20202021年高考物理实验方法守恒法含解析

12020-2021年高考物理实验方法：守恒法高中物理实验中，守恒法应用于验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律及探究动能定理等实验中。机械能守恒定律：只有重力做功，动能与重力势能相互转化，机械能守恒。实验目的：通过研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，验证机械能守恒定律。实验装置：实验步骤：（1）按上图安装装置（2）先接通电源，后释放纸带（3）选择打点清晰的纸带（4）数据处理数据处理（1）选取0点（从0点到1点距离约为2cm）（2）选取适当的点P（3）测物体下落的高度h（4）计算P点的速度v（5）验证是否符合221mvmgh即221gvgh注意事项：不需要测物体质量m。2例题和习题1.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，撒手释放重物②某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz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验证机械能守恒定律的选项有____________。A．OA、AD和EG的长度B．OC、BC和CD的长度C．BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的长度【答案】B【解析】重物下落高度从纸带上计时点间O、C的距离直接测出，打C点时的速度TCDBCvC2，其中T为相邻两点间的时间间隔，即ssT02.0501。2.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20Hz30Hz、和40Hz。打出纸带的一部分如图（b）所示。3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1238.89cm9.50cm10.10cmSSS，，，当地重力加速度大小为29.80m/s，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。【答案】⑴12()2fSS，23()2fSS，231()2fSS；⑵40【解析】⑴由于重物匀加速下落，ABCD、、、各相邻点之间时间间隔相同，因此B点应是从A运动到C的过程的中间时刻，由匀变速直线运动的推论可得：B点的速度Bv等于AC段的平均速度，即122BSSvt由于1tf，故12()2BfvSS同理可得23()2CfvSS匀加速直线运动的加速度vat故2231231()()2()12CBfSSSSvvfaSStf①4⑵重物下落的过程中，由牛顿第二定律可得：gmF=ma阻②由已知条件0.01gF=m阻③由②③得0.99ga代入①得：231()2faSS，代入数据得40Hzf3.利用图2装置做“验证机械能守恒定律”实验。①为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量A.速度变化量和势能变化量B.速度变化量和高度变化量②除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是。A.交流电源B.刻度尺C.天平（含砝码）③实验中，先接通电源，再释放重物，得到图3所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。[来已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打Ｏ点到打Ｂ点的过程中，重物的重力势能变化量pE＝，动能变化量kE＝。5④大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是。A．利用公式vgt计算中午速度B．利用公式2vgh计算重物速度C．存在空气阻力和摩擦力阻力的影响D．没有采用多次试验去平均值的方法⑤某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘2vh图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确。【解析】（2）①根据机械能守恒定律可得212mghmv，故需要比較动能变化量，A正确；②电磁打点计时器使用的是交流电源，故A正确；因为在计算重力势能变化量时，需要用到纸带上两点之间的距离，所以还需要刻度尺，故B正确；根据212mghmv可得等式两边的质量抵消，故不需要天平，C错；③重力势能改变量为PBEmgh,由于下落过程中是匀变速直线运动，所以根据中间时刻规律可得B点的速度为2CABhhvT,所以2211()222CAkBhhEmvmT④实验过程中存在空气阻力，纸带运动过程中存在摩擦力，C正确；⑤该同学的判断依据不正确，在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据22102()2fmghfhmvvghm可知，2vh图像就是过原点的一条直线。要向通过2vh图像的方法验证机械能是否守恒，还必须看图像的斜率是否接近2g4.在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，用到的传感器是传感器。若摆锤直径的测量值大于其真实值会造成摆锤动能的测量值偏。（选填：“大”或“小”）。【答案】光电门；大【解析】在实验中，摆锤的速度通过光电门进行测量，测量的速度是通过小球直径d与挡光时间的比值进行计算，为dvt，当摆锤直径大于真实值时，小球直径d变大，导致计算出的小球速度变大，故小球动能也会变大。5.某同学用如题图所示的装置验证机械能守恒定律．一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，6钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方．在钢球底部竖直地粘住一片宽带为d的遮光条．将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取dvt作为钢球经过A点时的速度．记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒．