【物理】2020届一轮复习人教版实验：探究功与速度关系和验证机械能守恒学案

【物理】2020届一轮复习人教版实验：探究功与速度关系和验证机械能守恒学案

‎2020届一轮复习人教版 实验：探究功与速度关系和验证机械能守恒 学案 ‎● 探究功与速度变化的关系●‎ 一、实验原理 ‎（1）一根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功为W.‎ ‎（2）两根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为2W.‎ ‎（3）三根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为3W.‎ ‎（4）利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度，列表、作图，由图象可以确定速度变化与功的关系．‎ 二、实验器材 ‎1．变力做功：橡皮筋、小车、木板、打点计时器和纸带、铁钉等。‎ ‎2．恒力做功：钩码、小车、带滑轮的木板、打点计时器和纸带（或光电门）、细绳等。‎ 三、主要误差 ‎1．橡皮筋不能严格相同，使橡皮筋拉力做的功与橡皮筋的条数不成正比。‎ ‎2．钩码的重力作为小车受到的合外力时，钩码质量没有远小于小车质量造成的系统误差。‎ ‎3．平衡摩擦力不足或过度。‎ 注意事项 ‎1．平衡摩擦力时，小车应拉着纸带，使小车重力沿斜面向下的分力与木板对小车的摩擦力、打点计时器对纸带的阻力平衡。平衡时，打点计时器打出的纸带上点迹间距相等，即小车做匀速直线运动。‎ ‎2．变力做功时，测小车速度应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分。‎ ‎3．恒力做功时，用光电门测速度，应考虑挡光部分的大小造成的误差。‎ ‎4．小车质量应大一些，使力不变时，加速度较小，纸带上打下的点多一些。‎ ‎ 1．如图所示为“探究恒力做功与动能改变的关系”的实验装置．实验过程中，为了让小车所受合外力大小近似等于钩码的重力大小：‎ ‎（1）细线应该与长木板平面______ （填“A”或“B”）；      ‎ A．平行    B．不平行  ‎ ‎（2）是否需要平衡摩擦力______ （填“A”或“B”）；    ‎ A．需要    B．不需要  ‎ ‎（3）小车质量M与钩码质量m的关系应满足______  （填“A”或“B”）．  ‎ ‎   A．M＜＜m    B．M＞＞m．‎ ‎【答案】（1）A；（2）A；（3）B ‎（2）要使拉力等于合力，则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力，即本实验需要平衡摩擦力，故A正确，B错误；‎ 故选：A ‎ ‎（3）只有当小车质量M远远大于钩码的质量时，才可以用钩码的重力代替绳子的拉力，故B正确，A错误；‎ 故选：B ‎ 故答案为：（1）A；（2）A；（3）B ‎ 2．做“探究功和速度变化的关系”实验时，有如图所示的甲、乙两套实验装置。请回答下列问题.‎ ‎（1）两种实验装置操作正确的是_________‎ A．都不需要平衡摩擦力 B．乙图中小车的质量要远大于钩码的质量 C．甲图橡皮筋做的功可以直接测量 D．所用的打点计时器都必须使用交流电源 ‎（2）用甲图实验装置打的纸带如丙图所示，其中AG段小车做加速运动，GK段小车做匀速运动，那么应该用_________（填“AG” 或“GK”）段来计算小车的速度。‎ ‎（3）用乙图实验装置在正确操作情况下打出的纸带如丁图所示。某同学想利用BE段验证动能定理，测出纸带上AC间的距离，DF间的距离，BE间的距离。那么，该同学用天平分别测出小车质量M； 钩码的总质量m；已知打点计时器的打点频率为f，从打B点到打E点的过程中，合力对小车做的功是_____________，小车动能的增量是________________。（用题中的物理量符号表示）‎ ‎【答案】 （1）BD （2）GK （3） ‎ ‎（2）小车加速过程中橡皮条在一直对小车做功，只有当小车做匀速直线运动时，橡皮条才对小车做功完毕，故应使用GK段计算小车的速度；‎ ‎（3）利用BE段验证动能定理，合力对小车做功为，小车动能的变化量为：‎ ‎。 ‎ ‎10．某实验小组采用如图2甲所示的装置探究功与速度变化的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，打点计时器工作频率为50 Hz．‎ ‎（1）实验中木板略微倾斜，这样做____________（填答案前的字母）．‎ A、是为了释放小车后，小车能匀加速下滑 B、是为了增大橡皮筋对小车的弹力 C、是为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功 D、是为了使橡皮筋松驰后小车做匀加速运动 ‎（2）若根据多次测量数据画出的W－v草图如图乙所示，根据图线形状可知，对W与v的关系作出的以下猜想肯定不正确的是________．