4.6实验：验证机械能守恒定律 同步练习（word解析版）

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 同步练习（解析版）
1．用如图甲所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒（图中滑轮为轻质滑轮）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。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，打点计时器所用交流电的频率为50Hz，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乙所示。已知m1=100g、m2=300g，（取g=9. 8m/s2）则：
（1）为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有___________
A．刻度尺 B．秒表
C．0~12V的直流电源 D．0~12V的交流电源
（2）在纸带上打下计数点5时的速度v5=___________m/s；结果保留3位有效数字
（3）在打点0~5过程中系统动能的增加量___________J，系统势能的减少量___________J，由此得出的结论是___________（结果均保留3位有效数字）
（4）若某同学作出图像如图丙所示，则根据图像求得得重力加速度g=___________m/s2
2．某同学用如图甲所示的实验装置，验证机械能守恒定律。
（1）实验操作步骤如下：
①按实验要求安装好实验装置；
②使重锤靠近打点计时器，接着先释放重锤，再接通电源，打点计时器在纸带上打下一系列的点；
③图乙为一条符合实验要求的纸带，点为打点计时器打下的第一个点，分别测出若干连续打点、、…与点之间的距离、、…以上操作步骤中，有错误的操作步骤是___________（选填“①”、“②”或“③”）。
（2）已知打点计时器的打点周期为，重锤质量为，当地的重力加速度为，结合实验中所测的、、，可得打点时重锤的速度大小为________，重锤下落的过程中减小的重力势能为_________，在误差允许范围内重锤动能增加量等于重力势能减少量，即验证了机械能守恒定律。实际上由于打点计时器与纸带间及其他阻力的作用，重锤动能增加量稍微_________（选填“大于”或“小于”）重力势能减少量。
3．某同学用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”，他将两物块A和B用轻质细绳连接并跨过轻质定滑轮，B下端连接纸带，纸带穿过固定的打点计时器，用天平测出A、B两物块的质量mA＝150g，mB＝50g，A从高处由静止开始下落，B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，图乙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乙所示，已知打点计时器计时周期为T＝0.02s，则：
（1）在打点5时的速度大小为______m/s，在打点0~5过程中系统动能的增量ΔEk＝________J，系统势能的减小量ΔEp＝_________J，由此得出的结论是___________________________；（重力加速度g＝9.8m/s2，结果均保留三位有效数字）
（2）用v表示物块A的速度，h表示物块A下落的高度。若某同学作出的－h图像如图丙所示，则可求出当地的重力加速度g＝_________m/s2（结果保留三位有效数字）。
4．在进行“探究加速度与力、质量的关系”实验中，打算用槽码盘和槽码的总重力表示小车所受的合外力。
①某次实验得到如图甲所示的一条清晰纸带，截取其中一段用刻度尺（单位：cm）进行测量，在纸带上标注、、、、、、共7个计数点（每两个点迹标注一个计数点），已知打点计时器所用电源的频率为。则计数点所在位置的刻度尺读数为______cm，该条纸带______（选填“满足”或“不满足”）本实验要求。
②完成上述实验后，我们可以继续使用该实验装置，如图乙所示，完成下列哪些实验？______（多选）
A．探究小车速度随时间变化的规律 B．探究作用力与反作用力的关系
C．探究功与速度变化的关系 D．验证机械能守恒定律
5．用图示装置验证机械能守恒定律，开始时用手托住A物体使系统保持静止状态，t=0时刻释放物体A，带着物体B一块运动，B物体通过纸带与打点计时器连接，通过分析纸带数据（如图乙所示），即可验证机械能守恒定律。每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），已知：打点计时器频率为50Hz，0是打下的第一个点mA=180g、mB=120 g，则：（结果均保留两位有效数字）（重力加速度g=10 m/s2）
验证过程如下：
①计算打下第5个计数点时的速度v=___________m/s；
②计算从打下第“0”到打下第“5”点的过程中系统动能的增量ΔEk=________J；
②计算从打下第“0”到打下第“5”点的过程中系统（重力）势能的减少量ΔEp=_______J；
③在误差允许的范围内，如果ΔEk=ΔEp ，则机械能守恒
6．某同学利用打点计时器记录重锤自由下落来验证机械能守恒定律，他已安装好部分实验器材，如图甲所示。
A． B． C．
D． E. F.
