2021版高考物理一轮复习考点集训二十三第5节实验：探究动能定理验证机械能守恒定律含解析

2021版高考物理一轮复习考点集训二十三第5节实验：探究动能定理验证机械能守恒定律含解析

考点集训(二十三)第5节 实验：探究动能定理 验证机械能守恒定律 ‎1．(1)用如图所示的装置做“探究动能定理”的实验时，下列说法正确的是________．‎ A．为了平衡摩擦力，实验中可以将长木板的左端适当垫高，使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动 B．每次实验中橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样 C．可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值 D．可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值 E．实验中要先释放小车再接通打点计时器的电源 F．通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度 G．通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度 ‎(2)在“探究功与物体速度变化的关系”的实验中，根据所获得的数据，使用Excel作图，则下列图线可能正确的是________．‎ ‎[解析] (1)为了平衡摩擦力，实验中可以将长木板的左端适当垫高，使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动，选项A正确；每次实验中橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样，以保证每条橡皮条做功相等，选项B正确；可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值，选项C正确；此实验中要保证小车的质量不变，选项D错误；实验中要先接通打点计时器的电源再释放小车，选项E错误；通过打点计时器打下的纸带的点迹均匀的部分来测定小车加速过程中获得的最大速度，而不是测量小车加速过程中获得的平均速度，选项F正确，G错误；‎ ‎(2)实验中W与v的关系应该满足：W＝mv2，则图象A、C正确．‎ ‎[答案] (1)ABCF　(2)AC ‎2．某同学在研究性学习活动中想利用光电门来“验证机械能守恒定律”．如图甲所示，光电门A、B固定在竖直铁架台上(连接光电门的计时器未画出)，并让A、B的连线刚好竖直．小铁球在光电门A正上方(铁球球心与光电门A、B在同一竖直线上)从静止释放，测得小铁球经过光电门A、B的时间分别为Δt1与Δt2.‎ ‎(1)题中Δt1________Δt2.(填“＜”“＞”或“＝”)‎ 7‎ ‎(2)实验时，某同学用20分度游标卡尺测得小球的直径如图乙所示，由读数可知，小球直径d是________cm.‎ ‎(3)除了测得小球直径d还需要测量什么物理量？‎ 答：________________．(指出物理量并用合适字母表示)‎ 只要表达式________________________(用题中字母与g表示)成立即可验证机械能守恒定律．‎ ‎(4)下列说法正确的是________．‎ A．不同次实验，必须保证小球释放的位置必须在光电门A正上方，但上下位置可以改变 B．若小球具有竖直向下的初速度，小球从光电门A到光电门B的过程机械能不守恒 C．若把小铁球换成小木球，实验误差将减小 D．若光电门A损坏，将没有办法利用此装置验证机械能守恒 ‎[解析] (1)依据Δt＝，当经过光电门的速度越大时，则时间越短，由于经过A的光电门的速度小，因此其经过的时间长，即有Δt1＞Δt2；‎ ‎(2)游标卡尺的主尺读数为12 mm，游标读数为0.05×14 mm＝0.70 mm，则小球的直径d为：12.70 mm＝1.270 cm；‎ ‎(3)极短时间内的平均速度等于瞬时速度的大小，可知球A通过光电门的速度为：vA＝，同理有：vB＝.再利用位移与速度公式，结合小球直径d，即可求解结果，因此还需要测量位移h，根据速度位移公式得：v－v＝2gh，解得：＝＋gh；‎ ‎(4)不同次实验，必须保证小球释放的位置必须在光电门A正上方，但上下位置可以改变，故A正确；若小球具有竖直向下的初速度，只要没有阻力做功，则小球从光电门A到光电门B的过程机械能仍守恒，故B错误；若把小铁球换成小木球，阻力较大，实验误差将增大，故C错误；若光电门A损坏，将仍有办法利用此装置验证机械能守恒，在A处无初速度释放即可，故D错误．‎ ‎[答案] (1)>　(2)1.270　(3)A、B光电门之间的高度h　＝＋2gh　(4)A ‎3．利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图所示，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作滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A处由静止开始运动．