《学霸笔记 同步精讲》第四章机械能及其守恒定律 6.实验验证机械能守恒定律 练习（教师版）物理教科版必修2

6.实验:验证机械能守恒定律
课后训练巩固提升
基础巩固
1.在做“验证机械能守恒定律”的实验时,发现重物减少的重力势能总是略大于重物增加的动能,造成这种现象的原因是(　　)
A.选用的重物质量过大
B.选用的重物质量过小
C.空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力
D.实验时操作不规范,实验数据测量不准确
答案C
解析由于实验中空气阻力以及打点计时器对纸带的阻力是无法忽略的,故实验中总会出现重物减少的重力势能总是略大于重物增加的动能的现象,故C正确。
2.在验证机械能守恒定律的实验中,下面列出一些实验步骤:
A.用天平称出重物和夹子的质量
B.把重物系在夹子上
C.将纸带穿过计时器,上端用手提着,下端夹上系住重物的夹子,再把纸带向上拉,让夹子靠近打点计时器静止
D.把打点计时器接在学生电源的交流输出端,把输出电压调至6 V(电源不接通)
E.把打点计时器固定在桌边的铁架台上,使两个限位孔在同一竖直线上
F.在纸带上选取几个点,进行测量和记录数据
G.用秒表测出重物下落时间
H.接通电源,待计时器响声稳定后释放纸带
I.切断电源
J.更换纸带,重新进行两次
K.在三条纸带中选出较好的一条
L.进行计算,得出结论,完成报告
M.拆下导线,整理器材
以上步骤中,不必要的有　　　　,正确步骤的合理顺序是　　　　　　　　　　　(填写字母)。
答案AG　EDBCHIJMKFL
解析只为了验证机械能守恒,没必要称量重物的质量。
打点计时器本身就是计时仪器,不再需要停表。
3.某同学用图甲所示的实验装置“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乙所示。该同学在实验中没有记录交变电流的频率f,需要用实验数据和其他条件进行推算。
甲
乙
(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图乙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s1=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm;当地重力加速度大小为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。
答案(1)
(2)40
解析(1)两点间时间间隔为T=,vB=,同理vC=,重物下落的加速度的大小为a=。
(2)据mg-0.01mg=ma和a=,代入数据可得f为40 Hz。
4.某同学做验证机械能守恒定律实验时,不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏,损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中,单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)重物在2点的速度v2=　　　　,在5点的速度v5=　　　　,此过程中动能增加量ΔEk=　　　　,重力势能减少量ΔEp=　　　　。由以上可得出实验结论　 　。
(2)重物获得的动能往往　　　　(A.大于　B.小于　C.等于)减少的重力势能,实验中产生系统误差的原因是 　 。
(3)根据实验判断下列图像正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量,Δh表示物体下落的高度)　　　。
答案(1)1.50 m/s　2.075 m/s　1.03m J　1.06m J　在误差允许的范围内,机械能守恒
(2)B　纸带受到摩擦力作用
(3)C
解析(1)根据匀变速直线运动的规律,可以求出重物在2点的速度v2= m/s=1.50 m/s,重物在5点的速度v5= m/s=2.075 m/s,所以动能增加量为ΔEk==1.03m J,重物从2点到5点,重力势能减少量为ΔEp=mgh25=m×9.8×(3.2+3.6+4.0)×10-2 J=1.06m J,由以上可得出实验结论为:在误差允许的范围内,机械能守恒。
(2)由于纸带受到摩擦力作用,需克服摩擦力做功,所以获得的动能小于减少的重力势能。
(3)重物机械能守恒,重物减少的重力势能转化为增加的动能,即ΔEk=mgΔh,可见重物增加的动能与下落的距离成正比,选项C正确。
能力提升
1.利用如图所示实验装置来验证机械能守恒定律。通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落,下落过程中小铁球经过光电门B时,毫秒计时器(图中未画出)记录下小铁球的挡光时间t。实验前调整光电门位置,使小球下落过程中,小铁球球心垂直细激光束通过光电门,当地重力加速度为g。
(1)为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒,还需要测量的物理量是　　　　　。
A.A点距地面的高度h'
B.A、B之间的距离h
C.小铁球从A到B的下落时间tAB
D.小铁球的直径d
(2)小铁球通过光电门时的瞬时速度v=　　;要验证小铁球下落过程中机械能是否守恒,只需验证等式　　　　　　　　是否成立即可(用实验中测得物理量的符号表示)。
答案(1)BD　(2)h(或d2=2ght2)
解析(1)根据实验原理可知,需要测量的是A点到光电门B的距离,故A错误,B正确;利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度,不需要测量下落时间,故C错误;利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度时,需要知道挡光物体的尺寸,因此需要测量小球的直径,故D正确。
(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度,故v=;根据机械能守恒的表达式有mgh=mv2,可得
h(或d2=2ght2),故只要验证h(或d2=2ght2)即可。
2.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(1)AB
(2)BC
解析(1)重物选用质量和密度较大的金属锤,减小空气阻力,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:mgh=,重物质量可以消去,无须精确测量出重物的质量,故C错误;用手拉稳纸带,而不是托住重物,接通电源后,撒手释放纸带,故D错误。
(2)由EG的长度可求出打F点的速度v2,打O点的速度v1=0,但求不出OF之间的距离h,故A错误;由BC和CD的长度可求出打C点的速度v2,打O点的速度v1=0,由OC之间的距离h,可以来验证机械能守恒定律,故B正确;由BD和EG的长度可分别求出打C点的速度v1和打F点的速度v2,由CF之间的距离h,可以来验证机械能守恒定律,故C正确;由AC、BD和EG的长度可分别求出B、C、F三点的速度,但BC、CF、BF之间的距离都无法求出,无法验证机械能守恒定律,故D错误。
3.下图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为带铁夹的铁架台、打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题:
(1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要的器材有　　　　。(填入正确选项前的字母)
A.刻度尺
B.秒表
C.0~12 V的直流电源
D.0~12 V的交流电源
(2)下面列举了该实验的几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器材
B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上
C.用天平测出重锤的质量
D.先接通电源,后释放纸带,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锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能
其中操作不当的步骤是　　 　　　。
(3)实验中误差产生的原因有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写出两个原因)。
(4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的纸带,选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E,测出各点之间的距离如图所示。使用交流电源的频率为f,则计算重锤下落的加速度的表达式a=　　　　　　　(用x1、x2、x3、x4及f表示)。
答案(1)AD　(2)B
(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力;用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差;计算势能变化时,选取初、末两点距离过近;交流电源频率不稳定(任选其二)
(4)
解析(1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要刻度尺、0~12 V的交流电源。
(2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上,打点计时器需要交流电源。
(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力;用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差;计算重力势能变化时,选取初、末两点距离过近;交流电源频率不稳定等。
(4)由Δx=aT2得:
a=。
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