2019年高中物理必修2假期作业（二十）　实验：验证机械能守恒定律

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假期作业（二十）　实验：验证机械能守恒定律
[温故知新]
一、实验目的
验证机械能守恒定律．
二、实验原理
在自由落体运动中，若物体下落高度h时的速度为v，则有mgh＝mv2．故只需借助打点计时器，通过纸带测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能守恒定律．
三、实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、学生电源．
四、实验步骤
1．按图所示把打点计时器固定在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好．

2．把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．
3．先接通电源，后松开手，让重物带着纸带自由下落．
4．重复几次，得到3～5条打好点的纸带．
5．选取点迹较为清晰，且第1、2两计时点间距接近 2__mm的一条纸带，纸带上第1个点记为O，然后在距离点O较远的地方选取相等时间间隔的点，依次标上1、2、3…用刻度尺测出对应的下落高度h1、h2、h3…
6．计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3…
7．计算出各点对应的势能减少量mghn，并和动能增加量mv进行比较.
[典型例题]
【例题】) 用如图所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，设计了四种测量方案，正确的是 (　　)

A．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度v
B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v＝ 计算出瞬时速度v
C．根据做匀变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v，并通过h＝计算出高度h
D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变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v
解析：自由落体运动只受重力，机械能守恒．如果把重物的实际运动看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证，A、B、C选项错误，D选项正确．
答案：D
名师方法总结
(1)利用gh＝来验证机械能守恒定律时，须保证打第一个点时的速度为零．
(2)无论是利用gh与还是ghAB与eq \f(v,2)－eq \f(v,2)来验证机械能守恒定律，速度v均应利用该点前后相邻两点间的平均速度来求解，而不能用v＝ 或v＝gt来求解．
[提升训练]
1．(多选)下面列举的各个实例中，机械能守恒的是(　　)
A．一小球在粘滞性较大的液体中匀速下落
B．水平抛出的物体(不计空气阻力)
C．拉住一个物体沿光滑斜面匀速上升
D．物体在光滑斜面上自由下滑
2．某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是(　　)
A．把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源
B．将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度
C．先释放纸带，再接通电源
D．更换纸带，重复实验，根据记录处理数据
3．在验证机械能守恒定律的实验中，需要直接测量的物理量是(　　)
A．重锤的质量
B．重锤下落的时间
C．重锤下落的高度
D．重锤的瞬时速度
4．“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示，实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是(　　)
A．重物的质量过大
B．重物的体积过小
C．电源的电压偏低
D．重物及纸带在下落时受到阻力
5．(多选)如图实验器材中，能用于“探究小车速度随时间变化的规律”“探究加速度与力质量的关系”“探究做功与物体速度变化的关系”“验证机械能守恒定律”四个分组实验的是(　　)
eq \a\vs4\al() eq \a\vs4\al()
A　　　　　　　　　　　　B
eq \a\vs4\al() eq \a\vs4\al()
C　　　　　　　　　　　　D
6．某同学用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”，他进行的部分操作步骤如下：

(1)将两光电门固定在铁架台上，如图甲；
(2)用螺旋测微器测量圆柱形重锤的高度L如图乙所示，则L＝________mm；
(3)接通光电门电源；
(4)将重锤从光电门正上方由静止释放，让重锤下落并穿过两光电门；
(5)若重锤通过光电门1、光电门2时，计时器记录下的时间分别为Δt1、Δt2.重锤的高度用L表示，若已知当地的重力加速度为g，要验证重锤从光电门1到光电门2 的过程中机械能守恒，还需要测量的物理量是________________(写出物理量并用相关字母表示)．
(6)需要验证的表达式为__________________(用相关字母表示)．
7．在“验证机械能守恒定律”的实验中(所用电源频率为50 Hz)：
(1)某同学用如甲图所示的装置进行实验，得到如乙图所示的纸带，把第一个点(初速度为零)记作O点，测出点O、A间的距离为89.36 cm，点A、C间的距离为17.24 cm，点C、E间的距离为18.76 cm，已知当地重力加速度为9.80 m/s2，重锤的质量为m＝1.0 kg，则打点计时器在打O点到C点的这段时间内，重锤动能的增加量为________ J，重力势能的减少量为________ J．(计算结果保留三位有效数字)
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(2)利用该装置可以测量重锤下落的加速度a＝________ m/s2.(计算结果保留三位有效数字)
8． “验证机械能守恒定律”的实验．
(1)实验室提供了铁架台、夹子、导线、纸带等器材．为完成此实验，除了所给的器材，在图中还必须选取的实验器材是________．