‎ A．W∝ B．W∝ C．W∝v2 D．W∝v3‎ ‎【答案】（1）C（2）AB 考点：探究功与速度变化的关系 ‎ ● 验证机械能守恒定律●‎ 一、 实验原理 如图所示，质量为m的重物从O点自由下落，以地面作为零重力势能面，若果忽略空气阻力，下落过程中在任意两点A和B处重物的机械能守恒，即，该式亦可写成 ‎。‎ 等式说明，重物重力势能的减少量等于动能的增加量。为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图中A点）来进行研究，这时应有，该式即为本实验要验证的表达式，式中h是重物从O点下落至A点的瞬时速度。‎ 二、实验器材 打点计时器，低压交流电源，带有铁夹的铁架台，纸带，复写纸，带架子的重物，刻度尺，导线。‎ 三、实验步骤 ‎1．安装置：按装置图安装器材，沿竖直方向将打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。‎ ‎2．打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。‎ 更换纸带重复做3~5次实验。‎ ‎3．选纸带 ‎（1）用验证时，应选取点迹较为清晰，且1、2两点间的距离略小于或接近2 mm的纸带。‎ ‎（2）用验证时，由于重力势能具有相对性，选择纸带时应选适当的点为基准点，只要后面的点迹清晰就可选用。‎ 四、数据处理 方法一：利用起始点和第n点进行计算。‎ 将实验数据代入mghn和，在实验误差允许的条件下，若mghn和相等，则验证了机械能守恒定律。‎ 方法二：任取两点进行计算。‎ ‎（1）任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB。‎ ‎（2）算出的值。‎ ‎（3）在实验误差允许的条件下，若mghAB=，则验证了机械能守恒定律。‎ 方法三：图象法 从指戴上选取多个带，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算出各点速度的平方v2，然后以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出v2/2 –h图线。若在误差许可的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。‎ 注意事项 ‎1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔要调整在数值方向上，以减小摩擦阻力。‎ ‎2．应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可减小体积，使空气阻力减小。‎ ‎3．实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，先接通电源，待打点计时器稳定工作后，再松开纸带。‎ ‎4．测下落高度时，要从第一个打点测起，并且各点对应的下落高度要一次测量完。‎ ‎5．速度不能用vn=gtn或计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用vn=gtn计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的结论，实际上由于摩擦阻力的影响，机械能应减小，故速度应通过纸带上的数据计算得到。同样道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用或计算得到。‎ ‎ ‎ ‎ 1．甲同学准备做“探究功与物体速度变化的关系”实验。乙同学准备做“验证机械能守恒定律”实验。‎ ‎ （1）图为实验室提供的部分器材，甲、乙均要使用的器材是______（填字母代号）；‎ ‎（2）用一条纸带穿过打点计时器的限位孔，发现有图2的两种穿法，两同学犹豫不决。你认为 ‎（选填“A”或“B”）的穿法更合理；‎ ‎（3）图是甲乙两同学在实验中得到的两条纸带①、②，纸带①中b点的速度为_______m/s，其中纸带______是验证机械能守恒定律实验得到的（填“①”或“②”）；‎ ‎（4）关于这两个实验下列说法正确的是______（填字母代号）‎ A．甲同学可以利用纸带上任意两点间的距离求所需速度 B．甲同学实验时长木板倾斜的目的是使橡皮筋所做的功等于合力所做的功 C．乙同学可以取纸带上任意2个计时点进行数据处理 D．乙同学实验时使重物靠近打点计时器释放的目的是为了获取更多的计时点 ‎【答案】 （1） D （2） B （3）0.70（0.68--0..72） ② （4）BD ‎2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，回答下列问题：‎ ‎（1）用打点计时器打出一条纸带，前后要连续进行一系列的操作，下列各步骤的合理顺序是_______；‎ A．释放纸带 B．接通电源 C．取下纸带 D．