2021年人教版力学实验题验证机械能守恒

实验题强化专练-验证机械能守恒
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、实验题
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）某同学利用游标卡尺测量遮光条的宽度，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，测得滑块的质量为M，钩码的质量为m，A、B间的距离为L。在实验误差允许范围内，只要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
某同学用如图甲所示的装置通过研究重锤的落体运动来验证机械能守恒定律。已知重力加速度为g。
（1）在实验所需的物理量中，需要直接测量的是______，通过计算得到的是______。（填写代号）
A．重锤的质量
B．重锤下落的高度
C．重锤底部距水平地面的高度
D．与下落高度对应的重锤的瞬时速度
（2）在实验得到的纸带中，我们选用如图乙所示的起点O与相邻点之间距离约为2mm的纸带来验证机械能守恒定律。图中A、B、C、D、E、F、G为七个相邻的原始点，F点是第n个点。设相邻点间的时间间隔为T，下列表达式可以用在本实验中计算F点速度vF的是______。
A．vF=g（nT）　　　　　　　　　　　　　　　　B．vF=
C．vF=D　　　　　　　　　　　　　　　．vF=
如图所示为验证机械能守恒定律的实验装置。现有器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重物、天平。
（1）为完成实验，还需要的器材有______。
A．米尺????????????????????????????B．0～6V直流电源
C．秒表????????????????????????????D．0～6V交流电源
（2）某同学用图中所示装置打出的一条纸带如图所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02s，根据纸带计算出打下D点时重物的速度大小为______m/s。（结果保留三位有效数字）
（3）采用重物下落的方法，根据公式mv2=mgh验证机械能守恒定律，对实验条件的要求是______，为验证和满足此要求，所选择的纸带第1、2点间的距离应接近______。
（4）该同学根据纸带算出了相应点的速度，作出v2-h图象如图3所示，则图线斜率的物理意义是______。
利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一水平的气垫导轨，导轨上A点处有一滑块，其质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连。调节细绳的长度使每次实验时滑块运动到B点处与劲度系数为k的弹簧接触时小球恰好落地，测出每次弹簧的压缩量x，如果在B点的正上方安装一个速度传感器，用来测定滑块到达B点的速度，发现速度v与弹簧的压缩量x成正比，作出速度v随弹簧压缩量x变化的图象如图乙所示，测得v-x图象的斜率k′=。在某次实验中，某同学没有开启速度传感器，但测出了A、B两点间的距离为L，弹簧的压缩量为x0，重力加速度用g表示，则：
（1）滑块从A处到达B处时，滑块和小球组成的系统动能增加量可表示为△Ek=______，系统的重力势能减少量可表示为△Ep=______，在误差允许的范围内，若△Ek=△Ep则可认为系统的机械能守恒。（用题中字母表示）
（2）在实验中，该同学测得M=m=1kg，弹簧的劲度系数k=100N/m，并改变A、B间的距离L，作出的x2-L图象如图丙所示，则重力加速度g=______m/s2。
用如图甲实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示。已知m1=50g、m2=150g，则（g取10m/s2，结果保留两位有效数字)
（1）在打点0～5过程中系统动能的增量△EK=______J，系统势能的减少量△EP=______J，由此得出的结论是______；
（2）若某同学作出v2-h图象（h是m2下降的高度）如图丙，则当地的实际重力加速度g=______m/s2。
答案和解析
1.【答案】2.70
；??
；B
【解析】
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=；
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；
故选：B
故答案为：（1）2.70????（2）?????（3）B
【分析】游标卡尺读数结果等于固定刻度读数加上可动刻度读数，不需要估读；
本实验中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大小，从而即可求解动能的增加量；
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即可，与滑块的质量是否远大于钩码的质量无关；
根据机械能守恒定律，即可判断出满足的表达式，由于动能增加量大于势能的减小量，说明还有其他重力做正功，即可判断。
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。
2.【答案】B?
；D
?
；C
【解析】解：（1）重锤的质量可测可不测，因为动能的增加量和重力势能的减小量式子中都有质量，可以约去。需要测量的物理量是B：重锤下落的高度，
通过计算得到的物理量是D：与下落高度对应的重锤的瞬时速度。
（2）A、该实验是验证机械能守恒定律的实验，不能把重物看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证了，A、B都是利用了自由落体运动规律求速度的，故AB错误；
C、求速度时我们是利用匀变速直线运动的规律即匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，
vF===，故C正确，D错误。
故选：C．????
