2019-2020学年教科版（2019）必修第二册 4.6实验：验证机械能守恒定律 达标作业（解析版)

4.6实验：验证机械能守恒定律
达标作业（解析版)
1．用图示装置验证机械能守恒定律，由于安装不到位，电火花计时器两限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大的阻力，这样实验造成的结果是（ ）
A．重力势能的减小量明显大于动能的增加量
B．重力势能的减小量明显小于动能的增加量
C．重力势能的减小量等于动能的增加量
D．以上几种情况都有可能
2．如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.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．米尺 B．秒表 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：_________(写出两个原因即可).
(3)实验中由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大阻力，这样将造成________.
A．不清楚 B．mgh>mv2 C．mgh3．在研究重物自由下落过程中机械能守恒的实验中，得到如图所示的一条纸带，该纸带上最初打出的几个点不清楚，纸带上留下的是后面的一些点．算出打下B、C两点时，重物速度分别是vB、vC，量得B、C两点间的距离为h，那么验证机械能守恒的表达式可写为（____）
A．
B．
C．
D．
4．用如图所示的装置来验证机械能守恒定律，A为装有挡光片的钩码，挡光片宽度为b，轻绳跨过光滑轻质定滑轮与A和重物B相连，A的质量是B的质量的3倍，A、B静止时挡光片上端到光电门的距离为h(h>>b)。由静止释放B后，挡光片经过光电门的挡光时间为t，重力加速度为g.
(1)实验中，将挡光片通过光电门的平均速度当作A下落h时的瞬时速度，该速度表达式为____________(用题中所给字母表示)。
(2)为减小挡光片通过光电门的平均速度与A下落h时的瞬时速度间存在的误差，下列做法中可行的是____________(填选项序号字母)。
A．将B改换成密度小而体积大的重物
B．减小挡光片的挡光宽度b
C．增大挡光片的挡光宽度b
D．减小挡光片上端到光电门的距离h
(3)在A下落h的过程中，验证A和B的系统机械能守恒定律成立的表达式为______________________(用题中所给字母表示)。
5．在“验证机械能守恒定律”的实验中：
（1）将下列主要的实验步骤，按照实验的合理顺序把步骤前的序号补充填在题后横线上：
A．用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器处；
B．将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔；
C．取下纸带，在纸带上任选几点，测出它们与第一个点的距离，并算出重物在打下这几个点时的瞬时速度；
D．接通电源，松开纸带，让重物自由下落；
E．查出当地的重力加速度g的值，算出打下各计数点时的动能和对应减少的重力势能，比较它们是否相等；
F．把测量和计算得的数据填入自己设计的表格里
答：____________FE
（2）动能值和对应重力势能的减少值相比，实际上哪个值应偏小些
答：______________
6．甲实验小组利用图（a）装置探究机械能守恒定律．将小钢球从轨道的不同高度h处静止释放，斜槽轨道水平末端离落点的高度为H，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s．（g取10 m/s2）
（1）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2=______（用H、h表示）．
（2）图（b）中图线①为根据实验测量结果，描点作出的s2–h关系图线；图线②为根据理论计算得到的s2–h关系图线．对比实验结果，发现自同一高度静止释放的钢球，实际水平抛出的速率______（选填“小于”或“大于”）理论值．造成这种偏差的可能原因是______________________．乙实验小组利用同样的装置“通过频闪照相探究平抛运动中的机械能守恒”．将质量为0.1 kg的小钢球A由斜槽某位置静止释放，由频闪照相得到如图（c）所示的小球位置示意图，O点为小球的水平抛出点．
（3）根据小球位置示意图可以判断闪光间隔为______s．
（4）以O点为零势能点，小球A在O点的机械能为______J；小球A在C点时的重力势能为______J，动能为______J，机械能为______J．
