4.6实验：验证机械能守恒定律 课时作业（word版含解析）

2021-2022学年教科版（2019）必修第二册
4.6实验：验证机械能守恒定律 课时作业（解析版）
1．某同学安装如图甲的实验装置，验证机械能守恒定律。该实验所用打点计时器的电源频率为，图乙是实验得到的一条纸带，纸带_____________端连接重物（选填“左”或“右”），相邻打印点之间的时间间隔为_____________秒。该同学对纸带段进行研究，求得B点对应的速度=_____________（保留两位有效数字）；该同学在研究纸带时存在的问题是__________________________，实验误差可能较大。
2．如图所示，用倾斜放置的气垫导轨验证机械能守恒定律。已知滑块和遮光条的总质量为m，遮光条的宽度为d，重力加速度为g。现将滑块由静止释放，两个光电门G1和G2分别记录了遮光条通过光电门的时间t1和t2，则滑块通过两个光电门过程中动能的增加量___________，通过两个光电门过程中重力势能的减少量___________（用图中所标符号表示）。若两者在实验误差允许范围内相等，则滑块在下滑过程中机械能守恒。若实验中滑块以初速度v0下滑，则上述方法___________（选填“能”或“不能”）验证机械能守恒。
3．某同学利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律的实验”，在本实验中；
（1）现有器材：打点计时器、学生电源、铁架台（包括铁夹）、纸带、附夹子的重锤、刻度尺、秒表导线若干和开关，其中此实验不需要使用的器材是___________。
（2）若甲、乙、丙三位同学分别用同一装置打出三条纸带，打点计时器打点时间间隔为0.02s，量出各自纸带上第1、2两点间的距离分别为0.17cm，0.19cm，0.22cm，可以看出其中有一位同学在操作上有错误，操作错误的同学是___________。
（3）若实验中所用重锤的质量，打点计时器所用电源的频率为50Hz，正确操作得到的纸带如图乙所示，O点对应重锤开始下落的时刻，另选连续的三个计时点A、B、C作为测量的点，图中的数据分别为计数点A、B、C到起始点O的距离，取重力加速度，则打点计时器在打B点时，重锤的速度大小是___________，重锤的动能为___________J，从初始位置O到打下计数点B的过程中，重锤的重力势能的减少量为___________J，（结果保留两位有效数字）
（4）在图乙所示的纸带基础上，某同学又选取了多个计数点，并测出了各计数点到第一个点O的距离h，算出了各计数点对应的速度v，并作图像（如图丙），若描点得出的直线斜率为k，则可测出重力加速度___________（用k表示）与真实值相比，测出的g值（选填“偏小”或“偏大”或“相同”）
4．图甲是实验室常用的实验装置，利用该装置可以完成多个重要的力学实验。
（1）下列说法正确的是______。
A．做“探究小车速度随时间的变化规律"实验时，需要平衡小车与木板间的摩擦力
B．做“探究小车速度随时间的变化规律”实验时，不需要满足小车的质量远大于钩码的质量
C．做“探究小车的加速度与质量关系”实验时，每次改变小车质量后都须重新平衡小车与木板间的摩擦力
D．做“探究功与速度变化关系"实验时，可以将木板带有打点计时器的一端适当垫高，目的是消除摩擦力对实验的影响
（2）张同学利用图甲装置平衡好摩擦力后，做“探究小车的加速度与力的关系”实验时，得到一条点迹清晰的纸带如图乙所示。已知打点计时器所接交流电的频率为50Hz，两相邻计数点间还有四个计时点没有画出，根据纸带可得打点计时器打计数点“3”时小车的速度大小为_____m/s，小车运动的加速度大小为____m/s？。（结果均保留三位有效数字）
（3）方同学利用图甲装置平衡好摩擦力后，用来验证小车与钩码所组成的系统的机械能守恒，你觉得是否可行？______（选填“可行”或“不可行”）。
5．某同学利用如图所示装置验证机械能守恒定律，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落。
（1）装置安装完毕后，该同学先接通打点计时器，紧接着释放纸带进行实验。重复该步骤两次，然后在打出的纸带中选取一条点迹清晰的纸带。
（2）该同学选取的纸带如图所示，在纸带上间距较大处开始每隔三个计时点取一个计数点，标记为1、2、3、4、5、6，测出相邻两个计数点的间距，分别表示为、、、、。已知重物质量为，当地重力加速度为，计时器打点频率末知。为了验证此实验从打计数点2到打计数点5的过程中机械能守恒，需要计算出此过程中重物重力势能的减少量和动能的增加量，则__________，__________。（设交流电频率为，答案用符号表示）