切断电源 ‎（2）如图，释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是_______（填“甲”、“乙”、“丙” 或“丁”）；‎ ‎（3）如图（b），某同学用正确的方法获得了一条纸带，并以起点为记数点O，后隔一段距离，取连续点为记数点A、B、C、D、E、F，如图所示。已知重锤的质量为0.5kg，则电磁打点计时器打下E点时，重锤减少的重力势能ΔEP=_______J（取重力加速度g=9.8m/s2，计算结果保留三位有效数字），由于受阻力的影响，重锤增加的动能ΔEK与减少的重力势能ΔEP的大小关系为ΔEK_______ΔEP（选填“大于”、“小于”或“等于”）。‎ ‎【答案】（1）BADC （2）丙 （3）0．35 小于 ‎3．如图1是在利用重锤下落验证机械能守恒定律的实验中得到的一条纸带．已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地的重力加速度 g=9.80m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg，纸带上0点为打的第一个点，A、B、C、D是某部分连续打出的四个点，它们到0点的距离如图2所示．则由图中数据可知，打点计时器打下计数点C时，物体的速度VC= m/s；重物由0点运动到C点的过程中，重力势能的减少量等于 J，动能的增加量等于 J（取三位有效数字）．‎ 实验结果发现动能增量不等于重力势能的减少量；造成这种现象的主要原因是 A．选用的重锤质量过大 B．数据处理时出现计算错误 C．空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力 D．实验时操作不够细，实验数据测量不准确．‎ ‎【答案】3.90，7.62，7.61，C ‎【解析】试题分析：根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出C点速度大小，从而得出动能的增加量，根据下降的高度求出重力势能的减小量．‎ 根据实验的原理确定实验误差的来源．‎ 解：C点的瞬时速度为 3.90m/s，则动能的增加量为：7.61J；重力势能的减小量为：7.62J．‎ 实验结果发现动能增量不等于重力势能的减少量；造成这种现象的主要原因是空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力．故选：C．‎ 故答案为：3.90，7.62，7.61，C．‎ ‎4．（1）做“验证机械能守恒定律”的实验，已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器，还必须选取的器材是图中的 （填字母）‎ ‎（2）该实验要验证的是重锤重力势能的减少等于它动能的增加，以下说法正确的是 （填字母）‎ A．必须用天平称出重锤的质量 B．要把纸带的一端固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，把重锤提升到靠近打点计时器的位置 C．要先接通电源，再释放纸带 D．要用秒表测出重锤下落的时间 ‎（3）实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，把第一个点记做O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62．40cm、70．20cm、78．00cm、85．80cm。已知重锤的质量为2．00kg，打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9．80m/s2。根据以上数据，可知重锤由O点运动到C点，重力势能的减少量等于 J，动能的增加量等于 J。（结果均取3位有效数字）‎ ‎【答案】（1）BD（2）BC（3）15．3 15．2‎ ‎（3）重力势能减小量为：．在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此有：，‎ ‎1．（浙江新高考2018年4月选考科目物理）（1）用图1所示装置做“探究功与速度变化的关系”实验时，除了图中已给出的实验器材外，还需要的测量工具有_______（填字母）；‎ A．秒表 B．天平 C．刻度尺 D．弹簧测力计 ‎（2）用图2所示装置做“验证机械能守恒定律”实验时，释放重物前有下列操作，其中正确的两项是_________（填字母）；‎ A．将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上 B．手提纸带任意位置 C．使重物靠近打点计时器 ‎（3）图3是小球做平抛运动的频闪照片，其上覆盖了一张透明方格纸。已知方格纸每小格边长均为0.8 cm，由图中可知小球的初速度大小为_____m／s（g取10 m／s2，结果保留两位有效数字）。‎ ‎【答案】 （1）C （2）AC （3）0.70‎ ‎（3）由平抛运动的规律得：水平方向，竖直方向，联立解得：。 ‎ ‎ 5．