7．某实验小组用图甲实验装置验证钩码与滑块组成的系统机械能守恒，主要步骤如下：
①钩码的质量为m，用天平测量滑块和遮光条的总质量为M，用游标卡尺测量遮光条的宽度d，用刻度尺测量两光电门之间的距离s；
②调节旋钮使气垫导轨水平，同时调节轻滑轮使细线水平；
③释放滑块，用计时器分别测出遮光条经过光电门A和光电门B所用的时间△tA和△tB。
请回答下列问题：
(1)测遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图乙所示，则d=___________cm。
(2)若系统机械能守恒，则mgs=___________（用M、m、d、△tA和△tB表示）
8．某实验小组利用如图甲所示的实验装置米验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。
(1)实验前调整气垫导轨底座使之水平。
(2)如图乙所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d=____cm， 实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间.则滑块经过光电门时的瞬时速度为___(用测量的物理量符号表示)。在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离x和___ (文字说明并用相应的字母表示)。
(3)本实验通过比较_______和__________在实验误差允许范围内相等(用测量的物理量符号表示)，从而验证了系统的机械能守恒。
9．小明同学用如图所示装置验证机械能守恒定律，轻绳两端跨过转轴光滑的轻滑轮系着质量均为M的重物A和B，将质量为m的小砝码C挂在在物体B上，B下方距离为h处固定一个光电门，物块B装有一宽度很小的挡光片，测得挡光片宽度为d，将系统静止释放，当挡光片通过光电门（固定光电门的装置未画出）时，可通过计算机系统记录挡光时间△t。改变高度差h，重复实验，采集多组h和△t的数据。
(1)若某次记录的挡光时间为△t1，则挡光片到达光电门处时B的速度大小为__。
(2)小明设想，为了确定△t与h的关系，可以分别对△t与h取对数，并以lg△t为纵轴，以lgh为横轴建立坐标系，得到的lg△t﹣lgh图线为一直线，该直线的斜率为__。
(3)若lg△t﹣lgh图线与纵轴交点坐标为c，若机械能守恒，可以得到该地重力加速度g=__。
10．验证机械能守恒定律的实验装置如图所示。
（1）关于实验的下列做法中正确的是_______;
A．摆锤释放器在每次释放后都要调整高度
B．光电门传感器始终放在最低点
C．每次要用测平器使光电门传感器的光电孔对应于所要求高度的水平线
D．摆锤线长应调整到使摆线在摆动时能通过光电孔
（2）设摆锤速度为v，摆锤所在位置的高度h，以h为横坐标，为纵坐标，作出的图线应是下图中的_______;
（3）所选图线的斜率绝对值表示的物理量是_______。
11．用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．气垫导轨上A处安装了一个光电门，滑块上固定一遮光条，滑块用绕过气垫导轨左端定滑轮的细线与钩码相连，每次滑块都从同一位置由静止释放，释放时遮光条位于气垫导轨上B位置的上方．
(1) 某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d＝________ mm.
(2) 实验中，接通气源，滑块静止释放后，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t，测得滑块质量为M，钩码质量为m，A、B间的距离为L．在实验误差允许范围内，钩码减小的重力势能mgL与___________________(用直接测量的物理量符号表示)相等，则机械能守恒．
(3) 下列不必要的一项实验要求是________(请填写选项前对应的字母)．
A．滑块必须由静止释放 B．应使滑块的质量远大于钩码的质量
C．已知当地重力加速度 D．应使细线与气垫导轨平行
参考答案
1．A
【解析】
由于重物下落时要克服阻力做功，重物减少的重力势能转化为重物的动能和系统的内能，故重力势能的减小量大于动能的增加量，A正确．
2．AD 见解析 B
【解析】
【详解】
(1)[1]在处理数据时需要测量长度，故需要米尺；电磁打点计时器工作时需要使用低压交流电源；故AD正确.
(2)[2]造成误差的原因有：①纸带和打点计时器之间有摩擦.②用米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交流电频率不稳定.