（3）若本题中测得，，不考虑任何阻力，则本题中所用的交流电频率为________。
6．在“验证机械能守恒定律”的实验中
（1）有下列器材可供选择：
A．铁架台 B．电火花式打点计时器
C．复写纸 D．纸带
E.低压交流电源 F.重锤
G.导线 H.开关
在上述器材中，缺少的测量器材是______。
（2）关于这一实验，下列说法中正确的是______。
A．重锤应选用密度小的物体
B．两个限位孔应在同一竖直线上
C．释放纸带前，重锤应靠近打点计时器
D．应先释放纸带，后接通电源
（3）安装好实验装置，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图所示。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（O点速度为0）的距离分别为、、。设重锤质量为m，当地重力加速度为g，打点计时器打点周期为T。物体重力势能的减少量______，动能的增加量______。
（4）小明在实验中，经多次测量发现，重锤减小的重力势能总是略______重锤增加的动能（填“大于”、“小于”）。
7．某同学用图示装置做“验证机械能守恒定律”的实验。
（1）现有实验器材：带铁夹的铁架台、电火花打点计时器纸带、带铁夹的重锤、交流电源，为完成此实验。除了现有的器材，还需要的器材是___________。
（2）下列选项中，是实验所需的物理量且需通过计算得到的是___________。
A．重锤的下落的加速度 B．重锤下落的高度
C．重锤底部距水平地面的高度 D．重锤下落的瞬时速度
（3）已知打点计时器所用电源的频率为，当地的重力加速度，纸带上点是打点计时器打下的第一个点，、、、是连续打出的四个点（和之间还有一些点），它们到点的距离如图所示打点计时器打下计数点时物体的速度为，则由图中数据可知一项_______；重锤由点运动到点的过程中下落的距离为，则______（均保留三位有效数字）。
8．某实验小组利用如图甲所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。
（1）为了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___________（填字母标号）；
A．速度变化量和动能变化量
B．速度变化量和重力势能变化量
C．动能变化量和重力势能变化量
（2）要完成此实验，除了图甲中所示的器材及导线、刻度尺和开关外，还必须选用下列器材中的___________（填字母标号）：
A．交流电源 B．秒表 C．天平 D．砝码
（3）如图乙所示是按正确操作打出的一条完整纸带的一部分纸带上各点是打点计时器打出的计时点，O为纸带上打出的第一个点，若已知交流电的频率，利用下列测量值能较准确的完成“验证机械能守恒定律”实验的选项是___________（填字母标号）；
A．和的长度 B．和的长度 C．和的长度
（4）若实验结果显示，重物重力势能的减少量略大于其动能的增加量，你认为可能的原因是___________。
9．图甲所示的装置可以完成多个力学实验。
（1）小车和钩码组成系统，测量系统的加速度。
①__________（填“需要”或“不需要”）平衡摩擦力。
②_________（填“需要”或“不需要”）m构码③某次实验中打出的纸带如图乙可所示，已知相邻计数点间的时间间隔为0.1s，则小车的加速度a=_________m/s2（保留2位有效数字）
（2）在（1）的基础上，测得小车质量为0.5kg钩码质量为0.1kg，重力加速度取g=10m/s2，则小车与水平长木板间的动摩擦因数μ=_________；动摩擦因数的测量值_________（填“小于”“等于”“大于”）真实值。
（3）用图甲装置_________（填“能”或“不能”）验证小车和钩码组成的系统机械能守恒。
10．图甲为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。两个质量各为mA和mB（mA>mB）的小物块A和B分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，用手拉住物块B，使它与地面接触，用米尺测量物块A的底部到地面的高度h。释放物块B，同时用秒表开始计时，当物块A碰到地面时，停止计时，记下物块A下落的时间t，当地的重力加速度为g。
（1）在物块A下落的时间t内，物块A、B组成的系统减少的重力势能ΔEP=___________，增加的动能ΔEk=___________（用mA、mB、h和t表示）。改变mA、mB和h，多次重复上述实验，若在实验误差范围内ΔEP=ΔEk均成立，则可初步验证机械能守恒定律；
