新高考人教版高中物理题型训练（必修二）专题8.10 实验：验证机械能守恒定律（创新）（人教版2019必修第二册）（解析版）.docxVIP

专题8.10实验：验证机械能守恒定律（创新）

【人教版】

TOC\o1-3\t正文,1\h

【题型1器材创新】

【题型2目的创新】

【题型3原理创新】

【题型4过程创新】

【题型1器材创新】

【例1】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。

答案(1)mgheq\f(（Fm－mg）L,2)(2)空气阻力做负功，机械能有损失(3)较大

解析(1)小球第一次摆动至最低点的过程，重心下降了h，则重力势能的减少量为

ΔEp＝mgh。

小球第一次摆动至最低点，初速度为零，最低点速度为vm，由牛顿第二定律有

Fm－mg＝meq\f(veq\o\al(2,m),L)

而动能的增加量为

ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)－0

联立解得ΔEk＝eq\f(（Fm－mg）L,2)。

(2)根据F－t图像可知小球做周期性的摆动每次经过最低点时拉力最大，而最大拉力逐渐变小，说明经过最低点的最大速度逐渐变小，则主要原因空气阻力做负功，导致机械能有损失。

(3)为了减小因空气阻力带来的误差，应选择密度大体积小的球进行实验。

【变式1-1】某同学利用竖直上抛小球的频闪照片“验证机械能守恒定律”，频闪仪每隔0.05s闪光一次，如图所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表。(当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量为m＝0.2kg，结果保留3位有效数字)

时刻

t2

t3

t4

t5

速度/(m·s－1)

4.99

4.48

3.98

(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s。

(2)从t2到t5时间内，重力势能增加量ΔEp＝________J，动能减少量ΔEk＝________J。

(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，即可验证机械能守恒定律。由上述计算得ΔEp________ΔEk(选填“＞”“＜”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)v5＝eq\f(16.14＋18.66,2×0.05)×10－2m/s＝3.48m/s。

(2)重力势能的增加量ΔEp＝mgΔh，代入数据可得ΔEp≈1.24J，动能减少量为ΔEk＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv52，代入数据可得ΔEk≈1.28J。

(3)由计算可得ΔEp＜ΔEk，主要原因是由于存在空气阻力。

答案：(1)3.48(2)1.241.28(3)＜存在空气阻力

【变式1-2】某同学用如下图所示的装置验证机械能守恒定律。

实验步骤如下：

(1)用电磁铁吸住一个小铁球，将光电门A固定在立柱上，小铁球底部处于同一竖直位置，光电门B固定在立柱上的另一位置；

(2)切断电磁铁电源，小铁球开始下落，数字计时器测出小铁球通过光电门A和光电门B的时间分别为tA、tB。

请回答下列问题：

(1)切断电磁铁电源之前，需要调节底座螺丝，使立柱处于__________，以确保小铁球能通过两个电光门。

(2)实验中还需要测量的物理量是__________(填选项前的字母)。

A.小铁球的质量m

B.小铁球的直径d

C.光电门A、B间的距离h

(3)小铁球经过光电门B时的速度可表示为vB＝______(用测量的物理量表示)。

(4)在误差允许范围内，若满足关系式________________，即可验证机械能守恒(用测量的物理量和重力加速度g表示)。

答案(1)竖直(2)BC(3)eq\f(d,tB)(4)(eq\f(d,tB))2－(eq\f(d,tA))2＝2ghAB