2020届高考物理总复习第五章机械能高效演练创新预测实验六验证机械能守恒定律（含解析）新人教版

2020届高考物理总复习第五章机械能高效演练创新预测实验六验证机械能守恒定律（含解析）新人教版

验证机械能守恒定律1.(2019·湛江模拟)如图甲所示，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。该装置中的打点计时器所接交流电源频率是50Hz。(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是_____。 A.精确测量出重物的质量B.两限位孔在同一竖直线上C.重物选用质量和密度较大的金属锤D.释放重物前，重物离打点计时器下端远些(2)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，如图乙所示。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。①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、OB和OG的长度B.OE、DE和EF的长度C.BD、BF和EG的长度D.AC、BF和EG的长度②用刻度尺测得图中AB的距离是1.76cm，FG的距离是3.71cm，则可计算得出当地的重力加速度是_________m/s2。(计算结果保留三位有效数字) 【解析】(1)因为比较mgh、mv2的大小关系，故m可约去，不需要测量重物的质量，对减小实验误差没有影响，故A错误；为了减小纸带与限位孔之间的摩擦力，n图甲中两限位孔必须在同一竖直线上，这样可以减小纸带与限位孔的摩擦，从而减小实验误差，故B正确；实验供选择的重物应该是相对质量较大、体积较小的物体，这样能减少摩擦阻力的影响，从而减小实验误差，故C正确；实验时，先接通打点计时器电源再放手松开纸带，对减小实验误差没有影响，故D错误。(2)①由OA、OB和OG的长度测量值，不能求得各点的瞬时速度，从而不能确定两者的动能变化，也无法求解重力势能的变化，故A错误；由OE、DE和EF的长度测量值，依据DE和EF的长度，可求得E点的瞬时速度，从而求得O到E点的动能变化，因知道OE间距，则可求得重力势能的变化，可以验证机械能守恒，故B正确；由BD、BF和EG的长度测量值，依据BD和EG的长度，可分别求得C点与F点的瞬时速度，从而求得动能的变化，但不能由BF确定重力势能的变化，从而无法验证机械能守恒，故C错误；由AC、BF和EG的长度测量值，依据AC和EG长度，只可分别求得B点与F点的瞬时速度，从而求得动能的变化，再由BF间距可求得重力势能的变化，则可验证机械能守恒，故D正确。②AB的距离是1.76cm，FG的距离是3.71cm，由=v·，因此==m/s=0.88m/s；同理，vFG中时刻==m/s=1.855m/s；由vFG中时刻=vAB中时刻+g×5T，则有g=m/s2=9.75m/s2。答案：(1)B、C　(2)①B、D　　②9.752.用图甲所示的实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。 n(2)实验中，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。在实验误差允许范围内，钩码减小的重力势能mgL与_____(用直接测量的物理量符号表示)相等，则机械能守恒。 (3)下列不必要的一项实验要求是_____(请填写选项前对应的字母)。 A.滑块必须由静止释放B.应使滑块的质量远大于钩码的质量C.已知当地重力加速度D.应使细线与气垫导轨平行(4)分析实验数据后发现，系统增加的动能明显大于钩码减小的重力势能，原因是___________。 【解析】(1)由图示游标卡尺可知，主尺示数为2mm，游标尺示数为14×0.05mm=0.70mm，则游标卡尺读数为2mm+0.70mm=2.70mm。(2)由于遮光条通过光电门的时间极短，可以利用平均速度来代替其瞬时速度，因此滑块经过光电门时的瞬时速度为v=，实验要验证机械能守恒定律，则有mgL=(M+m)v2=。(3)本实验中通过实验数据来判定钩码重力势能的减少量与系统动能的增加量的关系，不需要保证所挂钩码的质量m远小于滑块质量M，故A、C、D错误，B正确。(4)实验是通过钩码重力势能的减少量与系统动能的增加量的关系来验证机械能是否守恒，实验过程中发现系统动能增加量总是大于钩码重力势能的减少量，说明重力做功多，即滑块的重力也做功了，因此调节导轨时右端过高。答案：(1)2.70　(2)　(3)B(4)气垫导轨右端偏高3.(2019·石家庄模拟)小明同学利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中红外线发射器、接收器可记录小球的挡光时间。小明同学进行了如下操作：n(1)用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径为_____mm。 (2)该小球质量为m、直径为d。现使小球从红外线的正上方高h处自由下落，记录小球挡光时间t，已知重力加速度为g，则小球下落过程中动能增加量的表达式为_________；重力势能减少量的表达式为_____(用所给字母表示)。 (3)改变小球下落高度h，多次重复实验，发现小球动能的增加量总是小于重力势能的减少量，你认为可能的原因是___________(至少写出一条)。 【解析】(1)螺旋测微器的固定刻度为18.0mm，可动刻度为30.5×0.01mm=0.305mm，所以读数为18.0mm+0.305mm=18.305mm。(2)已知经过光电门时的时间，小球的直径，可以由平均速度表示经过光电门时的速度，即v=，则小球下落过程中动能增加量的表达式为ΔEk=m()2，重力势能减少量的表达式为ΔEp=mgh。(3)根据能量守恒定律分析，重力势能的减少量ΔEp往往大于动能的增加量ΔEk的原因是阻力做负功。答案：(1)18.305(2)m()2　mgh(3)阻力做负功4.(2019·潍坊模拟)在“验证机械能守恒定律”的实验中，一实验小组让小球自倾角为30°的斜面上滑下，用频闪相机记录了小球沿斜面下滑的过程，如图所示，测得B、C、D、E到A的距离分别为x1、x2、x3、x4，已知相机的频闪频率为f，重力加速度g取9.8m/s2。(1)滑块经过位置D时的速度vD=_________。 n(2)选取A为位移起点，根据实验数据作出v2-x图线，若图线斜率k=_________，则小球下滑过程机械能守恒。 (3)若改变斜面倾角进行实验，请写出斜面倾角大小对实验误差的影响。___________。 【解析】(1)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可以求出D点的速度为vD==f。(2)若减小的重力势能等于增加的动能时，则机械能守恒，故mgH=mv2，即gxsin30°=v2，解得v2=gx，根据实验数据作出v2-x图线，若图线斜率k=g=9.8m/s2，则小球下滑过程机械能守恒。(3)小球的动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEP，主要原因是该过程中有阻力做功，使小球的一部分重力势能转化为内能；当斜面倾角越大，压力减小，则摩擦阻力变小，因此阻力做功越少，则误差越小。答案：(1)f　(2)9.8　(3)斜面倾角越大，误差越小【加固训练】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。 nA.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计算钢球动能变化的大小，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)如表所示为该同学的实验结果：ΔEp/×10-2J4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/×10-2J5.0410.115.120.029.8他发现表中的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)将钢球视为质点，所以钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到钢球在A点时的球心的距离。(2)从图中读出遮光条宽度为1.50cm(1.49cm～1.51cm都算对)。速度v==1.50m/s。(3)实验中若有空气阻力作用，会造成ΔEk小于ΔEp，所以该同学的观点是错误的。(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。答案：(1)B　(2)1.50(1.49～1.51都算对)　1.50　(3)不同意，因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp，但表中的ΔEk大于ΔEp。n(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。5.某实验小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律，实验主要步骤如下：①将光电门安装在固定于水平地面上的长木板上；②将细绳一端连在小车上，另一端绕过两个定滑轮后悬挂一钩码，调节木板上滑轮的高度，使该滑轮与小车间的细绳与木板平行；③测出小车遮光板与光电门之间的距离L，接通电源，释放小车，记下小车遮光板经过光电门的时间t；④根据实验数据计算出小车与钩码组成的系统动能的增加量和钩码重力势能的减少量。(1)根据上述实验步骤，实验中还需测量的物理量有_________。 A.小车上遮光板的宽度dB.小车的质量m1C.钩码的质量m2D.钩码下落的时间t′(2)由实验步骤和(1)选项中测得的物理量，可得到系统动能增加量的表达式为___________，钩码重力势能减少量的表达式为___________。 改变L的大小，重复步骤③、④，若在误差范围内，系统动能的增加量均等于钩码重力势能的减少量，说明该系统机械能守恒。【解析】小车通过光电门的瞬时速度v=，则系统动能的增加量ΔEk=(m1+m2)v2=，钩码重力势能的减小量ΔEp=m2gL，可知还需要测量的物理量有小车上遮光板的宽度d、小车的质量m1、钩码的质量m2，故A、B、C正确，D错误。n答案：(1)A、B、C　(2)　m2gL