（2）由于空气阻力和定滑轮阻力的作用，实验中往往出现系统重力势能的减少量___________（选填“大于”“小于”“等于”）动能的增加量；
（3）若某同学做出了该实验的h-t2图像如图乙所示，已知横纵坐标上的数值，则当地的实际重力加速度g= ___________ （用、表示）。
11．图甲所示是“探究机械能守恒定律”的实验装置，让质量为m的重锤自由下落，打出一条较为理想的纸带如图乙所示，O为打点计时器在纸带上打出的第一个点，选取纸带上连续打出的三个点A、B、C，用刻度尺测出O、A间距离为h1，A、B间距离为h2，B、C间距离为h3。已知重力加速度为g。
（1）实验时，释放纸带和接通电源的合理顺序是______（选填“A”或“B”）；
A．先释放纸带，再接通电源 B．先接通电源，再释放纸带
（2）为了减小阻力等因素对实验结果的影响，选择的重锤质量应______（选填“A”或“B”）；
A．较大 B．较小
（3）实验中，下面哪些测量工具是必需的（________）
A．天平 B．直流电源 C．刻度尺 D．秒表
（4）从起点O到B的下落过程中，重锤的重力势能减少量ΔEp是______；B点瞬时速度是______（A到B的时间为T）
（5）实验中，发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能，造成这种现象的原因是（回答出其中一条即可）______。
12．在“验证机械能守恒”的实验中，已知重物质量m=1kg，得到如图所示的纸带，相邻计数点间的时间间隔为0.04s。那么从打点计时器打下起点O到打下B点的过程中，物体重力势能的减少量___________ J，此过程中物体动能的增加量___________J。（g=9.8 m/s2，保留三位有效数字）。
参考答案
1．左 0.02 0.19 B、D两点间时间间隔过短
【详解】
[1]纸带在重物的作用下做加速直线运动，速度越来越大，相同时间内运动的距离越来越大，则纸带的左端与重物相边；
[2]由于打点计时器的电源频率为，则相邻打印点之间的时间间隔为0.02s；
[3]利用匀变速直线运动的推论得
[4]研究纸带时存在的问题是B、D两点间时间间隔过短；高度测量值误差较大，计算误差较大。
2． 能
【详解】
[1]滑块经过两个光电门G1和G2的速度分别为
所以动能的增加量为
[2]滑块重力势能的减少量为
[3]若实验中滑块以初速度v0下滑，仍只有重力做功，机械能守恒，用上述方法仍能验证机械能守恒。
3．秒表 丙 偏小
【详解】
（1）[1] 在实验中需要刻度尺测量纸带上点与点间的距离从而可知道重锤下降的距离，以及通过纸带上两点的距离，求出平均速度，从而可知瞬时速度．纸带上相邻两计时点的时间间隔已知，所以不需要秒表．重锤的质量可测可不测，所以不需要秒表。
（2）[2] 打点计时器的打点频率为50 Hz，打点周期为0.02 s，重物开始下落后，在第一个打点周期内重物下落的高
纸带上最初两点间的距离接近2mm，量出各纸带上第一、二两点间的距离分别为0.17cm，0.19cm和0.22cm，可以看出丙同学在操作上误差较大，具体原因就是先释放纸带后接通电源，打点一个点时已经有了速度，导致开始两点之间的距离大于2mm。
（3）[3] 由匀变速直线运动的规律，中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度
[4] 重锤的动能
[5] 重锤的重力势能的减少量为
（4）[6] 物体自由下落过程中机械能守恒
即
则可测出重力加速度
但事实上
与真实值相比，测出的g值偏小
4．BD 0.611 2.00 不可行
【详解】
（1）[1]AB．用此装置“探究小车速度随时间的变化规律”时，不需要平衡摩擦力，不需要满足小车的质量远大于钩码的质量，只要物体做匀变速直线运动即可，选项A错误、B正确；
C．用此装置“探究加速度与质量的关系”时，改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力，选项C错误；
D．用此装置“探究功与速度变化的关系”时，需要平衡摩擦力，方法是将木板带有打点计时器的一端适当垫高，这样做的目的是利用小车所受重力沿斜面的分力补偿小车运动中所受阻力的影响，小车受到的合力即为绳子的拉力，选项D正确。
（2）[2][3]根据时间中点速度等于平均速度得
根据位移差公式
运用逐差法得
（3）[4]不可行。小车与钩码所组成的系统受到摩擦力作用，系统的机械能减少。
5． 40
【详解】
（2）[1][2]重物重力势能的减少量
打2点时的速度
打5点时的速度
动能增加量
（3）[3]由于
代入数据得
