高考物理一輪復(fù)習(xí) 第六章 微專題42 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律考點(diǎn)及要求：(1)實(shí)驗(yàn)原理與操作；(2)數(shù)據(jù)處理與注意問題1某同學(xué)用如圖1所示的裝置通過研究重錘的自由落體運(yùn)動(dòng)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律已知重力加速度為g.圖1(1)在實(shí)驗(yàn)所需的物理量中，需要直接測量的是_，通過計(jì)算得到的是_(填寫代號)A重錘的質(zhì)量B重錘下落的高度C重錘底部距水平地面的高度D與下落高度對應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度(2)在實(shí)驗(yàn)得到的紙帶中，我們選用如圖2所示的起點(diǎn)O與相鄰點(diǎn)之間距離約為2 mm的紙帶來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律圖中A、B、C、D、E、F、G為七個(gè)相鄰的原始點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn)設(shè)相鄰點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T，下列表達(dá)式可以用在本實(shí)驗(yàn)中計(jì)算F點(diǎn)速度vF的是_AvFg(nT) BvFCvF DvF圖2(3)若代入圖2中所測的數(shù)據(jù)，求得v在誤差范圍內(nèi)等于_(用已知量和圖中測出的物理量表示)，即可驗(yàn)證重錘下落過程中機(jī)械能守恒即使在操作及測量無誤的前提下，所求v也一定會(huì)略_(選填“大于”或“小于”)后者的計(jì)算值，這是實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差的必然結(jié)果2某同學(xué)用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，可以提供輸出電壓為6 V的交流電和直流電，交流電的頻率為50 Hz.重錘從高處由靜止開始下落，重錘拖著的紙帶上打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)測量并分析，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律圖3(1)他進(jìn)行了下面幾個(gè)操作步驟：A按照圖示的裝置安裝器件；B將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；C用天平測出重錘的質(zhì)量；D先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶；E測量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；F根據(jù)測量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于其增加的動(dòng)能其中沒有必要進(jìn)行的步驟是_，操作不當(dāng)?shù)牟襟E是_(填選項(xiàng)字母)(2)這位同學(xué)進(jìn)行正確測量后挑選出一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測量分析，如圖4所示，其中O點(diǎn)為起始點(diǎn)，A、B、C、D、E、F為六個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)根據(jù)紙帶上的測量數(shù)據(jù)，可得出打B點(diǎn)時(shí)重錘的速度為_ m/s.(保留3位有效數(shù)字)圖4(3)他根據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù)算出各點(diǎn)的速度v，量出下落距離h，并以為縱軸、以h為橫軸，作畫出的h圖像，應(yīng)是下列圖中的_(4)他進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)存在較大誤差，為此對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律：通過電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過程中經(jīng)過光電門B時(shí)，通過與之相連的毫秒計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)記錄擋光時(shí)間t，用毫米刻度尺測出A、B之間的距離h，用游標(biāo)卡尺測得小鐵球的直徑d.重力加速度為g.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)整光電門位置使小鐵球下落過程中球心通過光電門中的激光束則小鐵球通過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度v_.如果d、t、h、g滿足關(guān)系式_，就可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律圖5(5)比較兩個(gè)方案，改進(jìn)后的方案相比原方案的最主要的優(yōu)點(diǎn)是：_.3利用圖6實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律圖6(1)實(shí)驗(yàn)操作步驟如下，請將步驟B補(bǔ)充完整：A按實(shí)驗(yàn)要求安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；B使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，接著先_，后_，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn)；C圖7為一條符合實(shí)驗(yàn)要求的紙帶，O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一點(diǎn)分別測出若干連續(xù)點(diǎn)A、B、C與O點(diǎn)之間的距離h1、h2、h3.圖7(2)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T，重物質(zhì)量為m，重力加速度為g，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中所測得的h1、h2、h3，可得重物下落到B點(diǎn)時(shí)的速度大小為_，紙帶從O點(diǎn)下落到B點(diǎn)的過程中，重物增加的動(dòng)能為_，減少的重力勢能為_(3)取打下O點(diǎn)時(shí)重物的重力勢能為零，計(jì)算出該重物下落不同高度h時(shí)所對應(yīng)的動(dòng)能Ek和重力勢能Ep，建立坐標(biāo)系，橫軸表示h，縱軸表示Ek和Ep，根據(jù)以上數(shù)據(jù)在圖8中繪出圖線和圖線.已求得圖線斜率的絕對值k12.96 J/m，請計(jì)算圖線的斜率k2_ J/m(保留3位有效數(shù)字)重物和紙帶下落過程中所受平均阻力與重物所受重力的比值為_(用k1和k2表示)圖8(4)通過對k1和k2的比較分析，可得到的結(jié)論是(只要求寫出一條)：_.4.用如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律如圖11給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，所用電源的頻率為50 Hz，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖10所示已知m150 g、m2150 g，則：(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)圖9圖10(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5_m/s；(2)在打下第0點(diǎn)到打下第5點(diǎn)的過程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量Ek_ J，系統(tǒng)重力勢能的減少量Ep_J；(取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭10 m/s2)(3)若某同學(xué)作出v2h圖像如圖11所示，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭_m/s2.圖11答案解析1(1)BD(2)C(3)ghn小于解析(1)由于該實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，即mghmv2，即v2gh，所以結(jié)合打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的裝置可知，需要直接測量的是“重錘下落的高度”；通過計(jì)算得到的是“與下落高度對應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度”；(2)由于F點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于其相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，故C是正確的，雖然選項(xiàng)B計(jì)算的也是F點(diǎn)的速度，但它是利用機(jī)械能守恒定律來計(jì)算出來的，而本實(shí)驗(yàn)是用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的，故它不適合在本實(shí)驗(yàn)中用來計(jì)算F點(diǎn)的速度；(3)由于vghn，故驗(yàn)證了該式，就可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律；由于空氣阻力或摩擦的存在，使得瞬時(shí)速度的測量會(huì)偏小一些，故v也一定會(huì)略小一些2(1)CB(2)1.84(3)C(4)gh(5)消除了紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦影響，提高了測量的精確度，從而減小了實(shí)驗(yàn)誤差解析(1)要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，需要驗(yàn)證mv2mgh，則只需驗(yàn)證v2gh即可，故不需要測出重錘的質(zhì)量，所以沒有必要進(jìn)行的步驟是C.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器只能使用交流電源，故操作不當(dāng)?shù)牟襟E是B.(2)由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知，B點(diǎn)的速度為vB m/s1.84 m/s.(3)由關(guān)系式v2gh可知，v2h圖像應(yīng)是過原點(diǎn)的傾斜直線，故選C.(4)小鐵球通過光電門的時(shí)間很短，故可用小鐵球經(jīng)過光電門的平均速度近似求出小鐵球通過光電門的瞬時(shí)速度，即v，代入v2gh可得gh.3(1)接通電源放開紙帶(2)mgh2(3)2.80(2.732.87均可)(k1用mg表示也可)(4)k2小于k1，動(dòng)能的增加量小于重力勢能的減少量(其他結(jié)論合理的也可)解析(3)對圖線：Epmgh，即k1mg，對圖線：Ek(mgf)h，即k2mgf，所以fk1k2，.4(1)2.4(2)0.580.60(3)9.7解析(1)v5 m/s2.4 m/s(2)Ek(m1m2)v00.58 JEpm2gh5m1gh50.60 J(3)由(m2m1)gh(m1m2)v2知即圖線的斜率k解得g9.7 m/s2