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《走向高考》2013高考物理总复习 5-5实验(一)探究动能定理 实验(二)验证机械能守恒定律


5-5 实验(一)探究动能定理
一、选择题

实验(二)验证机械能守恒定律

1.在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列物理量中需要用 工具测量的有( )

A.重锤的质量 B.重力加速度 C.重锤下落的高度 D.与重锤下落高度对应的重锤的瞬时速度 [答案] [解析] C 由机械能守恒定律列方程,等式两边都有质量可消去,

故不用测质量,只需测重锤下落高度,计算出对应点的速度,故选 C。 2.(2012· 哈师大附中高三联考三)如图所示,在“探究功与速度 变化的关系”的实验中,下列做法能够实现橡皮筋对小车做功整数倍 变化的是( )

A.释放小车的位置等间距的变化 B.橡皮筋两端固定,使橡皮筋的伸长量依次加倍 C.橡皮筋两端固定,使橡皮筋的长度依次加倍 D.增加相同橡皮筋的条数,使小车每次从同一位置释放 [答案] [解析] D 本题考查对“探究功与速度变化的关系”实验的理解。

橡皮筋相同,增加其条数,并且每次从同一位置释放可保证做功成整

数倍增加。本题难度易。 3.某同学在做利用橡皮筋探究功与速度变化关系的实验时,拖 着纸带的小车在橡皮筋的作用下由静止运动到木板底端,在此过程中 打点计时器在纸带上打下的相邻点间的距离变化情况是( A.始终是均匀的 C.先增大后减小 [答案] [解析] D 橡皮筋对小车作用过程中小车速度增大,所以点间距增 B.先减小后增大 D.先增大后均匀不变 )

大,当小车离开橡皮筋后做匀速直线运动,点的间距不再变化,所以 选 D。 4.用如图所示实验装置来验证机械能守恒定律时,某同学的以 下说法中正确的是( )

A.必须用秒表测出重物下落的时间 B.实验操作时,注意手提着纸带使重物靠近计时器,先接通计 时器电源,然后松开纸带 C.如果打点计时器不竖直,重物下落时,其重力势能有一部分 消耗在纸带摩擦上,就会造成重力势能的变化小于动能的变化

D.验证时,可以不测量重物的质量或重力 [答案] BD

[解析] 因为实验中运用打点计时器, 不需要测时间,A 错误; 打点计时器不竖直,重物下落时,其重力势能有一部分消耗在纸带摩 擦上,造成重力势能的减少大于动能的增量,C 错误;实验时,为节 约纸带,便于测量,应使重物靠近计时器,应先通电后放手,B 正确; 因为动能和势能表达式中都含有质量,可以消去,故不需测质量,D 正确。 5. “验证机械能守恒定律”的实验中, 使用电磁式打点计时器(所 用交流电的频率为 50Hz), 得到如图所示的纸带。 图中的点为计数点, 相邻两计数点间还有四个点未画出来,下列说法正确的是( )

A.实验时应先放开纸带再接通电源 B.(s6-s1)等于(s2-s1)的 6 倍 C.由纸带可求出计数点 B 对应的速率 D.相邻两个计数点间的时间间隔为 0.02s [答案] C

[解析] 使用打点计时器时应先接通电源后松开纸带, 选项 A 错; T=5× 1 s=0.1s,s6-s1=5aT2,s2-s1=aT2,所以(s6-s1)=5(s2-s1), 50

选项 BD 错误;由于 s2、s3 已知,计数点间的时间 T=0.1s,所以可求 得计数点 B 对应的速度,选项 C 正确。 二、非选择题 6.(2012· 乌鲁木齐高三二次测验)某同学用下面的方法做“探究

功与速度变化的关系”的实验。 将木板固定在水平的桌面上,在木板虚线 PP′上钉两个钉子, 木块上钉一个钉子,橡皮筋两端分别固定在木板的钉子上。现将木块 拉至虚线 OO′处,释放木块,设其前端到达 PP′时速度为 v,木块 离开橡皮筋后滑行的距离为 s。

(1)如果用一根橡皮筋将木块拉到 OO′处,释放木块,橡皮筋对 木块做的功为 W,那么,当把三根相同的橡皮筋并起来将木块拉到 OO′处,释放木块,橡皮筋对物体所做的功为________;(图中两虚 线间距离很小,摩擦不计) (2)用 1,2,3,4,5 根橡皮筋分别对木块做功, 测得木块离开橡皮筋后 滑行的距离为 s1,s2,s3,s4,s5。以橡皮筋对木块做的功 W 为纵坐标, 以滑行的距离 s 为横坐标,作出 W-s 图象是过原点的直线,那么 W 与 v 的关系是________。 [答案] [解析] (1)3W (2)W∝v2 (1)用相同的橡皮筋,把木块拉到相同的位置,当木块运