(3)[3]由于阻力作用，物体重力势能的减少量大于动能的增加量，即，故B正确。
3．B
【解析】
从B→C的过程，，所以需验证的表达式为，即，故B正确，A、C、D错误；
故选B．
4． B
【解析】
【详解】
（1）[1]．A经过光电门时的速度：
；
（2）[2]．A、运动过程中重物B要受到空气阻力作用，为减小实验误差，应将B?改换成密度大而体积小的重物，故A错误；
BC、挡光片的宽度越小，挡光片经过光电门时的平均速度越接近其瞬时速度，为减小实验误差，应减小挡光片的挡光宽度b，故B正确，C错误；
D、挡光片经过光电门的时间越短实验误差越小，为减小实验误差，应增大挡光片上端到光电门的距离h，故D错误；故选B．
（3）[3]．设B的质量为m，则A的质量为3m，由机械能守恒定律得：
整理得
gh=v2
即：
5．BADC 动能值
【解析】
【详解】
(1)[1]实验先进行器材的安装，顺序为：BA，然后进行实验，顺序为：D，最后数据处理和整理器材，为CFE，所以合理的顺序为BADCFE；
(2)[2]在下落过程中需要克服阻力做功转化为内能，故动能值偏小。
6．（1）4Hh （2）小于 轨道与小球间存在摩擦或小球的体积过大 （3）0.1 （4）0.112 5 –0.8 0.912 5 0.112 5
【解析】
（1）对于小球从静止释放到水平抛出这段曲线运动，运用动能定理研究得：mgh=mv2?解得：
对于平抛运动，运用平抛运动的规律得出：在竖直方向：H=gt2则有： --------①在水平方向：s=vt-------------②由①②得： 所以：s2=4Hh（2）对比实验结果与理论计算得到的s2--h关系图线中发现：自同一高度静止释放的钢球，也就是h为某一具体数值时，理论的s2数值大于实验的s2数值，根据平抛运动规律知道同一高度运动时间一定，所以实验中水平抛出的速率小于理论值．从s2--h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，认为造成上述偏差的可能原因是小球与轨道间存在摩擦力，或小球的体积过大造成的阻力过大；由于摩擦阻力做功损失了部分机械能，所以造成实验中水平抛出的速率小于理论值．（3）根据△y=gT2得：，（4）设O点下一个点为B点，根据运动学公式得 ，水平初速度 ，所以小球A在O点的速度v0=1.5m/s，小球A在C点时的速度? 小球A在O点的机械能E0=0+×0.1×（1.5）2=0.1125 J因O点为小球的水平抛出点，且以O点为零势能点，则小球A在C点时的重力势能为EP=mgh=-0.8J；在C点的动能：EkC=mvc2=0.9125J；小球A在C点时的机械能EC=×m×vc2+（-mgh0C）=0.9125-0.8=0.1125J点睛：本题从新的角度考查了对机械能守恒实定律的理解，有一定的创新性，很好的考查了学生的创新思维，掌握平抛运动的处理方法，平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，竖直方向上做自由落体运动．
7．0.52
【解析】
【详解】
(1)[1]由图可知d=0.5cm+0.1mm×2=0.52cm；
(2)[2]遮光条经过光电门A和光电门B的速度分别为：
要验证的关系式为：
即
。
8．0.52 滑块质量M mgx
【解析】
【详解】
(2)[1]主尺：0.5cm，游标尺：对齐的是2，所以读数为：2×0.1=0.2mm，故遮光条宽度d=0.52cm；
[2]滑块经过光电门时的瞬时速度
[3][4]根据机械能守恒有
通过判断mgx和是否相等，判断系统机械能是否守恒，实验要测量的物理量是滑块的质量M、钩码的质量m和初时滑块与光电门间的距离x。
9．
【解析】
【详解】
(1)[1]根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知，挡光片到达光电门处的速度大小为：
(2)[2]系统重力势能的减小量等于系统动能的增加量，有：
即：
整理可得：
若图线为一直线，则该图线的斜率为
(3)[3]根据得：
则有：
所以有：
可知纵轴截为：
解得：
10．C D 重力加速度
【解析】
【详解】
(1)[1]A．摆锤释放器在每次释放后不需要调整高度，故A错误；
B．光电门传感器不一定放在最低点，也可以在其他位置测量，故B错误；
C．每次要用测平器使光电传感器的红外发射孔对应于所要求高度的水平线，故C正确；
D．摆锤线长应调整到使摆锤在摆动时能通过光电孔，故D错误。
故选C。
(2)[2]利用图线处理数据，如果
作出的图线应是图中的D；
(3)[3]由公式可知，图线的斜率就等于g。
11．（1）2.70 （2） （3）B
【解析】
【详解】
（1）由图示游标卡尺可知，主尺示数为2mm，游标尺示数为14×0.05mm=0.70mm，则游标卡尺读数为2mm+0.70mm=2.70mm；（2）由于遮光条通过光电门的时间极短因此可以利用平均速度来代替其瞬时速度，因此滑块经过光电门时的瞬时速度为：v=d/t；实验要验证机械能守恒定律，故：
mgL=（M+m）v2= ；（3）本实验中拉力时通过实验数据，来判定钩码重力势能的减少量与系统动能的增加量的关系，故不需要保证所挂钩码的质量m远小于滑块质量M，故ACD不符合题意，B符合；【点睛】本题考查了实验器材、实验注意事项、实验数据处理、实验误差分析等问题；要掌握实验原理、实验器材与实验注意事项、实验数据的处理方法；常常应用图象法处理实验数据，应用图象法处理实验数据时为方便实验数据处理，注意游标卡尺没有估计值．