1、5.实验:验证机械能守恒定律课后训练巩固提升双基巩固学考突破1.某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:在做验证机械能守恒定律的实验时,应先接通电源,后释放纸带,以保证打第一个点时纸带的初速度为零,C错误,A、B、D正确。答案:C2.(多选)在验证机械能守恒定律实验中,为测量速度及高度而选择纸带时,较为理想的纸带具备的特点是()A.点迹小而清晰B.点迹粗C.第一、二两点间的距离接近2
2、mmD.纸带长度较长(6080 cm)解析:点迹小而清晰的纸带在测量时产生的误差小,计算结果准确,A正确,B错误;根据实验需验证的关系mgh=12mv2,其中h应是从静止开始下落的高度,而重物从静止开始下落的第一个0.02s(打点时间间隔)内所下落的高度为h1=12gt12=129.80.022m0.002m=2mm,因此,纸带上第一、二两点间的距离接近2mm,表示在打第一个点的瞬间重物从静止开始下落,C正确;用刻度尺量取计数点间距时,距离越大,读数的相对误差越小,D正确。答案:ACD3.用如图所示的装置验证机械能守恒定律,由于电火花计时器两限位孔不在同一竖直线上,纸带通过时受到较大的阻力,这
3、样实验造成的结果是()A.重力势能的减少量明显大于动能的增加量B.重力势能的减少量明显小于动能的增加量C.重力势能的减少量等于动能的增加量D.以上几种情况都有可能解析: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,故重力势能的减少量大于动能的增加量,A正确。答案:A4.甲同学准备做验证机械能守恒定律的实验,乙同学准备做探究加速度与力、质量的关系的实验。图中A、B、C、D、E表示部分实验器材,甲同学需在图中选用的器材是;乙同学需在图中选用的器材是。(用字母表示)解析:甲同学做验证机械能守恒定律的实验时,只需验证gh=12v2即可,不需要知道重物的质量,但需用打点计
4、时器打出的纸带计算速度v,故选A、B。乙同学做探究加速度与力、质量的关系的实验时,需考虑F、m、a三者的测量,取小车研究,利用钩码的重力作为小车所受的合力,用打点计时器打出的纸带计算加速度,故选择B、D、E。答案:ABBDE5.利用图甲装置做验证机械能守恒定律的实验。甲(1)除打点计时器(含纸带、复写纸)、交变电源、铁架台、导线及开关外,在下面的器材中,必须使用的还有。(选填器材前的字母)A.大小合适的铁质重锤B.体积较大的木质重锤C.刻度尺D.游标卡尺E.停表(2)图乙是实验中得到的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。重锤质量用m
5、表示,已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T。从打下O点到打下B点的过程中,重锤重力势能的减少量|Ep|=,动能的增加量Ek=。乙(3)在实验过程中,下列实验操作和数据处理正确的是。A.释放重锤前,使纸带保持竖直B.做实验时,先接通打点计时器的电源,再释放重锤C.为测量打点计时器打下某点时重锤的速度v,可测量该点到O点的距离h,再根据公式v=2gh计算,其中g应取当地的重力加速度D.用刻度尺测量某点到O点的距离h,利用公式mgh计算重力势能的减少量,其中g应取当地的重力加速度解析:(1)验证机械能守恒定律实验,需要尽量减小阻力,以使增加的动能接近减少的重力势能,所以选择铁质重锤,这样
6、可以尽量减小阻力影响,即选项A正确,B错误;在计算速度时需要刻度尺测量点迹之间的距离以及下落的高度,所以选项C正确;停表不需要,从纸带上即可得时间间隔,所以E项错误;用刻度尺测量点间距,而不需要游标卡尺,选项D错误。(2)O点到B点下落的高度为hB,所以减少的重力势能为mghB,增加的动能要计算B点的瞬时速度,B为AC的中间时刻即B点的瞬时速度等于AC的平均速度,所以vB=hC-hA2T,增加的动能Ek=12mvB2=m(hC-hA)28T2。(3)为保证只有重力做功,释放前纸带竖直可减小纸带与打点计时器限位孔之间的摩擦,选项A正确;实验过程先接通电源,待打点稳定后再释放纸带,选项B正确;速度
7、的计算必须从纸带数据来求,而不能根据自由落体运动求速度,若按照自由落体运动的速度来求解,则减少的重力势能一定等于增加的动能,验证就没有意义了,选项C错误;计算减少的重力势能mgh一定要按照当地的重力加速度来计算,选项D正确。答案:(1)AC(2)mghBm(hC-hA)28T2(3)ABD6.在一次实验验证课上,某同学利用自由落体运动来验证机械能守恒定律,该同学开始实验时的情形如下图所示,他将打点计时器接通低压电源后释放纸带。(1)请指出该同学在实验操作中存在的两处明显错误或不当的地方。;。(2)该同学在教师的指导下规范了实验操作,重新进行实验,得到了几条(35条)打出一系列点的纸带,在选点验
