2020届高三精准培优专练十验证机械能守恒定律(教师版)
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1、精准培优专练 1近几年全国卷对本实验单独考查的不多,一般考查形式为多知识点的覆盖和综合,考查定性分析和定量计算相结合。2方法技巧:在实验中,要明确“谁”在“哪个过程”中机械能守恒,列出守恒方程,确定要测量的物理量。典例1.(2016全国卷22)某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源,可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz,打出纸带的一部分如图(b)所示。 该同学在实验中没有记录交流电的频率f,需要用实验数据和其它题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图(b)中给出的物理量可以写出:在打点计时器打出B点时,重物下
2、落的速度大小为 ,打出C点时重物下落的速度大小为 ,重物下落的加速度大小为 。(2)已测得s18.89 cm,s29.50 cm,s310.10 cm;当重力加速度大小为9.80 m/s2,实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为 Hz。【解析】(1)由于重物匀加速下落,B点的速度vB等于AC段的平均速度,即vB由于T,故vB(s1s2)同理可得vC(s2s3)匀加速直线运动的加速度a,故a(s3s1)(2)重物下落的过程中,由牛顿第二定律可得mgF阻ma由已知条件F阻0.01mg由得a0.99g由得f,代入数据得f 40 Hz。【答案】(1)(s1s2)(s2s3)(s3
3、s1)(2)40典例2.(2017天津卷9)如图所示,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。(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是 。A重物选用质量和密度较大的金属锤B两限位孔在同一竖直面内上下对正C精确测量出重物的质量D用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上,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。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
4、验证机械能守恒定律的选项有 。AOA、AD和EG的长度BOC、BC和CD的长度CBD、CF和EG的长度DAC、BD和EG的长度【解析】(1)重物选用质量和密度较大的金属锤,能够减小空气阻力的影响,以减小误差,故A正确;两限位孔在同一竖直面内上下对正,减小纸带和打点计时器之间的阻力,以减小误差,故B正确;验证机械能守恒定律的原理是:mghmv22mv12,重物质量可以消掉,无需精确测量出重物的质量,故C错误;用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物对减小实验误差无影响,故D错误。(2)利用纸带数据,根据mghmv2即可验证机械能守恒定律。要从纸带上测出重物下落的高度并计算出对应的速度,选项A、D的
5、条件中,下落高度与所能计算的速度不对应;选项B的条件符合要求,可以取重物下落OC时处理;选项C中,可以求出C、F点的瞬时速度,又知CF间的距离,可以利用mv22mv12mgh验证机械能守恒定律。【答案】(1)AB(2)BC1验证“机械能守恒定律”的实验采用重物自由下落的方法(g9.8 m/s2):(1)通过验证mv2mgh来验证机械能守恒定律时,对纸带上起点的要求_;为此,所选择纸带的第一、二两点间距应接近_。(2)若实验中所用重物质量m1 kg,打点纸带如图所示,所用电压频率为50 Hz,则打点时间间隔为_,则记录B点时,重物的速度vB_,重物动能EkB_。从开始下落起至B点,重物的重力势能
6、减少量是_,因此可得出的结论是:_。(结果保留两位有效数字)(3)根据纸带算出相关各点的速度v,量出下落距离h,则以v2/2为纵轴,画出的图象应是图中的_,图线的斜率表示_。【答案】(1)初速度等于零2 mm(2)0.02 s0.59 m/s0.17 J0.17 J在误差允许的范围内重物机械能守恒(3)C重力加速度(g)【解析】(1)自由落体初速度为零,打点开始两点距离hgt29.8(0.02)2 m2 mm。(2)时间间隔为T0.02 s,B点的瞬时速度为vB m/s0.59 m/s,重物动能为EkBmv0.17 J,重力势能减少量为mghB19.80.0176 J0.17 J,重物重力势能
7、减少量等于动能增加量,机械能守恒。(3)由mv2mgh可知gh,故图线应为过原点的直线,斜率表示重力加速度。2小明同学利用如图所示的装置来验证机械能守恒定律。A为装有挡光片的钩码,总质量为M,挡光片的挡光宽度为b,轻绳一端与A相连,另一端跨过光滑轻质定滑轮与质量为m(mb)时的速度,重力加速度为g。(1)在A从静止开始下落h的过程中,验证以A、B、地球所组成的系统机械能守恒定律的表达式为_(用题目所给物理量的符号表示);(2)由于光电门所测的平均速度与物体A下落h时的瞬时速度间存在一个差值v,因而系统减少的重力势能_系统增加的动能(选填“大于”或“小于”);(3)为减小上述v对结果的影响,小明
8、同学想到了以下一些做法,其中可行的是_。A保持A下落的初始位置不变,测出多组t,算出多个平均速度然后取平均值 B减小挡光片上端到光电门的距离hC增大挡光片的挡光宽度bD适当减小挡光片的挡光宽度b(4)若采用本装置测量当地的重力加速度g,则测量值_真实值(选填“大于”、“等于”或“小于”)。【答案】(1) (2)大于 (3)D (4)小于【解析】(1)下降过程中减少的重力势能为,通过光电门的速度为,故系统增加的动能为,要验证机械能是否守恒的表达式为。(2)本题中利用平均速度代替瞬时速度,由于平均速度等于中间时刻的瞬时速度,实际下降h高度的速度为,可知测量速度小于下降h高度时的速度,即减小的重力势
9、能大于增加的动能(3)因为实验误差的根源在于测量挡光片通过光电门时的速度上,故为了使得计算的平均速度更接近实际的瞬时速度,应减小挡光片的挡光宽度b,D正确;(4)由可得,测量速度小于实际下降h高度的速度,即速度测量值偏小,所以重力加速度的测量值小于实际值。3为了验证机械能守恒定律,某研究性学习小组的同学利用透明直尺和光电计时器设计了一套实验装置,如图所示当有不透光物体从光电门间通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间,所用的光电门传感器可测的最短时间为0.01 ms。将具有很好挡光效果的宽度为d3.8103 m的黑色磁带水平贴在透明直尺上。实验时,将直尺从一定高度由静止释放,并使其竖直通过光
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