故答案为：（1）B；D：（2）C。
验证机械能守恒定律的实验原理是：以自由落体运动为例，需要验证的方程是：mgh=mv2，根据实验原理得到要验证的表达式，确定待测量。
该实验是验证机械能守恒定律的实验，不能把重物看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证了，求速度时我们是利用匀变速直线运动的规律即匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度；
在解决实验问题时要注意实验的原理有实验中的注意事项，特别要注意数据的处理及图象的应用。
对于基础实验要从实验原理出发去理解，要亲自动手实验，深刻体会实验的具体操作，不能单凭记忆去理解实验。
3.【答案】（1）AD；（2）1.75；（3）重物的初速度为零?
?2mm；（4）当地重力加速度的2倍。
【解析】
【分析】
（1）解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的仪器、操作步骤和数据处理以及注意事项；
（2）纸带法实验中，若纸带匀变速直线运动，测得纸带上的点间距，利用匀变速直线运动的推论，可计算出打出某点时纸带运动的瞬时速度，从而求出动能。根据功能关系得重力势能减小量等于重力做功的数值；
（3）明确实验原理及要求，从而确定实验中应注意的问题；
（4）明确机械能守恒定律的基本规律列式，再根据图象进行分析明确图象的斜率。
本题考查验证机械能守恒定律的实验，要注意运用运动学公式和动能、重力势能的定义式解决问题是该实验的常规问题。同时在计算中要注意单位的换算。
?【解答】
（1）通过打点计时器计算时间，故不需要秒表；
打点计时器应该与交流电源连接；
需要刻度尺测量纸带上两点间的距离；
故选AD；
（2）由图可知CE间的距离为：x=19.41cm-12.40cm=7.01cm=0.0701m；
则由平均速度公式可得，D点的速度vD==m/s=1.75m/s；
（3）用公式mv2=mgh时，对纸带上起点的要求是重锤是从初速度为零开始，
打点计时器的打点频率为50
Hz，打点周期为0.02s，重物开始下落后，在第一个打点周期内重物下落的高度所以所选的纸带最初两点间的距离接近2mm，h=gT2=?×9.8×0.022m≈2mm。
（4）由机械能守恒mgh=mv2得：v2=2gh
由此可知：图象的斜率k=2g；
故答案为：（1）AD；（2）1.75；（3）重物的初速度为零??2?mm；（4）当地重力加速度的2倍。
4.【答案】（1）；?mgL；
（2）?9.6
【解析】
【分析】
?（1）根据v-x图线斜率的表达式，求出滑块刚接触弹簧时的速度大小，从而得出系统动能的增加量，根据下降的高度求出系统重力势能的减小量。
（2）根据系统机械能守恒，结合v-x之间的关系式，求出x2与L的关系式，结合图线的斜率求出重力加速度。
对于图线问题，一般的解题思路是得出物理量间的关系式，结合图线斜率或截距进行求解，难度中等。
?【解答】
（1）v-x图象的斜率k′=，即，则滑块刚接触弹簧时的速度为v0=x0，故系统的动能增加量为△Ek=（M+m）?v02=；由于只有小球的重力做功，故重力势能的减少量为△Ep=mgL。
（2）根据机械能守恒定律有mgL=（M+m）v2，又v=x，M=m，解得x2=L，
由题图丙可得k″==0.096?m，故g==?m/s2=9.6?m/s2。
故答案为：（1），mgL，（2）9.6。
5.【答案】0.58
?
0.60
?
在误差允许的范围内，系统机械能守恒
?
9.7
【解析】解：（1）计数点5的瞬时速度m/s=2.4m/s，则系统动能的增加量=???????J=0.58J，系统重力势能的减小量△Ep=（m2-m1）gh=（0.15-0.05）×10×（38.40+21.60）×10-2J=0.60J，可知，在误差允许的范围内，系统机械能守恒。
（2）根据系统机械能守恒得，，解得，则图线的斜率k==，解得g=9.7m/s2。
故答案为：（1）0.58，0.60，在误差允许的范围内，系统机械能守恒，（2）9.7。
根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出计数点5的瞬时速度，从而得出系统动能的增加量，根据下降的高度求解系统重力势能的减小量，通过比较得出实验的结论。
根据系统机械能守恒得出的关系式，结合图线的斜率求出当地的重力加速度。
解决本题的关键掌握纸带的处理方法，会根据纸带求解瞬时速度，从而得出系统动能的增加量，会根据下降的高度求解重力势能的减小量。对于图线问题，一般的解题思路是得出物理量之间的关系式，结合图线的斜率或截距进行求解。
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