8、证机械能守恒时,有以下两种方案,其中对选取纸带的1、2两点间距离要求小于或接近2 mm的是方案(填“一”或“二”)。方案一:利用起始点和第n点计算;方案二:任取两点计算。(3)该同学最终选择了方案一,结合图像法进行数据分析,他从纸带上选取多个点。测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的二次方v2,根据实验数据作出12v2-h图像,其中图线的斜率表示。解析:(1)打点计时器采用的是交变电源,而本实验中采用了直流电源;同时,由于加速度较大,故纸带应在1m左右,且应让重物紧靠打点计时器,而本实验中重物离打点计时器太远。(2)根据自由落体运动规律应有h=1210(0.02)2m=0.002
9、m=2mm。选用点迹清晰,第1、2点间距离接近2mm的纸带,也就可以利用起始点和第n点计算,所以是方案一。(3)重物由静止开始下落距离h获得速度v,根据动能定理得mgh=12mv2,即12v2=gh,所以12v2-h图线的斜率是重力加速度g。答案:(1)打点计时器接了直流电源重物离打点计时器太远(2)一(3)重力加速度g选考奠基素养提升1.某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源是频率为50 Hz的交变电源。重物从高处由静止开始下落,重物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。当地重力加速度g取9.8 m/s2。甲(1)该同学进行正确测量
10、后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示。其中O点为起始点,A、B、C、D、E、F为六个连续的计时点。根据图中数据,当打B点时重物的速度v= m/s,计算出对应的v22= m2/s2;gh= m2/s2,可认为在误差允许范围内存在关系式,即验证了机械能守恒定律。(保留三位有效数字)乙(2)该同学继续根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离h,并以v22为纵轴、以h为横轴画出图像,应是下图中的。解析:(1)对匀变速直线运动,中间时刻的瞬时速度等于该过程的平均速度,因为B对应AC段的中间时刻,有vB=xAC2T=1.84m/s,对应的v22=(1.84)22m2/s2=1.69m2/s2;
11、而gh=9.817.8010-2m2/s2=1.74m2/s2,故可认为在误差允许范围内存在v22=gh。(2)重物下落的过程中,若机械能守恒,则有mgh=12mv2,即12v2=gh。以v22为纵轴,以h为横轴,则12v2=gh对应的图像为过原点的倾斜直线,故选项C正确。答案:(1)1.841.691.7412v2=gh(2)C2.某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图甲所示。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B,滑块P上固定一遮光条,若光线被遮光条遮挡,光电传感器会输出高电压,两光电传感器采集数据后与计算机相连。滑块在细线的牵引下向左加速运动,遮光条
12、经过光电传感器A、B时,通过计算机可以得到图乙所示的电压U随时间t变化的图像。(1)实验前,接通气源,将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上,轻推滑块,当图乙中的t1(选填“”“=”或“”)t2时,气垫导轨已经水平。(2)滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与钩码Q相连,钩码Q的质量为mQ。将滑块P由图甲所示位置释放,通过计算机得到的图像如图乙所示,若t1、t2和d已知,要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒,还应测出(写出物理量的名称及符号)。(3)若上述物理量间满足关系式,则表明在上述过程中,滑块和钩码组成的系统机械能守恒。解析:(1)实验前,接通气源,将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上,轻推滑块,当题图乙中的t1=t2时,说明滑块匀速运动,说明气垫导轨已经水平。(2)滑块经过两个光电门的速度分别为dt1和dt2,钩码重力势能的减少量为mQgl,要验证的关系是mQgl=12(mQ+mP)dt22-12(mQ+mP)dt12,故还应测出滑块(含遮光条)的质量mP和两光电门间的距离l。(3)若上述物理量间满足关系式mQgl=12(mQ+mP)dt22-12(mQ+mP)dt12,则表明在上述过程中,滑块和钩码组成的系统机械能守恒。答案:(1)=(2)滑块(含遮光条)的质量mP和两光电门间的距离l(3)mQgl=12(mQ+mP)dt22-12(mQ+mP)dt12