（浙江省名校协作体2019届高三上学期9月联考）某实验小组同学采用如图1所示的实验装置进行相关的力学实验：‎ 如图2是研究匀变速直线运动实验时得到的一条纸带，A、B、C、D为计数点，相邻两个计数点之间还有4个实际打点未画出，据此纸带可知小车在E点速度大小为______，小车加速度大小为______保留三位有效数字。‎ 在“探究功与速度变化的关系”实验时，某实验小组同学利用细线拉力对小车做功，用打点计时器记录小车从静止释放后的运动情况，用刻度尺量取某个计数点到第一个点的距离x，并算出该计数点的瞬时速度v，则 该小组同学实验前需要平衡小车的摩擦力吗？______（填“是”或“否”）。盘及盘中砝码的总质量m 和小车质量M之间必须满足吗？_____（_填“是”或“否”）‎ 根据实验得到的x与v关系的多组数，我们要验证的是x与______成正比。‎ ‎【答案】（1）0.245 0.420 （2） 否 否 ‎ ‎6．（浙江嘉兴市2018届高三选考模拟考试）（1）下图实验器材中，能用于“探究小车速度随时间变化的规律”、“探究加速度与力、质量的关系”、“探究做功与物体速度变化的关系”、“验证机械能守恒定律”四个分组实验的是___________‎ ‎（2）某组同学做“探究加速度与力、质量的关系”实验，实验开始时器材摆放如图所示，其中错误或不合理的是（写出其中三处）：_________________；______________________；_____________________。‎ ‎【答案】（1）CD （2） 错接直流电 未平衡摩擦力 ‎ 小车右端绳子未与轨道平行；小车初始位置离计时器过远 ‎ ‎（2）需要小车在木板上运动的位移大些，故需小车靠近打点计时器，而图中小车没有靠近打点计时器；绳子的拉力提供小车的拉力，而图中没有调节滑轮使绳子与木板平行；打点计时器需要的是交流电源，而图中使用的是直流电源；未平衡摩擦力.‎ ‎6．（浙江省嘉兴市2019届高三普通高校招生选考科目教学测试）1）在“探究求合力的方法”实验中，除了图甲中所给的器材外，还必须使用的测量工具有_________‎ A.天平 B.刻度尺 C.秒表 D.量角器 ‎（2）如图所示是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置，实验中下列操作正确的是_______。‎ A.调节木板使木板保持水平状态 B.调节细绳使细绳与木板平行 C.释放小车时应使小车靠近打点计时器 D.选取的小盘和砝码总质量应与小车质量接近 ‎（3）在“验证机被能守恒定律的实验中，实验装置如图所示。某同学使重锤自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，该同学选取一条纸带如图所示纸带上O点对应的速度为零，为了验证OF段机械能守恒，计算F点速度vF时，下列方法正确的是__________‎ A.测量OF的间距xOF，再利用运动学公式vF=计算 B.测量OF的间距xOF，再利用功能关系mgxOF=计算 C.已知O点到F点的时间tOF=0.12s，再利用公式vF=gtOF计算 D.已知E点到G点时间tEG=0.04s，测量EG的间距xEG，再利用公式vF=计算 ‎【答案】BBCD ‎（2）A项：实验中要使长木板倾斜来平衡摩擦力，故A错误；‎ B项：为使测量更精确，细绳使细绳与木板平行，故B正确；‎ C项：为了打出更多的点释放小车时应使小车靠近打点计时器，故C正确；‎ D项：为了能用小盘和砝码总重力近拟等于小车的合外力，选取的小盘和砝码总质量应远小于小车质量，故D错误；‎ 故BC正确；‎ ‎（3）A项：不能用vF=计算，因为加速度不等于g，故A错误；‎ ‎7．（2016届浙江省嘉兴市高三上学期期末考试）某实验小组通过自由落体运动验证机械能守恒定律，小组成员选择所需实验仪器，安装好的实验装置如图甲所示（电源已接）乙图是打点计时器的局部放大图，纸带足够长。然后打开电源，移开托住重锤的手，开始实验，请回答：‎ ‎（1）由如图装置可知该小组的操作存在不合理的地方，请指出其中两条：‎ ‎①_____________________________②_________________________________。‎ ‎（2）实验使用频率为50Hz的交流电源，重锤的质量是200g，实验小组在各项操作正确的情况下，得到一条点迹清晰的纸带。把纸带上打的第一个点记为计时起点，用毫米刻度尺测量各点到计时起点的距离，如图丙是截取的一小段纸带，A.B.C.D是纸带上连续的四个计时点，打B点时，重锤的动能为_____J，从开始下落到打B点时重锤减少的重力势能为________J。（，结果保留两位小数）‎ ‎【答案】（1）①打点计时器没有水平安装，两个限位孔应该在同一竖直线上，②复写纸应在纸带的上面，③释放重锤时，手不应该托着重锤，（2）、‎ ‎【解析】试题分析：（1）①打点计时器没有水平安装，两个限位孔应该在同一竖直线上，②复写纸应在纸带的上面，③释放重锤时，手不应该托着重锤，（应捏着纸带的上端，并使纸带在竖直平面内） ‎ ‎ 8．