‎ ‎(1)滑块通过B点的瞬时速度可表示为________；‎ ‎(2)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，‎ 7‎ 滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为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．‎ ‎[解析] (1)由于光电门的宽度b很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度，滑块通过光电门B速度为：vB＝；‎ ‎(2)滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量为：‎ ΔEk＝(M＋m)＝ 系统的重力势能减少量可表示为：‎ ΔEp＝mgd－Mgdsin θ＝(m－Msin θ)gd＝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．‎ ‎[答案] (1)vB＝　(2)　(3)gd ‎4．如图甲所示，气垫导轨上质量为M的滑块通过轻质细绳绕过滑轮与质量为m的钩码相连，绳子的悬挂点与拉力传感器相连，遮光条宽度为d.气源开通后，滑块在绳子拉力的作用下由静止释放，遮光条通过光电门的时间为Δt，拉力传感器的读数为F.不计滑轮质量、不计滑轮轴、滑轮与轻质细绳之间的摩擦．‎ ‎(1)某同学用螺旋测微器测遮光条宽度，螺旋测微器示数如图乙所示，d＝________mm.‎ ‎(2)某学习小组的同学欲探究绳子拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系，记录滑块释放时遮光条与光电门的距离L及其通过光电门的时间Δt，得到一系列L和Δt的数据，通过图象法处理数据时，为了获得线性图象应作________(选填“L－”“L－”或“L－(Δt)2”)图象，该图象的斜率k＝________(用题中字母表示)．‎ ‎[解析] (1)用螺旋测微器测遮光条宽度，螺旋测微器的固定刻度读数为3 mm，可动刻度读数为11.4×0.01 mm，则读数为(3＋11.4×0.01) mm＝3.114 mm；‎ ‎(2)由动能定理可得FL＝M，则有L＝·，则为了获得线性图象应做L－图象，该图象的斜率为k＝.‎ ‎[答案] (1)3.112～3.115　(2)L－　 ‎5．在用“落体法”做“验证机械能守恒定律”的实验时，小明选择一条较为满意的纸 7‎ 带，如图甲所示．他舍弃前面密集的点，以O为起点，从A点开始选取纸带上连续点A、B、C……，测出O到A、B、C……的距离分别为h1、h2、h3……，电源的频率为f.‎ ‎(1)为减少阻力对实验的影响，下列操作可行的是____．‎ A．选用铁质重锤 B．安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上 C．释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直 D．重锤下落中手始终提住纸带上端，保持纸带竖直 ‎(2)打B点时，重锤的速度vB为____________．‎ ‎(3)小明用实验测得数据画出的v2－h图象如图乙所示．图线不过坐标原点的原因是________________________．‎ ‎(4)另有四位同学在图乙的基础上，画出没有阻力时的v2－h图线，并与其比较，其中正确的是________．‎ ‎[解析] (1)为了减小阻力的影响，实验时重锤选择质量大一些的，体积小一些的，故A正确．安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上，从而减小阻力的影响，故B正确．释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直，可以减小阻力，故C正确．重锤下落过程中，手不能拉着纸带，故D错误．‎ ‎(2)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度知，B点的瞬时速度vB＝＝.‎ ‎(3)根据动能定理：F合h＝mv2－mv，得v2＝v＋2h，因为v2－h图象不过原点的原因是：打下O点时重锤速度不为零；‎ ‎(4)不论有无阻力，释放点的位置相同，即初速度为零时，两图线交于横轴的同一点，故B正确．‎ ‎[答案] (1)ABC　(2)　(3)打下O点时重锤速度不为零　(4)B ‎6．如图所示的装置可以用来测量滑块与水平面之间的动摩擦因数．在水平面上将弹簧的一端固定，另一端与带有挡光片的滑块接触(弹簧与滑块不固连)．压缩弹簧后，将其释放，滑块被弹射，离开弹簧后经过O处的光电门，最终停在P点．‎ ‎(1)除了需要测量挡光片的宽度d，还需要测量的物理量有________．