统考版高考物理一轮复习第五章机械能实验六验证机械能守恒定律含答案

这是一份统考版高考物理一轮复习第五章机械能实验六验证机械能守恒定律含答案，共11页。试卷主要包含了基本原理与操作，数据处理等内容，欢迎下载使用。

一、基本原理与操作
二、数据处理
1．数据处理
(1)方案一：利用起始点和第n点计算：验证ghn＝12vn2.
(2)方案二：任取较远两点A、B：验证ghAB＝12vB2−12vA2.
(3)方案三：图象法，描绘出12v2 ­ h图线．
2．结论
在实验误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒．
(1)打点计时器要竖直：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减少摩擦阻力．
(2)重物密度要大：重物应选用质量大、体积小的物体．
(3)一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落．
(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝hn+1−hn−12T，不能用vn＝2ghn或vn＝gt来计算．
(5)误差分析：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．
(6)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＝12mvn2必定稍小于重力势能的减少量mghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．
考点一 教材原型实验
例1. [2021·浙江6月，17(1)]
在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示．O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点．
①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
②已知交流电频率为50 Hz，重物质量为200 g，当地重力加速度g＝9.80 m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|＝________ J、C点的动能EkC＝________ J(计算结果均保留3位有效数字)．比较EkC与|ΔEp|的大小，出现这一结果的原因可能是________(单选)．
A.工作电压偏高
B．存在空气阻力和摩擦力
C．接通电源前释放了纸带
跟进训练
1.图1是某同学验证机械能守恒定律实验装置，提供的器材如下：铁架台、电磁打点计时器、学生电源、导线若干、纸带、重锤、铁夹．当地的重力加速度g取9.8 m/s2.
(1)该同学还应补充的实验器材是________．
(2)图2是该同学将打点计时器连接至电源的情景，连接正确的是________(选填“甲”或“乙”)．
(3)该同学实验中得到的一条纸带如图3所示，已知打点计时器无故障且打点正常，则由此判断该同学在实验中最有可能的错误操作是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(4)该同学正确操作得到的一条纸带如图4所示，O点对应重锤做自由下落的初始位置，该同学从合适位置开始选取了三个连续的计数点A、B、C，OB距离已在图中标出．该同学选择OB段来验证重锤的机械能是否守恒，则他还需________．
A．仅测量AC段的长度
B．仅测量AB段的长度
C．仅测量OC段的长度
D．仅测量OA段的长度
(5)他又从几条纸带中选择了一条较为理想的纸带，用刻度尺测得各计数点到O点的距离(单位：mm)如图5所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点(所用电源的频率为50 Hz)．
若重锤的质量为0.05 kg，则重锤从开始下落到打B点时，减少的重力势能是________ J，从重锤下落到打B点时增加的动能是________ J，据此得到的结论是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(g取9.8 m/s2，结果保留三位有效数字)
2．“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示．
(1)甲同学按照正确的实验步骤操作后，选出一条纸带如图乙所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点．从纸带上A点开始每隔一个点取一个计数点，取得两个计数点B和C.该同学用刻度尺测得OA＝9.62 cm，OB＝15.89 cm，OC＝23.64 cm.已知打点计时器每0.02 s打一个点，重物的质量为m＝1.00 kg，取g＝9.80 m/s2.在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝________ J，重物动能的增加量ΔEk＝________ J．(结果保留3位有效数字)
(2)乙同学利用该实验装置测定当地的重力加速度．打点计时器打出一条纸带后，他利用纸带测出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，以h为横轴，以12v2为纵轴画出了如图丙所示的图线．图线明显偏离原点，若测量和计算都没有问题，其原因可能是________________________________．测出图线的斜率为k，如果阻力不可忽略，则当地的重力加速度g________(填“大于”“等于”或“小于”)k.