（2016届浙江嘉兴一中等高三五校联考）“验证机械能守恒定律”的实验方法之一是：若某一时刻重锤下落的瞬时速度为v，下落高度为h，则应满足：mgh＝mv2，借助打点计时器即可验证机械能是否守恒，实验装置如图所示。‎ ‎（1）本实验中，需要学生测定的物理量有 （填写序号）；‎ A．重锤质量m B．瞬时速度v C．下落高度为h D．重力加速度g E．下落时间t F．摩擦阻力和空气阻力 ‎（2）关于实验，正确的说法有 。‎ A．选择的测定点距离起始点要接近2mm B．为保证打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，必须借助于重锤线 C．要减少纸带与限位孔间的摩擦力和空气阻力的影响，应选用合适的重锤 D．如果先根据纸带测定重力加速度g，则瞬时速度v和下落高度h这两个物理量中只需测定一个，其换算依据是公式 ‎【答案】BC；C。‎ ‎9（2016届浙江绍兴第一中学高三9月回头考） ．小明同学采用如图1所示的装置进行“验证机械能守恒定律”实验。‎ ‎（1）除了图1装置中的器材之外，还必须从图2中选取实验器材，其名称是 ；‎ ‎（2）指出图1装置中不合理的地方（一处） ；‎ ‎（3）小明同学得到了如图3的一条纸带，读出0、4两点间的距离为 cm；‎ ‎（4）已知打点计时器的电源频率为50 Hz，打下计数点5时纸带速度的大小为 m/s（保留2位有效数字）。‎ ‎【答案】（1）刻度尺（2）重锤离打点计时器太远（3）3.10（4）0.91～0.92‎ ‎【解析】试题分析：（1）应该选取一个测量点间距离的工具，游标卡尺与测微器虽然精确，但操作不方便，刻度尺即可；（2）不合理的是重力太低，应该将重物提高一些，提到计时器附近；（3）读出0、4两点间的距离为4.10cm－1.00cm=3.10cm；（4）打下计数点5时纸带速度的大小v5==0.91m/s。‎ ‎10．（浙江省杭州市2019届高三上学期物理模拟）如图1所示为用电火花打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置．‎ ‎（1）点计时器的电源频率为50Hz，当地的重力加速度g=9.8m/s2，重物质量为0.2kg．实验中得到一条点迹清晰的纸带如图2所示，打P点时，重物的速度为零，A、B、C为另外3个连续点，根据图中的数据，可知重物由P点运动到B点，重力势能少量△Ep=________J，在B点的动能Ek=________J（计算结果均保留3位有效数字）‎ ‎（2）B的距离用h表示，打B点时重物的速度为vB，当两者间的关系式满足___________时，说明下落过程中重锤的机械能守恒（已知重力加速度为g）．‎ ‎（3）实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是___________‎ A．重物的质量过大 B．重物的体积过小 C．电源的电压偏低 D．重物及纸带在下落时受到阻力．‎ ‎【答案】（1）0.0982 0.0960 （2）vB2 =2gh （3）D ‎ ‎（3）重物的质量过大，重物和纸带受到的阻力相对较小，所以有利于减小误差，故A错误．重物的体积过小，有利于较小阻力，所以有利于减小误差，故B错误．电源的电压偏低，电磁铁产生的吸力就会减小，吸力不够，打出的点也就不清晰了，与误差的产生没有关系，故C错误．重物及纸带在下落时受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能减小除了转化给了动能还有一部分转化给摩擦产生的内能，所以重物增加的动能略小于减少的重力势能，故D正确．故选D.‎ ‎ 11．（2018年11月浙江省普通高校招生选考科目考试物理仿真模拟）用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。‎ ‎（1）下列物理量中，必需直接测量的是________（填写代号）‎ A．重锤质量 B．重力加速度 C．重锤下落的高度 D．与下落高度对应的重锤的瞬时速度 ‎（2）设重锤质量为m、打点计时器的打点周期为T、重力加速度为g。图乙是实验得到的一条纸带，A、B、C、D、E为相邻的连续计时点。根据测得的x1、x2、x3、x4，写出重锤由B点到D点重力势能减少量的表达式_____________，动能增加量的表达式________________。由于重锤下落时要克服阻力做功，所以该实验的动能增量总是________（选填“大于”、“等于”或“小于”）重力势能的减少量。‎ ‎【答案】（1）C （2）mg（x3–x1） 小于 ‎ ‎（2）选取B、D两点为初末位置研究机械能守恒。重物减少的重力势能是ΔEp=mgh=mg（x3–x1），根据匀变速直线运动中中间时刻的速度等于该过程中的平均速度，，，则从B到D动能的变化量：，由于空气阻力和摩擦力阻力的作用，重物动能的增加总是小于重力势能的减小。‎ 故本题答案是：（1）. C （2）. mg（x3–x1） （3）. （4）. 小于 ‎ ‎