2019版物理新教材 人教版必修2提升练习第七章　9.实验：验证机械能守恒定律 Word版含解析

9.实验:验证机械能守恒定律
基础巩固
1.在做验证机械能守恒定律的实验时,以下说法正确的是 (　　)
A.选用重锤时,密度大、体积小的比密度小、体积大的好
B.选用重锤时,密度小、体积大的比密度大、体积小的好
C.选用的重锤一定要测其质量
D.重锤的质量大小与实验准确性无关
解析:验证机械能守恒定律实验中,由于重物要克服空气阻力做功,从而产生系统误差,选用密度大、体积小的重锤能减小空气阻力的影响,从而减小误差,A正确,B、D错误;因验证量中都含有质量,故不用测重锤的质量,C错误。
答案:A
2.在验证机械能守恒定律的实验中,由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上,故纸带通过时受到较大阻力,则结果(　　)
A.mgh>
1
2
??
??
2
　　　　　　　
B.?????<
1
2
??
??
2
C.mgh=
1
2
??
??
2
D.以上都有可能
解析:纸带受到较大阻力,设重物克服阻力做的功为W,根据动能定理有
mgh-W=
1
2
??
??
2
所以mgh>
1
2
??
??
2
。
答案:A
3.某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律。频闪仪每隔0.05 s闪光一次,图中所标数据为实际距离,该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取9.8 m/s2,小球质量m=0.2 kg,计算结果保留三位有效数字):
/
时刻
t2
t3
t4
t5
速度/(m·s-1)
4.99
4.48
3.98
(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5=　　　　 m/s;?
(2)从t2到t5时间内,重力势能增量ΔEp=　　　　 J,动能减少量ΔEk=　　　　 J;?
(3)在误差允许的范围内,ΔEp与ΔEk近似相等,从而验证了机械能守恒定律。由上述计算得ΔEp　　　(选填“>”“<”或“=”)ΔEk,造成这种结果的主要原因是　 。?
解析:(1)t5时刻小球的速度v5=
16.14+18.66
2×0.05
×10?2 m/s=3.48 m/s。
(2)从t2到t5时间内,重力势能增量ΔEp=mgh25=0.2×9.8×(23.68+21.16+18.66)×10-2 J=1.24 J,动能减少量ΔEk=
1
2
??
??
2
2
?
1
2
??
??
5
2
=1.28 J。
(3)ΔEp<ΔEk,造成这种结果的主要原因是上升过程中存在空气阻力。
答案:(1)3.48　(2)1.24　1.28　(3)<　存在空气阻力
4.验证机械能守恒定律的实验采用重锤自由下落的方法。(g取10 m/s2)
(1)用公式
1
2
??
??
2
=?????时,对纸带上起点的要求是初速度为______________,为达到此目的,所选择的纸带第一、第二两点间距应接近______________。?
(2)若实验中所用重锤的质量m=1 kg,打点纸带如甲图所示,打点时间间隔为0.02 s,则记录B点时,重锤速度vB=　　　　　,重锤的动能EkB=　　　　　,从开始下落起至B点,重锤的重力势能减少量是　　　　　,因此可得出的结论是　? 　。?
/
甲
(3)根据纸带算出的相关各点的速度值,量出下落的距离,则以
??
2
2
为纵轴,以?为横轴画出的图线应是乙图中的______________。?
/
乙
解析:(1)初速度为0,所选第一、第二两点接近 2 mm。
(2)vB=
??
????
2??
=
(31.4-7.8)×1
0
-3
2×0.02
m/s=0.59 m/s
EkB=
1
2
??
??
??
2
=
1
2
×1×0.592 J=0.174 J
ΔEp=mghB=1×10×17.6×10-3 J=0.176 J。
(3)由
1
2
??
??
2
=?????可得
??
2
2
=???∝h,故选项C正确。
答案:(1)0　2 mm
(2)0.59 m/s　0.174 J　0.176 J　在实验误差允许的范围内,重锤动能的增加量等于重力势能的减少量
(3)C
能力提升
1.某位同学做验证机械能守恒定律的实验,下列操作步骤错误的是(　　)
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上
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
解析:使用打点计时器的实验均需先接通电源且打点稳定时才能松开纸带。
答案:C
2.右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、电磁打点计时器、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,还需要的器材有　　　　。(填入正确选项前的字母)?