考点二 拓展创新实验
例2. [2021·河北卷，12]某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系．所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g，其上可放钩码)、刻度尺．当地重力加速度为9.80ms2.实验操作步骤如下：
①安装器材，调整两个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；
②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；
③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；
④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果如下表所示．
回答下列问题：
(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为________ J(保留3位有效数字)；
(2)步骤④中的表格所缺数据为________；
(3)以M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出ΔE ­ M图象；
若只考虑滑块与木板之间的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为________(保留2位有效数字)．
跟进训练
3.[2022·8省联考真题广东卷]为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图(a)装置，不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h，实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图(b)，其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：
(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量ΔEp＝________，动能的增加量ΔEk＝________．(均用题中所给字母表示)
(2)观察图(b)中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(3)为减小实验误差，实验时应选用密度________(选填“较大”或“较小”)的小球．
4．[2021·山东卷，13]某乒乓球爱好者，利用手机研究乒乓球与球台碰撞过程中能量损失的情况．实验步骤如下：
①固定好手机，打开录音功能；
②从一定高度由静止释放乒乓球；
③手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，其随时间(单位：s)的变化图象如图所示．
根据声音图象记录的碰撞次序及相应碰撞时刻，如下表所示．
根据实验数据，回答下列问题：
(1)利用碰撞时间间隔，计算出第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为________ m(保留2位有效数字，当地重力加速度g＝9.80 m/s2)．
(2)设碰撞后弹起瞬间与该次碰撞前瞬间速度大小的比值为k，则每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的________倍(用k表示)，第3次碰撞过程中k＝________(保留2位有效数字)．
(3)由于存在空气阻力，第(1)问中计算的弹起高度________(填“高于”或“低于”)实际弹起高度．
实验六 验证机械能守恒定律
关键能力·分层突破
例1 解析：①要满足机械能守恒，重物下降过程中只能受重力作用，故为了减小实验误差，重物下降过程受的阻力相比重力越小越好，故应选密度大的重物；②交流电频率为50 Hz，则相邻两点的时间间隔T＝0.02 s，由纸带可读出xOC＝27.90 cm＝0.279 0 m，则从O点到C点重物的重力势能变化量ΔEp＝mgxOC＝0.2×9.80×0.279 0 J≈0.547 J；从纸带可读出xOB＝23.30 cm，xOD＝33.00 cm，则vC＝xOD−xOB2T＝2.425 m/s，则在C点处重物动能为EkC＝12mvC2 ≈0.588 J；因为重物经过C点的动能比OC段减小的重力势能大，故重物在O点时的速度不为零，故原因可能是接通电源前就释放了纸带，C正确；工作电压偏高不会改变打点的时间间隔，只要纸带上的点迹清晰，就不影响C点速度和xOC的测量，A错误；如果其它操作正确，由于存在空气阻力和摩擦力，则会使重物过C点的动能比OC段减小的重力势能小，B错误．
答案：①阻力与重力之比更小(或其它合理解释) ②0.542～0.550 0.570～0.590 C
1．解析：(1)求纸带的点与点之间的距离测量需要刻度尺；
(2)打点计时器连接的电源是交流电，故乙正确；
(3)由于纸带上的点少且距离比较大，所以可能的操作是先释放了纸带后接通了电源；
(4)该同学选择OB段来验证重锤的机械能是否守恒，需要知道位移的同时还要需要知道末速度，所以根据匀变速直线运动的规律，需要测量AC的长度，然后计算出B点的速度即可，选项A正确；
(5)重锤从开始下落到B点时，减小的重力势能
ΔEp＝mgh＝0.05×9.8×0.195 J≈9.56×10－2 J；
B点的瞬时速度
vB＝xAC2T＝0.280 5− m/s≈1.94 m/s，
从重锤下落到打B点时增加的动能
ΔEk＝12mvB2＝12×0.05×1.942 J≈9.40×10－2 J，在实验误差允许的范围内，重锤的机械能守恒．
答案：(1)刻度尺 (2)乙
(3)先释放纸带，后接通电源 (4)A
(5)9.56×10－2 9.40×10－2 在实验误差允许的范围内，重锤的机械能守恒
2．解析：(1)在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量为ΔEp＝mgOB，代入数据解得ΔEp≈1.56 J，B点的速度大小为vB＝OC−OA4T，代入数据解得vB≈1.75 m/s，则重物动能的增加量为ΔEk＝12mvB2，代入数据解得ΔEk≈1.53 J.
(2)从图丙中可以看出，当h＝0时，重物的速度不为0，说明操作中先释放重物，再接通打点计时器的电源．若阻力不可忽略，假设平均阻力大小为f，打下第一个点时重物的速度为v0，则由动能定理可得mgh－fh＝12mv2−12mv02 ，整理可得12v2＝(g−fmh+12v02，故12v2－h图线的斜率为k＝g－fm