高中物理鲁科版 过关检测必修2　实验：验证机械能守恒定律 Word版含解析

　实验:验证机械能守恒定律

1.如图1所示,是利用自由落体运动进行“验证机械能守恒定律”的实验。所用的打点计时器通以50 Hz的交流电。
图1
图2
(1)甲同学按照正确的实验步骤操作后,选出一条纸带如图2所示,其中O点为打点计时器打下的第一个点,A、B、C为三个计数点,用刻度尺测得OA=12.41 cm,OB=18.60 cm,OC=27.21 cm,在计数点A和B、B和C之间还各有一个点。已知重物的质量为1.00 kg,取g =9.80 m/s2 。在OB段运动过程中,重物重力势能的减少量ΔEp=　　　J;重物的动能增加量ΔEk=　　　J(结果均保留三位有效数字)。?
(2)该实验没有考虑各种阻力的影响,这属于本实验的　　　　　误差(选填“偶然”或“系统”)。由此看,甲同学数据处理的结果比较合理的应当是ΔEp　　　　ΔEk(选填“大于”“等于”或“小于”)。?
(3)乙同学想利用该实验装置测定当地的重力加速度。他打出了一条纸带后,利用纸带测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h,算出了各计数点对应的速度v,以h为横轴,以12v2为纵轴画出了如图3所示的图线。由于图线没有过原点,他又检查了几遍,发现测量和计算都没有出现问题,其原因可能是　　　　　　　　　　　　。乙同学测出该图线的斜率为k,如果不计一切阻力,则当地的重力加速度g 　　　　 k(选填“大于”“等于”或“小于”)。?
图3
(4)丙同学利用该实验装置又做了其他探究实验,分别打出了4条纸带①、②、③、④,其中只有一条是做“验证机械能守恒定律”的实验时打出的。为了找出该纸带,丙同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点,用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为x1、x2、x3。请你根据下列x1、x2、x3的测量结果确定该纸带为　　　。(取g =9.80 m/s2)?
①6.05 cm,6.10 cm,6.06 cm
②4.96 cm,5.35 cm,5.74 cm
③4.12 cm,4.51 cm,5.30 cm
④6.10 cm,6.58 cm,7.06 cm
答案　(1)1.82　1.71　
(2)系统　大于　
(3)先释放重物再接通打点计时器　等于　
(4)②
解析　(1)ΔEp=mg·OB=1.00×9.80×18.60×10-2 J≈1.82 J,ΔEk=12mv2=12m·(ACtAC)2=12×1.00×[(27.21-12.41)×10-20.02×4]2 J≈1.71 J
(2)由于各种阻力影响,使得重物重力势能转化为动能和摩擦产生的内能,ΔEp>ΔEk,这是由本装置所决定的,是系统误差。
(3)由图3知h=0时,v>0,说明在打第一个点时,重物已有速度,可能是先释放重物再接通打点计时器电源造成的。从直线上任取两点(h1,v122),(h2,v222),由机械能守恒定律有:mg(h2-h1)=12m(v22-v12),g=v22-v122(h2-h1)=k。
(4)本实验中若不计各种摩擦阻力,重物带动纸带做自由落体运动,相邻两点间隔之差应相等即Δx=x2-x1=x3-x2=gT2=9.80×0.022 m=0.392 cm,只有②满足条件。
2.如图1所示,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,利用此装置可“验证机械能守恒定律”。
图1
(1)已准备的器材有:打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物,此外还必需的器材是　　　(只有一个选项符合要求,填选项前的符号)。?
A.直流电源、天平及砝码
B.直流电源、刻度尺
C.交流电源、天平及砝码
D.交流电源、刻度尺
(2)安装好实验装置,正确进行实验操作,从打出的纸带中选出符合要求的纸带,如图2所示(其中一段纸带图中未画出)。图中O点为打出的起始点,且速度为零。选取在纸带上连续打出的点A、B、C、D、E、F、G作为计数点。其中测出D、E、F点距起始点O的距离如图2所示。已知打点计时器打点周期为T=0.02 s。由此可计算出打E点时重物的瞬时速度vE=　　　m/s(结果保留三位有效数字)。?
图2
(3)若已知当地重力加速度为g,代入图2中所测的数据进行计算,并将12vE2与　　　进行比较(用题中所给字母表示),即可在误差范围内验证,从O点到E 点的过程中机械能是否守恒。?
(4)某同学进行数据处理时不慎将纸带前半部分损坏,找不到打出的起始点O了,如图3所示。于是他利用剩余的纸带进行如下的测量:以A点为起点,测量各点到A点的距离h,计算出重物下落到各点的速度v,并作出v2-h图像。图4中给出了a、b、c三条直线,他作出的图像应该是图线　　　;由图像得出,A点到起始点O的距离为　　　cm(结果保留三位有效数字)。?
图3
图4
(5)某同学在家里做“验证机械能守恒定律”的实验,他设计的实验装置如图5所示,用细线的一端系住一个较重的小铁锁(可看成质点),另一端缠系在一支笔上,将笔放在水平桌面的边上,用较重的书压住。将铁锁拉至与桌面等高处(细线拉直),然后自由释放。在笔的正下方某合适位置放一小刀,铁锁经过时,细线立即被割断,铁锁继续向前运动,落在水平地面上。测得水平桌面高度为h,笔到铁锁的距离为l,笔到铁锁落地的水平距离为s。若满足s2=　　　(用l、h表示),即可验证铁锁从释放至运动到笔的正下方的过程中机械能守恒。?
图5
答案　(1)D　(2)3.04　(3)gh2　(4)a　10.0　(5)4l(h-l)
解析　(1)打点计时器是采用交流电源供电的;实验中需要用刻度尺来测量纸带上的点间距;本实验不需要测量重物质量,所以不需要天平;
(2)vE=h3-h12T=3.04 m/s;
(3)根据机械能守恒可知,重力势能的减少量等于动能的增加量,mgh2=12mvE2-0,则12vE2=gh2;
(4)由于选取A点作为起点,则起点处速度不为0,即h=0时v>0,故应为图线a;图线a的横截距的绝对值表示A点到真实起点O的距离,由图像可知,A点到起始点O的距离为10.0 cm;
(5)第一段圆周运动,由动能定理可知,mgl=12mv2-0,第二段平抛运动,水平方向:s=vt,竖直方向:h-l=12gt2,解得s=2l(h-l),则s2=4l(h-l)。