题图1（1）用ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到▲之间的竖直距离．（A）钢球在A点时的顶端（B）钢球在A点时的球心（C）钢球在A点时的底端（2）用ΔEk=212mv计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如题图2所示，其读数为cm．某次测量中，计时器的示数为0.0100s，则钢球的速度为v=m/s．题图2（3）下表为该同学的实验结果：7他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的．你是否同意他的观点？请说明理由．（4）请你提出一条减小上述差异的改进建议．【答案】（1）B（2）1.50（1.49~1.51都算对）1.50（1.49~1.51都算对）（3）不同意，因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp．（4）分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算ΔEk时，将v折算成钢球的速度lvvL．【解析】试题分析：(1)小球下落的高度为初末位置球心间的距离，所以选B；（2）由题图知读数为1.50cm，小球的速度为dvt，代入数据解得v=1.50m/s；（3）若是空气阻力造成的，则ΔEk小于ΔEp，根据表格数据知ΔEk大于ΔEp，故不是空气阻力造成的．6.甲同学准备做“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验。（1）图1中A、B、C、D、E表示部分实验器材，甲同学需在图中选用的器材_____________；乙同学需在图中选用的器材___________。（用字母表示）8（2）乙同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图2所示的两条纸带①和②。纸带__________的加速度大（填①或者②），其加速度大小为____________.【解析】计算相邻位移的路程差，①为cm1.0②为cm05.0，所以①的加速度大，加速度22/23.0smTsa。【答案】（1）AB；BDE（2）①，（2.50.2）m/s2【点评】本题考查“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验的器材选择，打点计时器纸带的处理：计算加速度。难度：容易。7．有4条用打点计时器（所用交流电频率为50Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间距离依次为S1、S2、S3。请你根据下列S1、S2、S3的测量结果确定该纸带为。（已知当地的重力加速度为9.791m/s2）A.61.0mm65.8mm70.7mmB.41.2mm45.1mm53.0mmC.49.6mm53.5mm57.3mmD.60.5mm61.0mm60.6mm【答案】C【解析】验证机械能守恒采用重锤的自由落体运动实现，所以相邻的0.02s内的位移增加量为：229.7910.023.9sgTmm，答案为C。8．利用图示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。9a.用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t,通过vgt计算出瞬时速度0v.b.用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过2vgh计算出瞬时速度.c.根据做匀速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度，并通过gvh22计算出高度h.d.用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度0v。以上方案中只有一种正确，正确的是。（填入相应的字母）【答案】d【解析】因为前3种方法用的公式都是在物体自由落体运动的基础上得到的，也就是认为机械能守恒成立的基础上得到的。但本实验是“验证机械能守恒定律”，所以a，b，c是错误的。D是分别用实验的方法测量h和计算v，然后判断是否221vgh，即221mvmgh，所以只有d正确。9.某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律．弧形轨道末端水平，离地面的高度为H．将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s．⑴若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2hHs10＝（用H、h表示）．⑵该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示：h（10－1m）2.003.004.005.006.00s2（10－1m2）2.623.895.206.537.78请在坐标纸上作出s2－h关系图．⑶对比实验结果与理论计算得到的s2－h关系图线（图中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率（填“小于”或“大于”）理论值．⑷从s2－h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是．【解析】(1)221mghmv221gtHvts解得:hHs2hHs42(2)描点作图(3)小于(4)摩擦【答案】11、⑴4Hh；⑵见图；⑶小于；摩擦，转动（回答任一即可）10.如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1＞m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律.（1）若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有（在答题卡上对应区域填入选项前的编号）①物块的质量m1、m2；②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；③物块B上升的距离及上升这段距离所