‎ A．光电门与P点之间的距离s 7‎ B．挡光片的挡光时间t C．滑块(带挡光片)的质量m D．滑块释放点到P点的距离x ‎(2)动摩擦因数的表达式μ＝________(用上述测量量和重力加速度g表示)．‎ ‎[解析] (1)(2)实验的原理：根据遮光条的宽度与滑块通过光电门的时间即可求得滑块的速度：v＝，因此需要：通过光电门时间t，O到P的过程中，摩擦力做功，根据动能定理得：－μmgx＝0－mv2，联立以上两个公式得动摩擦因数的表达式：μ＝，还需要测量的物理量是：光电门P与O之间的距离s，故AB正确．‎ ‎[答案] (1)AB　(2) ‎7．如图甲所示是探究“恒力做功与物体动能改变的关系”实验装置，主要实验步骤如下：‎ ‎①用天平测出滑块(含滑轮)质量M＝240 g，并安装好实验装置；‎ ‎②适当垫高长木板不带滑轮的一端，滑块不挂轻绳，挂上纸带，轻推滑块使滑块沿长木板匀速运动；‎ ‎③轻绳通过轨道末端的滑轮和滑块上的滑轮，一端挂在力传感器上，另一端挂质量为m＝100 g的钩码，两轻绳与木板平行；‎ ‎④接通打点计时器电源，释放滑块，打出一条点迹清晰的纸带，如图乙所示，相邻计数点间时间间隔为0.1 s，并记录力传感器示数F＝0.39 N.‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)滑块从B运动到D的过程中，合力对滑块所做的功W＝________J，滑块动能的增量ΔEk＝________J；(计算结果均保留2位有效数字)‎ ‎(2)多次实验发现合力对滑块所做的功W总略大于滑块动能的增量ΔEk，可能的原因是________(填选项前面字母)．‎ A．没有满足滑块质量远大于钩码质量 B．平衡摩擦力过度 C．滑轮摩擦影响 ‎(3)利用该实验装置还可以完成的物理实验有：__________(写出一种即可)．‎ ‎[解析] (1)由图知，合外力对滑块做的功为：‎ W＝2FxBD＝0.14 J；‎ 根据匀变速直线运动的规律可求：‎ 7‎ vB＝＝0.6 m/s，vD＝＝1.2 m/s，‎ 所以滑块动能的增量：Ek＝Mv－Mv＝0.13 J；‎ ‎(2)因有拉力传感器测量绳上的拉力，故不需要满足滑块质量远大于钩码质量，A错误；若平衡摩擦过度，会有重力做正功，动能的增量应大于合外力做的功，所以B错误；滑轮有摩擦，需克服摩擦做功，有一部分能量转化为内能，动能的增量略小于合外力做的功，C正确；‎ ‎(3)有打点计时器、纸带，可研究匀变速直线运动的规律；也可测量滑块与长木板间的动摩擦因数；加速度、质量、合外力均可测，故也可以研究加速度与质量、合外力的关系．‎ ‎[答案] (1)0.14　0.13　(2)C　(3)研究匀变速直线规律；探究加速度与合外力的关系；探究加速度与质量的关系；测量滑块与长木板间的动摩擦因数 ‎8．某学习小组设计了一个实验方案——“用一把刻度尺测量质量为m的小物块Q与平板P之间的动摩擦因数”，实验装置如图．AB是半径足够大的、光滑的四分之一圆弧轨道，与水平固定放置的P板的上表面BC在B点相切，C点在水平地面的垂直投影为C′.重力加速度为g.实验步骤如下：‎ ‎①用刻度尺测量BC长度为L和CC′高度为h；‎ ‎②先不放置平板P(如图乙)，使圆弧AB的末端B位于C′的正上方，将物块Q在A点由静止释放，在物块Q落地处标记其落点D；‎ ‎③重复步骤②，共做10次；‎ ‎④用半径尽量小的圆将10个落点围住，用刻度尺测量圆心到C′的距离x1；‎ ‎⑤放置平板P(如图甲)，将物块Q由同一位置A由静止释放，在物块Q落地处标记其落地点D′；‎ ‎⑥重复步骤⑤，共做10次；‎ ‎⑦用半径尽量小的圆将10个落点围住，用刻度尺测量圆心到C′的距离x2.‎ ‎(1)实验步骤③④的目的是________________________________________________________________________．‎ ‎(2)用实验中的测量量表示物块Q滑到B点时的速度vB＝________．‎ ‎(3)物块Q与平板P之间的动摩擦因数μ＝________．‎ ‎(4)回答下列问题：‎ ‎(ⅰ)实验步骤③⑥的目的是______________．‎ ‎(ⅱ)已知实验测得的μ值比实际值偏大，其原因除了实验中测量量的误差之外，其他的原因可能是________(写出一个可能的原因即可)‎ ‎[解析] (1)实验步骤③④的目的是多次测量求平均值，减小偶然误差；‎ ‎(2)根据平抛运动特点：h＝gt2，解得t＝，所以物块Q滑到B点时的速度vB＝＝x1；‎ 7‎ ‎(3)根据平抛运动特点可知，在C点的速度vc＝＝x2；由动能定理可知：μmgL＝mv－mv，联立解得：μ＝；‎ ‎(4)(ⅰ)实验步骤③⑥是重复操作多次，目的是减小实验偶然误差；‎ ‎(ⅱ)测得的μ值比实际值偏大，其原因除了实验中测量量的误差之外，其他的可能是存在空气阻力或接缝B处不平滑．‎ ‎[答案] (1)多次测量求平均值，减小偶然误差　(2)x1 ‎(3)　(4)(ⅰ)重复操作多次，减小实验偶然误差　(ⅱ)存在空气阻力或接缝B处不平滑 7‎