A.刻度尺
B.停表
C.低压直流电源
D.低压交流电源
(2)实验中产生误差的原因有:　　　　　　　　　　　　　　　　(写出两个原因)。?
解析:(1)在处理数据时需要测量长度,故需要刻度尺;电磁打点计时器工作时需要使用低压交流电源;所以选项A、D正确。
(2)造成误差的原因有:①纸带和打点计时器之间有摩擦;②用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差;③计算势能变化时,选取始末位置过近;④交变电流频率不稳定。
答案:(1)AD　(2)①纸带和打点计时器之间有摩擦。②用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差。③计算势能变化时,选取始末位置过近。④交变电流频率不稳定。(任选其二)
3.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中进行测量,则需要测量的物理量有　　　　。?
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下落的距离及下落这段距离所用的时间;
④绳子的长度。
(2)为提高实验结果的准确程度,某小组同学对此实验提出以下建议:
①绳的质量要轻;
②在“轻质绳”的前提下,绳子越长越好;
③尽量保证物块只沿竖直方向运动,不要摇晃;
④两个物块的质量之差要尽可能小。
以上建议中确实对提高准确程度有作用的是　　　　。?
(3)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议:? 　。?
解析:(1)通过连在一起的A、B两物块验证机械能守恒定律,即验证系统的势能变化与动能变化是否相等,A、B连在一起,A下降的距离一定等于B上升的距离;A、B的速度大小总是相等的,故不需要测量绳子的长度和B上升的距离及时间。
(2)如果绳子质量不能忽略,则A、B组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能,从而为验证机械能守恒定律带来误差;若物块摇摆,则两物块的速度有差别,为减小系统的动能带来误差;绳子长度和两个物块质量差应适当。
(3)多次取平均值可减少测量误差,绳子伸长量尽量小,可减少测量的高度的准确度。
答案:(1)①②　(2)①③　(3)例如:“对同一高度进行多次测量取平均值”,“选取受力后相对伸长尽量小的绳子”等等。
4.★现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图所示:水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为m0,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t。用d表示A点到导轨底端C点的距离,h表示A与C的高度差,b表示遮光片的宽度,s表示A、B两点间的距离,将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过 B 点时的瞬时速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作图:
/
(1)若将滑块自A点由静止释放,则在滑块从A运动至B的过程中,滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减少量可表示为　　　　　　,动能的增加量可表示为　　　　　　。若在运动过程中机械能守恒,
1
??
2
与??的关系式为
1
??
2
=________________。?
(2)多次改变光电门的位置,每次均令滑块自同一点(A点)下滑,测量相应的s与t值。结果如下表所示:
项目
1
2
3
4
5
s/m
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
t/ms
8.22
7.17
6.44
5.85
5.43
1
t
2
/×104
s
?2
1.48
1.95
2.41
2.92
3.39
以s为横坐标,
1
??
2
为纵坐标,在如图所示的坐标纸中描出第1和第5个数据点;根据5个数据点作直线,求得该直线的斜率??=_________________×104
m
?1
·s-2(保留三位有效数字)。?
/
由测得的h、d、b、m0和m数值可以计算出
1
??
2
???直线的斜率
??
0
,将??和
??
0
进行比较,若其差值在实验允许的范围内,则可认为此实验验证了机械能守恒定律。
解析:(1)滑块的重力势能减小m0g·s·
?
??
,砝码的重力势能增加mg·s,故系统的重力势能的减少量为m0g·s·
?
??
?????·s=
??
0
?
??
-??
????。滑块通过B点时的瞬时速度v=
??
??
,系统动能的增加量为
1
2
(
??
0
+??)
??
2
=
1
2
(
??
0
+??)
??
2
??
2
。若在运动过程中机械能守恒,则有
??
0
?
??
-??
????=
1
2
(
??
0
+??)
??
2
??
2
,则
1
??
2
=
2
??
0
?
??
-??
??
(
??
0
+??)
??
2
??。
(2)第1和第5个数据点及所作直线见下图。
/
直线的斜率约为k=2.36×104 m-1·s-2。
答案:(1)
??
0
?
??
-??
????　
1
2
(
??
0
+??)
??
2
??
2

2
??
0
?
??
-??
??
(
??
0
+??)
??
2
??
(2)作图见解析　2.36(2.32~2.40均正确)