（1）下列图中实验器材需要用到的是_________。
（2）图乙是按照正确的实验操作得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G、H计数点为连续打下的各点（已知打点计时器的频率户，重力加速度，重锤质量）。该同学选取BG段进行研究，通过计算求得B点的速度为，G点的速度为_________，以及重物在BG过程中动能的增加量为0.260J，减少的重力势能为_________J（以上结果均保留3位有效数字）。由计算数据得到重物下落过程中减少的重力势能略大于增加的动能，造成的原因是__________。
7．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________。
8．某次验证机械能守恒定律的实验中，用220V、50Hz的电源打出一条纸带，如图示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的距离已在图上标出，单位为mm，重力加速度取9.80m/s2 ，重锤质量为1kg。
（1）该实验所用电源为___________（填交流或直流）电源
（2）打下B时，重锤下落的瞬时速度：vB=1.175 m/s，重锤的动能Ek=0.690 J。
（3）从开始下落点O点算起，到B点时，重锤减少的重力势能为___________ J。
（4）分析以上数据，在误差允许范围内，得到的结论是___________。
9．利用如图甲所示气垫导轨装置验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。
（1）实验前需要调节气垫导轨水平，操作过程是：
①___________（选填“挂上”、“不挂”）钩码，接通气源；
②调节导轨底座旋钮，使得滑块能在导轨上处于___________状态。
（2）实验中，接通气源，滑块静止释放后，测得数字计时器的读数为t和滑块释放位置B与光电门A之间的距离为L。改变距离L，重复上述实验多次，已知钩码质量m，滑块质量M，遮光条宽度d。若在实验误差允许范围内始终满足等量关系mgL=___________（用上述物理量符号表示），则系统机械能守恒。
（3）某实验小组分析实验数据时发现，系统增加的动能总是明显大于钩码减小的重力势能，其原因是___________。
10．用如图甲所示的实验装置验证、组成的系统机械能守恒。从高处由静止开始下落，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。图乙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乙所示，已知电源频率为50Hz，g、g，g取9.8，则：
（1）在纸带上打下计数点5时的速度___________m/s。
（2）在打点0~5过程中系统动能的增加量___________J，系统势能的减少量___________J。（保留三位有效数字）
（3）若某同学作出图像如图丙所示，则当地的实际重力加速度___________。（保留两位有效数字）
11．在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g取9.8m/s2，测得所用的重物的质量为1.00kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量点。经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm。
（1）根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于________J，动能的增加量等于______J。（均保留三位有效数字）
（2）设重物下落高度h时的速度为v，如果以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出 h图线，该图线的斜率等于________（用字母表示）。
12．小李利用如图实所示的实验装置来探究物体在下落过程中机械能是否守恒。
下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．用天平测出重物的质量
B．按照图示的装置安装器材
C．将打点计时器接到电源的“直流输出”上
D．释放纸带，立即接通电源开关打出一条纸带
E．测量纸带上某些点间的距离
F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能
（1）请指出小李同学在实验操作中不一定要进行的步骤是________。（将其选项对应的字母填在横线处）
（2）请指出图中及在上述实验操作中存在的不当或明显错误的地方：
①__________________；
②___________________；
③__________________。
（3）与小李同班的小张同学利用光电门传感器设计了如图实所示的实验装置来研究小物体自由下落时机械能是否守恒，图中A、B两位置分别固定了两个光电门传感器。实验时测得A、B两光电门之间的竖直距离为h，小物体从某高处先后通过A、B，小物体上宽度为d的挡光片通过A的挡光时间为t1，通过B的挡光时间为t2。
①请写出小张同学能证明自由落体过程中小物体的机械能守恒时应满足的关系式___________；
②请指出小张同学的实验设计和操作中可能会引起明显误差的地方（请至少写出一种）：___________。
参考答案
1．AD 2. 40 1. 15 1. 18 在误差允许范围内，物体的机械能守恒 9. 6
【详解】