动到 OO′处时,每根橡皮筋做功相等,所以用三根橡皮筋时橡皮筋 对物块做的总功为 3W; (2)W-s 图象是一条过原点的倾斜直线, 可得 W∝s,物块滑行的过程中做匀减速运动,由运动学公式可得 v2=2as, v2∝s,由数学知识可得 W∝v2。 7.(2013· 广东汕头)某同学利用图甲中器材验证机械能守恒实验。 如图乙是该实验得到的一条点迹清晰的纸带,现要取 A、B 两点来验

证实验,已知打点计时器每隔 0.02s 打一个点。(计算结果保留三位有 效数字)

请回答下列问题: (1) 可 以 判 断 , 连 接 重 物 的 夹 子 应 夹 在 纸 带 的 ________ 端 ( 填 “左”或“右”); (2)若 x2 =4.80cm,则在纸带上打下记数点 B 时的速度 vB = ________m/s。 (3)若 x1 数据也已测出,则实验还需测出物理量为________。 (4)若分析实验结果发现重物下落过程中减少的重力势能明显大 于其增加的动能,则可能的原因是:________。 [答案] (1)左 (2)1.20 (3)AB 之间的距离 hAB (4)重物的质量

太小或摩擦阻力太大 [解析] (1)物体做自由落体运动,速度越来越大,相等时间内的

位移越来越大,则夹子应夹在纸带的左端。 (2)打下 B 点时的速度 x2 4.80×10 vB= = =1.20m/s。 2T 0.04 (3)A 到 B 的过程,机械能守恒, 1 1 则 mghAB= mv2 - mv2 , B 2 2 A 还需要测 AB 之间的距离 hAB。 (4)重物的质量太小或摩擦阻力太大而不能忽略, 重物下落过程中 减少的重力势能明显大于其增加的动能。 8.(2012· 福建四地六校联考)测量滑块在运动过程中所受的合外 力是“探究动能定理”实验要解决的一个重要问题,为此,某同学设 计了如下实验方案:
-2

A.实验装置如图所示,一端系在滑块上的细绳通过转轴光滑的 轻质滑轮挂上钩码,用垫块将长木板固定有定滑轮的一端垫起。调整 长木板的倾角, 直至轻推滑块后, 滑块沿长木板向下做匀速直线运动; B.保持长木板的倾角不变,取下细绳和钩码,让滑块沿长木板 向下做匀加速直线运动.

请回答下列问题: (1)滑块做匀速直线运动时, 打点计时器在纸带上所打出点的分布 应该是________; (2)滑块在匀加速下滑过程中所受的合外力大小________钩码的 重力大小(选填“大于”“等于”或“小于”)。 [答案] [解析] (1)等间距(或均匀) (2)等于

(1)纸带上的不同点痕记录了滑块在不同时刻的位置和不

同时间内的位移,当滑块做匀速直线运动时,点痕的分布应该是等间 距或均匀的。 (2)悬挂钩码,滑块匀速下滑时,根据滑块的平衡条件有 mgsinθ -Ff-G 码=0,所以 G 码=mgsinθ-Ff;当保持长木板的倾角不变, 取下细绳和钩码,让滑块沿长木板向下做匀加速直线运动时,滑块受 到的合外力 F 合=mgsinθ-Ff。显然,F 合=G 码。 9.(2012· 南京二模)如图 a 为利用气垫导轨(滑块在该导轨上运动 时所受阻力可忽略)“验证机械能守恒定律”的实验装置, 请结合以下 实验步骤完成填空。

(1)将气垫导轨放在水平桌面上,并调节至水平。

(2)用天平称出滑块和挡光条的总质量 M, 再称出托盘和砝码的总 质量 m。用刻度尺测出两光电门中心之间的距离 s,用游标卡尺测出 挡光条的宽度 l,见图 b,l 为____________cm。 (3)将滑块移至光电门 1 左侧某处,释放滑块,要求砝码落地前挡 光条已通过光电门 2。读出滑块分别通过光电门 1 和光电门 2 时的挡 光时间 Δt1 和 Δt2。 (4)滑块通过光电门 1 和光电门 2 时,可以确定系统(包括滑块、 挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为 Ek1 =____________和 Ek2 = ____________。在滑块从光电门 1 运动到光电门 2 的过程中,系统势 能 的 减 少 量 ΔEp = ______________( 已 知 重 力 加 速 度 为 g) 。 比 较 ____________和____________,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] (2)1.550 1 l (4) (M+m)( )2 2 Δt1 Ek2-Ek1

1 l (M+m)( )2 mgs ΔEp 2 Δt2 [解析]

(2)根据游标卡尺读数规则可知游标尺分度为 20,读出主

尺的读数为 1.5cm,游标尺上第 10 条刻度线与主尺上某条刻度线对 齐,故游标尺上读数为 10×0.05mm=0.050cm,读数为 1.550cm。 (4)可以分别求出滑块经过光电门 1 和光电门 2 时的瞬时速度,v1 = 1 1 l l l 、v2= ,根据动能公式有 Ek1= (M+m)( )2,Ek2= (M+ Δt1 Δt2 2 Δt1 2

l m)( )2, 滑块从光电门 1 运动到光电门 2 的过程中, 系统势能的减少 Δt2 量等于砝码和托盘的重力势能的减少量,即 mgs;验证系统的机械能 是否守恒,比较 ΔEp、Ek2-Ek1,若在实验误差允许范围内相等,即 可认为机械能是守恒的。