(2)下列方法有助于减小实验误差的是(　　)
A．在重锤的正下方地面铺海绵
B．必须从纸带上第一个点开始计算验证机械能是否守恒
C．重复多次实验，重物必须从同一位置开始下落
D．重物的密度尽量大一些
(3)完成实验后，小明用刻度尺测量纸带距离时如图(乙)，已知打点计时器每0.02 s打一个点，则B点对应的速度vB＝________m/s.若H点对应的速度为vH，重物下落的高度为hBH，重物质量为m，当地重力加速度为g，为得出实验结论完成实验，需要比较mghBH与________________的大小关系(用题中字母表示)．



参考答案
1.解析：一小球在粘滞性较大的液体中匀速下落，动能不变，势能减小，机械能减小，选项A错误；水平抛出的物体(不计空气阻力)只有重力做功，机械能守恒，选项B正确；拉住一个物体沿光滑斜面匀速上升，动能不变，势能增加，故机械能变大，选项C错误； 物体在光滑斜面上自由下滑，只有重力做功，机械能守恒，选项D正确．故选BD．
答案：BD
2.解析：“在验证机械能守恒定律”的实验中，应先接通打点计时器的电源，打点计时器稳定工作后再释放纸带，故选项C说法是错误的．
答案：C
3.解析：在不需要求动能和势能值时，不必测出重物质量，只要(v－v)＝gΔh就能验证机械能守恒；重锤下落时间不需要测；重锤的瞬时速度不是直接测的物理量．
答案：C
4.解析：本实验中重物增加的动能略小于减少的重力势能的原因是重物及纸带在下落时受到阻力，D选项正确．
答案：D
5.解析：“探究小车速度随时间的变化规律”需要的器材有：小车、打点计时器和纸带、钩码、刻度尺等；“探究加速度与力、质量的关系”需要的器材有：小车、打点计时器和纸带、天平、砝码、钩码、刻度尺等；“探究做功与物体速度变化的关系”需要的器材有：小车、打点计时器和纸带、橡皮筋、刻度尺等；“验证机械能守恒定律”需要的器材有：重锤、铁架台、打点计时器和纸带、刻度尺等，用于这四个实验都用到的器材是打点计时器和刻度尺，C、D选项正确．
答案：CD
6.解析：(2)螺旋测微器的读数等于固定刻度读数加上可动刻度读数，需估读．螺旋测微器的固定刻度读数为11 mm，可动刻度读数为0.01×20.6 mm＝0.206 mm，则最终读数为11.206 mm.
(5)(6)根据极限的思想可知，极短时间内的平均速度等于瞬时速度，重锤通过两个光电门的瞬时速度v1＝，v2＝，动能的增加量ΔEk＝mv－mv＝m－m.重力势能的减少量ΔEp＝mgh.则需要验证的表达式是：mgh＝m－m，即为：2gh＝－，可知还需要测量的物理量是光电门1与光电门2之间的高度差h.
答案：(2)11.206(11.204～11.207)
(5)光电门1与光电门2之间的高度差h
(6)2gh＝－
7.解析：(1)利用匀变速直线运动的推论vC＝＝＝4.5 m/s，则
ΔEk＝mv＝×0.5×(4.5)2＝10.1 J，重锤由O点运动到C点时，重锤的重力势能的减少量
ΔEp＝mgh＝0.5×9.8×(0.893 6＋0.172 4) J＝10.4 J.
(2)根据Δx＝aT2得重锤下落的加速度a＝＝＝9.50 m/s2.
答案：(1)10.1　10.4　(2)9.50
8.解析：(1)该实验中可以选用电磁打点计时器和学生电源或者是电火花计时器．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重锤下降的距离，故需要毫米刻度尺．
(2)在重锤的正下方地面铺海绵，目的是保护仪器，A选项错误；该实验是比较重力势能的减少量与动能增加量的关系，不一定要从纸带上第一个点开始计算验证，B选项错误；重复多次实验时，重物不需要从同一位置开始下落，C选项错误；选重物的密度尽量大一些，可以减小摩擦阻力和空气阻力的影响，从而减少实验误差，D选项正确．
(3)根据刻度尺的读数规则可知，AC之间的距离xAC＝5.40 cm.
根据匀变速直线运动的规律可知，一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，B点瞬时速度的大小vB＝＝1.35 m/s.
根据机械能守恒可知，mghBH＝mv－mv.
答案：(1)电磁打点计时器和学生电源(或者是电火花计时器)、毫米刻度尺　(2)D　(3)1.35　mv－mv










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