（1）[1]用刻度尺测量点迹之间的距离，打点计时器用交流电源，故选AD
（2）[2]计数点间有4个点没有表出去，计数点间的时间间隔：
T＝0.02×5＝0.1s
做匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，
打第5个点时的速度为
（3）[3][4][5]物体的初速度为零，所以动能的增加量为
系统减少的重力势能
则可认为在误差允许范围内，物体的机械能守恒
（4）[6]由机械能守恒定律得
则有
所以图像的斜率
解得：
g＝9. 6m/s2
2．② 小于
【详解】
（1）[1]步骤②中，应该先接通电源，再释放重锤；
（2）[2]打点时重锤的速度大小为
[3]重锤下落的过程中减小的重力势能为
[4]实际上由于打点计时器与纸带间及其他阻力的作用，重锤动能增加量稍微小于重力势能减少量。
3．2.40 0.576 0.588 在误差允许范围内，A、B组成的系统机械能守恒 9.70
【详解】
(1)[1]在打点5时的速度大小为
[2] 在打点0~5过程中系统动能的增量
[3] 系统势能的减小量
[4] 由此得出的结论是在误差允许范围内，A、B组成的系统机械能守恒。
(2)[5]由机械能守恒定律得
解得
则图线得斜率
解得
4．14.50（均可） 不满足 AC
【详解】
①[1]由图可知计数点E所在位置的刻度尺读数为14.50cm。
[2]由图可知，加速度太小，不满足。
②[3]该实验装置并没有涉及探究作用力与反作用力的关系；由于摩檫力的存在，系统机械能不守恒，所以该实验装置也不能用于验证机械能守恒定律，故选AC。
5．0.98 0.14 J 0.15J
【详解】
[1]根据题意可知，相邻计数点时间间隔为
根据匀变速直线运动规律，打下第5个计数点时的速度
[2] 从打下第“0”到打下第“5”点的过程中系统动能的增量
[3] 从打下第“0”到打下第“5”点的过程中系统（重力）势能的减少量
6．DEF 1.85 0.270 空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力影响
【详解】
（1）[1]打点计时器有计时作用，故不需要秒表；图中的打点计时器为电火花打点计时器，所以不需要学生电源，需要用到纸带，刻度尺测量纸带长度，以及重锤，为了减小误差，应选应质量较大的重锤。故选DEF。
（2）[2][3][4]因为打点计时器的频率户，故两点之间的时间间隔为
由匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于平均速度可得G点的速度
重物在BG段减少的重力势能为
重物下落过程中减少的重力势能略大于增加的动能，造成的原因是空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力影响。
7． 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
8．交流 0.692 机械能守恒
【详解】
（1）[1] 该实验所用电源为交流电源。
（3）[2] 重锤减少的重力势能
（4）[3] 在误差允许范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量，机械能守恒。
9．不挂 静止（或匀速直线运动） 气垫导轨右端偏高
【详解】
（1）①[1]不挂钩码，这样没有拉力作为动力，接通气源，是为了消除导轨的阻力；
②[2]调节导轨底座旋钮，使得滑块能在导轨上静止或者匀速运动；
（2）[3]系统的动能增量为
若在实验误差允许范围内，重力势能转化为动能，则
（3）[4]系统增加的动能总是大于钩码减小的重力势能，说明可能是在调节导轨底座的操作过程中，使滑块具有了初速度，即气垫导轨右端偏高。
10．2.4 0.576 0.588 9.7
【详解】
（1）[1]在纸带上打下计数点5时的速度为
（2）[2]在打点0~5过程中系统动能的增加量为
[3]系统重力势能的减少量为
（3）[4]对系统根据机械能守恒定律可得
解得
由题图丙可知图线的斜率为
解得
11．7.62（7.60~7.64） 7.57（7.54~7.58） 当地重力加速度g
【详解】
（1）[1]重力势能减小量
（7.60J~7.64J）
[2]在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度为
则动能为
.
（2）[3]根据机械能守恒可得
所以，可得
则有，如果以为纵轴，以h为横轴，绘出 h图线的斜率为当地重力加速度g。
12．A B项中安装器材时，图中重物离打点计时器过远，应使重物靠近打点计时器 C项中打点计时器不能使用直流电源，应使用交流电源 D项中实验时应先接通电源，打点计时器工作稳定后再释放重物 A、B两光电门之间的竖直距离h的测量误差；物体上挡光片的宽度d偏大，导致瞬时速度测量不准确。
【详解】
(1)[1]因为需要比较mgh和的大小关系，即使不测量m，也可达到目的，因此不一定要进行的步骤是：用天平测出重物的质量，A正确。
故选A。
(2)[2]B项中，安装器材时图中重物离打点计时器过远，纸带空白太长，应使重物靠近打点计时器，以在纸带上打出更多的点。
[3]C项中打点计时器不能使用直流电源，应使用交流电源。
[4]D项中实验时应先接通电源，打点计时器工作稳定后再释放重物。
(3)[5]本实验中利用小物体通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，可得物体经过光电门A、B时的速度分别为
，
据机械能守恒定理可得
联立可得
[6]可能会引起明显误差的可能有：A，B两光电门之间的竖直距离h的测量误差；物体上挡光片的宽度d偏大，导致瞬时速度测量不准确。