1、实验：验证机械能守恒定律【基础巩固】1.(多选)某同学利用自由落体运动做验证机械能守恒定律的实验,下列操作步骤正确的是()A.把电磁打点计时器固定在铁架台上,并用导线连接到低压交变电源上B.将连有重物的纸带穿过限位孔,将纸带和重物提升到一定高度C.先释放纸带,再接通电源D.更换纸带,重复实验,根据记录处理数据答案:ABD2.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,下列说法或做法正确的是()A.必须用停表测重物下落的时间B.选用质量小的重物可减小实验误差C.实验时必须先用天平测出重物的质量D.实验中不能用公式v=2gh 求下落高度h时的速度答案:D3.(多选)在利用自由落体运动验证机械能守
2、恒定律的实验中,较为理想的纸带具备的特点是()A.点迹小而清晰B.点迹粗长C.第一、二点间的距离接近2 mmD.纸带长度较长(80100 cm)答案:AC4.现有4条用打点计时器(电源频率为50 Hz)打出的纸带,其中一条是做验证机械能守恒定律实验时打出的.为找出该纸带,某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.已知当地的重力加速度为9.791 m/s2.请你根据下列x1、x2、x3的测量结果确定该纸带为()A.61.0 mm、65.8 mm、70.7 mmB.41.2 mm、45.1 mm、53.0 mmC.49.6 mm、53.5
3、 mm、57.3 mmD.60.5 mm、61.0 mm、60.6 mm答案:C5.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中:(1)从下列器材中选出实验所必需的,其编号为.A.打点计时器(含纸带)B.重物C.天平 D.毫米刻度尺E.停表 F.运动小车(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为0,应.A.先接通电源,再释放纸带B.先释放纸带,再接通电源(3)下列说法正确的是.A.实验中用打点计时器时,一定用到低压直流电源B.选用重物时,同样大小、形状的重物选重一点的比较好C.要选用第1、2两点间的距离接近2 mm的纸带D.实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量解析:(1)打点计时器(含
4、纸带)、重物是必需的,为了测量计数点间的距离,需要刻度尺;实验通过比较mgh、12mv2的大小关系得出结论,而m可约去,所以不需要测出重物的质量,不需要用天平;打点计时器本身可以计算时间,所以不需要停表;实验用的是重物,不需要运动小车.(2)开始实验时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放纸带,以保证重物下落的初速度为0.(3)电火花计时器不用低压电源,电磁打点计时器用低压交变电源,选项A错误;为了减小空气阻力的影响,在选择重物时,要选择密度大的,即选择质量大体积小的重物,选项B正确;由公式h=12gt2可知,若开始第1、2两点间的距离约为2 mm,则打第1个点时的速度约为0,这样只需比较gh
5、、12v2的大小关系即可,选项C正确;由于空气阻力、纸带与打点计时器之间的摩擦的影响,实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量,选项D正确.答案:(1)ABD(2)A(3)BCD【拓展提高】6.某同学利用竖直上抛的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g取9.8 m/s2,小球质量m=0.2 kg,结果保留三位有效数字.时刻t2t3t4t5速度/(ms-1)5.595.084.58(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,重力势能增加量Ep=
6、 J,动能减少量Ek=J.(3)在误差允许的范围内,若Ep与Ek近似相等,从而验证了机械能守恒定律.由上述计算得Ep(选填“”“”或“=”)Ek,造成这种结果的主要原因是 .解析:(1)v5=19.14+21.660.05210-2 m/s=4.08 m/s.(2)由题给条件知,h25=(26.68+24.16+21.66) cm=0.725 m.Ep=mgh25=1.42 J,Ek=12mv22-12mv52=1.46 J.(3)由(2)中知EpEk,因为存在空气阻力,所以重力势能的增加量小于动能的减少量.答案:(1)4.08(2)1.421.46(3)存在空气阻力7.某实验小组利用如图所示
7、的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒.用刻度尺测得遮光条的宽度为d,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t.(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平,接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块能保持状态,则说明导轨是水平的;轻推滑块,若滑块能做运动,也说明导轨是水平的.(2)在本次实验中还需要测量的物理量有钩码的质量m、和(用文字说明并用相应的字母表示).(3)本实验要比较和的大小,若在实验误差允许的范围内二者近似相等,则系统的机械能守恒.(用测量的物理量符号表示)(4)你估计减少的重力势能和增加的动能哪个可能偏小? .你认为造成这种偏差的原因可能
8、是 .解析:(1)接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块能保持静止状态,则说明导轨是水平的;轻推滑块,若滑块能做匀速直线运动,也说明导轨是水平的.(2)本实验中钩码减少的重力势能转化为钩码和滑块的动能,所以还需要测出滑块的质量m0以及遮光条初始位置到光电门的距离x.(3)此过程中钩码减少的重力势能为mgx,滑块运动到光电门时的速度v=dt,钩码和滑块增加的动能为12(m+m0)dt2.若在实验误差允许的范围内,mgx与12(m+m0)dt2近似相等,则系统的机械能守恒.(4)运动过程中存在摩擦力,定滑轮也有质量,所以钩码减少的重力势能一方面转化为系统(包括定滑轮)的动能,另一方面要克服摩擦力
9、做功,所以系统增加的动能小一些.答案:(1)静止匀速直线(2)滑块的质量m0遮光条初始位置到光电门的距离x(3)mgx12(m+m0)dt2(4)增加的动能存在摩擦力【挑战创新】8.如图甲所示,用包有白纸的质量为1.00 kg的圆柱替代纸带和重物,蘸有颜料的毛笔固定在电动机上并随之转动,用其替代打点计时器.当烧断悬挂圆柱的线后,圆柱自由下落,毛笔就在圆柱表面的纸上画出记号,如图乙所示,设毛笔接触圆柱时不影响圆柱的运动.测得记号之间的距离依次为26.0 mm、42.0 mm、58.0 mm、74.0 mm、90.0 mm、106.0 mm;电动机铭牌上标有“1 440 r/min”的字样,由此验
10、证机械能是否守恒.根据以上内容,回答下列问题:甲乙(1)毛笔画出相邻两条线的时间间隔T=s,图乙中圆柱的(选填“左”或“右”)端是悬挂端.(2)根据图乙所给的数据,g取9.8 m/s2,可知毛笔画下记号C时,圆柱下落的速度vC=m/s;画下记号D时,圆柱下落的速度vD=m/s;从记号C到D圆柱动能的变化量为J,重力势能的变化量为J,由此可得出的结论是.(结果均保留两位有效数字)解析:(1)T=1n=0.042 s.图乙中从右往左相邻笔迹间的距离变大,故左端是悬挂端.(2)vC=(58.0+42.0)10-30.0422 m/s=1.2 m/s,同理可得vD=1.6 m/s,Ek=12m(vD2-vC2)=0.56 J,Ep=mgxCD=0.57 J.在误差允许的范围内,圆柱的机械能是守恒的.答案:(1)0.042左(2)1.21.60.560.57在误差允许的范围内,圆柱的机械能是守恒的