.

②在B的下端挂上质量为m的物块C,让系统中的物体由静止起先运动,光电门记录挡光片挡光的时间为Δt.③测出挡光片的宽度d,计算有关物理量,验证机械能守恒定律.(2)假如系统(重物A,B以及物块C)的机械能守恒,应满意的关系式为(已知重力加速度为g).

(3)引起该试验系统误差的缘由可能是(写一条即可).

解析:(1)①须要测量系统重力势能的变更量,则应当测量出挡光片中心到光电门中心的竖直距离h;③系统的末速度为v=.(2)系统重力势能的减小量ΔEp=mgh,动能的增加量为ΔEk=(2M+m)v2=(2M+m)()2,若系统机械能守恒,则有mgh=(2M+m)()2.(3)系统机械能守恒的条件是只有重力做功,引起试验误差的缘由可能有:绳子有肯定的质量、滑轮与绳子之间有摩擦、重物运动受到空气阻力等.答案:(1)挡光片中心(2)mgh=(2M+m)()2(3)绳子有肯定的质量、滑轮与绳子之间有摩擦、重物运动受到空气阻力等1.(2024·山东济南模拟)利用气垫导轨验证机械能守恒定律,试验装置如图(甲)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,其总质量为M,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳和一质量为m的小球相连;遮光片平面与导轨所在平面平行,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处的距离,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,试验时滑块在A处由静止起先运动.(1)某次试验测得倾角θ=30°,重力加速度用g表示,滑块从A处到达B处时小球和滑块组成的系统动能增加量可表示为ΔEk=,系统的重力势能削减量可表示为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.(用题中字母表示)

(2)在上述试验中,某同学变更A,B间的距离,作出的d图象如图(乙)所示,并测得M=m,b=1cm,则重力加速度g=m/s2.

解析:(1)系统动能增加量可表示为ΔEk=(M+m)=,系统的重力势能削减量可表示为ΔEp=mgd-Mgdsin30°=(m-)gd.(2)若机械能守恒,有(m-)gd=,即=d,由图象得=m-1·s-2=48×103m-1·s-2,代入数据得g=9.6m/s2.答案:(1)(m-)gd(2)9.62.(2024·江西重点中学高三联考)用图(甲)所示的试验装置验证机械能守恒定律.气垫导轨上A处安装了一个光电门,滑块上固定一遮光条,滑块用绕过气垫导轨左端定滑轮的细线与钩码相连,每次滑块都从同一位置由静止释放,释放时遮光条位于气垫导轨上B位置的上方.(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d,如图(乙)所示,则d=mm.

(2)试验中,接通气源,滑块静止释放后,由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t,测得滑块质量为M,钩码质量为m,A,B间的距离为L.在试验误差允许范围内,钩