10.(2012· 山东潍坊模拟)某同学用如图所示的装置验证动能定 理。为提高实验精度,该同学多次改变小滑块下落高度 H 的值,测出 对应的平抛运动水平位移 x,并算出 x2 如下表,进而画出 x2-H 图象 如图所示:

滑块下落 高度 H 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h

平抛水平位移 x/cm 5.5 9.1 11.7 14.2 15.9 17.6 19.0 20.6 21.7

平抛水平位移 平方 x2/cm2 30.25 82.81 136.89 201.64 252.81 309.76 361.00 424.36 470.89

(1)原理分析:若滑块在下滑过程中所受阻力很小,则只要测量量 满足________,便可验证动能定理。 (2)实验结果分析:实验中获得的图象未过坐标原点,而交在了大 约(0.6h,0)处,原因是________________________________。 [答案] [解析] (1)x2 与 H 成正比 (2)滑块需要克服阻力做功

(1)若滑块在下滑过程中所受阻力很小, 由动能定理, mgH

1 1 = mv2,根据平抛运动规律,x=vt,h= gt2,显然 x2 与 H 成正比, 2 2 即只要测量量满足 x2 与 H 成正比,便可验证动能定理。(2)实验中获 得的图象未过坐标原点,而交在了大约(0.6h,0)处,原因是滑块需要克 服阻力做功。 11.(2012· 江苏苏北四星级高中联考)用如图实验装置验证 m1、m2 组成的系统机械能守恒。m2 从高处由静止开始下落,m1 上拖着的纸 带打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,即可验证机械能守恒 定律。下图给出的是实验中获取的一条纸带:0 是打下的第一个点, 每相邻两计数点间还有 4 个点(图中未标出),计数点间的距离如图所 示。已知 m1=50g、m2=150g,则(g 取 9.8m/s2,所有结果均保留三位 有效数字)。

(1)在纸带上打下计数点 5 时的速度 v5=________m/s;

(2)在打点 0~5 过程中系统动能的增量 ΔEk=________J,系统势 能的减少量 ΔEp=________J;

v2 (3)若某同学作出 -h 图象如图,则当地的实际重力加速度 g= 2 ________m/s2。

[答案] [解析]

(1)2.40

(2)0.576 0.588

(3)9.70

(1)T=5×0.02s=0.1s, x46 0.2160+0.2640 = m/s=2.40m/s。 2T 0.2

打下计数点 5 时的速度 v5=

1 (2)在打点 0~5 过程中系统动能的增量 ΔEk = (m1 +m2)v 2 = 5 2 0.576J;系统势能的减少量 ΔEp=(m2-m1)gh=0.1×9.8×(0.3840+ 0.2160)J=0.588J。 v2 1 2 (3)由机械能守恒定律得,(m2-m1)gh= (m1+m2)v ,整理得, 2 2 g = h,即图象斜率的 2 倍等于重力加速度 2 v2 g,由作出的 -h 图象,可求得当地的实际重力加速度 g= 2 2×5.82 2 m/s =9.70m/s2。 1.20 12.(2012· 山东潍坊高三质量检测)一同学在学习了机械能守恒定 律后,认为小球沿竖直光滑曲面自由下滑的过程机械能是守恒的,于 是设计了如图所示的实验装置加以验证。图中曲面固定,底端 B 处切

线水平且与桌的右边缘相齐,他的实验步骤如下:

a.在木板表面先后钉上白纸和复写纸,并将木板竖直立于靠近 桌子右边缘处,使小球从曲面上某点 A 由静止释放,撞到木板并在白 纸上留下痕迹。 b.将木板向右平移适当的距离固定,再使小球由 A 点静止释放, 撞到木板上得到痕迹 P c.测出 OP 的距离 y,竖直木板向右移动的距离 L,查出当地重 力加速度 g。 (1)要验证小球由 A 到 B 过程中机械能守恒,还需测量的物理量 及符号是________。 (2)用上述测量验证机械能守恒的表达式应该是________。 (3)从实验结果来看,小球沿曲面下滑的过程机械能是减少的,原 因是________。 [答案] 力做功 [解析] (1)要验证小球沿竖直的光滑曲面自由下滑的过程中机械 (1)AB 间高度 h L2 (2)h= 4y (3)下滑过程中小球克服摩擦

1 2 能是否守恒,则要验证在由 A 运动到 B 的过程中 mgh= mvB,化简 2 1 为 gh= v2 ,g 为已知量,vB 可结合平抛运动求解,则还需要测量 AB 2 B

的高度 h。 1 1 (2)由(1)可得需要验证 gh= v2 ,由平抛运动知识可得 y= gt2,L B 2 2 L2 =vBt,整理可得 h= 。 4y (3)下滑过程中小球克服摩擦力做功,导致机械能部分转化为内 能。


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