6．刻度尺，天平 BC 大于
【详解】
（1）[1]在实验中需要刻度尺测量纸带上点与点的距离从而可知重锤下降的高度，以及通过纸带上两点的距离，求出平均速度，从而可知瞬时速度，同时，还需要天平来测量重锤的质量；
（2）[2] A．为了让重锤的运动接近自由落体，忽略阻力，重锤应选用密度大体积小的物体，A错误；
B．手提纸带时使纸带保持竖直，与限位孔应在同一竖直线上，从而减小摩擦力，B正确；
CD．开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后释放重锤，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重锤下落，再接通打点计时器的电源，由于重锤运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，C正确，D错误。
故选BC。
（3）[3]根据公式，在B点重力势能减小量为
[4]由匀变速直线运动的性质，可知，在B点的速度为
故在B点动能增加量为
（4）[5]由于纸带下落过程中存在摩擦阻力的作用，重锤减小的重力势能总是略大于重锤增加的动能。
7．刻度尺 D 7.61 7.62
【详解】
（1）[1]纸带上各点间距离需要用刻度尺测量，所以还需要的器材有刻度尺；
（2）[2]根据
得
可见实验中不需要计算加速度，可以通过刻度尺测量，速度可以通过计算得到，故选D。
（3）[3]根据匀变速直线运动的推论，平均速度等于中间时刻的瞬时速度，有
则有
[4]从打下计数点到打下计数点的过程中
8．C A A 要克服阻力做功
【详解】
（1）[1] 验证机械能守恒，即需比较重力势能的变化量与动能增加量的关系。
故选C。
（2）[2] A．打点计时器需要使用交流电源，A正确；
B．打点计时器具有打点计时作用，因此不需要秒表，B错误；
CD．因为在实验中比较的是mgh和 的大小关系，故m可约去，不需要测量重锤的质量，CD错误。
故选A。
（3）[3]A．当知道AC的长度，可算出B点的速度，从而求出O到B点的动能变化量，知道OB的长度，可以求出O到B重力势能的变化量，可以验证机械能守恒，A正确；
B．当知道OC的长度，可以求出O到C重力势能的变化量，当知道BD的长度，可算出C点的速度，从而求出O到C点的动能变化量，才可以验证机械能守恒，但却是DG，不是BD，B错误；
C．当知道AC的长度，可算出B点的速度，但是给的是计算不出O到B重力势能的变化量，C错误；
故选A。
（4）[4] 实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量，其原因可能是：空气阻力与纸带摩擦阻力做功。
9．不需要 不需要 0.50 0.14 大于 不能
【详解】
(1)①[1]测量系统的加速度时，加速度是由纸带上的点迹计算出来，故不需要平衡摩擦力。
②[2]实验中也不需要用钩码的重力代替小车的拉力，故也不需要m构码③[3]由
代入数据
解得
(2)[4]对系统分析得
联立解得
[5]由于纸带与打点计时器间有摩擦阻力以及空气阻力，所以动摩擦因数的测量值大于真实值。
(3)[6]系统除重力做功外还有阻力做功，故不能用该装置验证小车和钩码组成的系统机械能守恒。
10． 大于
【详解】
（1）[1] 物块A、B组成的系统减少的重力势能
[2] 根据平均速度推论知
解得末速度为
系统动能的增加量为
（2）[3] 由于空气阻力和定滑轮阻力的作用，实验中往往出现系统重力势能的减少量大于动能的增加量。
（3）[4] 根据
则
图像的斜率
解得
11．B A C 纸带与限位孔之间有摩擦或空气阻力
【详解】
（1）[1]实验时，释放纸带和接通电源的合理顺序是：先接通电源，再释放纸带，故选B；
（2）[2]为了减小阻力等因素对实验结果的影响，应选择体积小，质量大的重锤，故选A；
（3）[3]A．验证“机械能守恒定律”，由于所验证的原理表达式为
显然等式两边均有m，所以没有必要测量质量，即不必需要天平，故A错误；
B．打点计时器需要的是交流电源，不是直流电源，故B错误；
C．本实验需要用刻度尺测量相邻计数点间的距离，故C正确；
D．打点计时器本身具有计时功能，故不需要秒表，故D错误。
故选C。
（4）[4][5]从起点O到B的下落过程中，重锤的重力势能减少量是
根据匀变速直线运动规律知：B点瞬时速度是
（5）[6]实验中，发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能，造成这种现象的原因是：纸带与限位孔之间有摩擦或空气阻力。
12．2.28 2.26
【详解】
[1]物体重力势能的减少量
[2]打B点时的速度
此过程中物体动能的增加量