高中物理人教版必修2练习：第七章 第12讲 实验：验证机械能守恒定律 word版含解析 7页

第 12 讲 实验：验证机械能守恒定律 [时间：60 分钟] 1.用如图 1 所示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，使 纸带通过时受到较大的阻力，这样实验造成的结果是( ) 图 1 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 2．如图 2 是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带．有关尺寸在图中已注明．我 们选中 n 点来验证机械能守恒定律．下面举一些计算 n 点速度的方法，其中正确的是( ) 图 2 A．n 点是第 n 个点，则 vn＝gnT B．n 点是第 n 个点，则 vn＝g(n－1)T C．vn＝xn＋xn＋1 2T D．vn＝hn＋1－hn－1 2T 3.用如图 3 所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压为 6 V 的交流电和直流电两种．重物从高处由静止开始下落，重物上拖着的纸带通过打点计时器打 出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即能验证机械能守恒定律． 图 3 下面列举了该实验的几个操作步骤： A．按照图示的装置安装器材； B．将打点计时器接到电源的直流输出端上； C．用天平测量出重物的质量； D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带； E．测量打出的纸带上某些点之间的距离； F．根据测量的结果计算分析重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能． 指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上， 并说明其原因： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 4．在用自由落体法验证机械能守恒定律时，某小组按照正确的操作选得纸带如图 4.其中 O 是 起始点，A、B、C 是打点计时器连续打下的 3 个点．用毫米刻度尺测量 O 到 A、B、C 各点的 距离，并记录在图中．(已知当地的重力加速度 g＝9.80 m/s2，重物质量为 m＝1 kg，计算结果 均保留 3 位有效数字) 图 4 (1)图中的三个测量数据中不符合有效数字读数要求的是________段的读数，应记作 ________cm； (2)甲同学用重物在 OB 段的运动来验证机械能守恒，他用 AC 段的平均速度作为 B 点对应的瞬 时速度 vB，则求得该过程中重物的动能增加量ΔEk＝________J，重力势能的减少量ΔEp＝ ________J．这样验证的系统误差总是使ΔEk________ΔEp(选填“>”、“<”或“＝”)； (3)乙同学根据同一条纸带，同一组数据，也用重物在 OB 段的运动来验证机械能守恒，将打 点计时器打下的第一个点 O 记为第 1 个点，图中的 B 是打点计时器打下的第 9 个点．因此他 用 v＝gt 计算与 B 点对应的瞬时速度 vB，求得动能的增加量ΔEk＝________J．这样验证的系 统误差总是使ΔEk________ΔEp(选填“>”、“<”或“＝”)． (4)上述两种处理方法中，你认为合理的是________同学所采用的方法．(选填“甲”或“乙”) 5．在“验证机械能守恒定律”的实验中，图 5(甲)是打点计时器打出的一条纸带，选取其中连 续的计时点标为 A、B、C……G、H、I，对 BH 段进行研究． (1)已知打点计时器电源频率为 50 Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为________． (2)用刻度尺测量的距离如图(乙)，读出 A、C 两点间距为________cm，B 点对应的速度 vB＝ ________m/s(保留三位有效数字)． (3)若 H 点对应的速度为 vH，重物下落的高度为 hBH，当地重力加速度为 g，为完成实验，要比 较 1 2v 2B 与________的大小(用字母表示)． 图 5 6．利用图 6 装置做“验证机械能守恒定律”的实验． 图 6 (1)除打点计时器(含纸带、复写纸)、交流电源、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．秒表 (2)图 7 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. 图 7 重锤质量用 m 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|ΔEp|＝______，动能的增加量ΔEk＝______. (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 (4)某同学在纸带上选取计数点后，测量它们到起始点 O 的距离 h，并计算出打相应计数点时 重锤的速度 v，通过描绘 v2h 图象去研究机械能是否守恒．若实验中重锤所受阻力不可忽略， 且阻力大小保持不变，从理论上分析，合理的 v2h 图象是下列图中的________． 7．为了验证机械能守恒定律，岳口高中的金金设计了如图 8 甲所示的实验装置，并提供了如 下的实验器材： A．小车 B．钩码 C．一端带滑轮的木板 D．细线 E．电火花计时器 F．纸带 G．毫米刻度尺 H．低压交流电源 I．220 V 的交流电源 图 8 (1)根据上述实验装置和提供的实验器材，你认为实验中不需要的器材是________(填写器材序 号)，还应补充的器材是________． (2)实验中得到了一条纸带如图乙所示，选择点迹清晰且便于测量的连续 7 个点(标号 0～6)， 测出 0 到 1、2、3、4、5、6 点的距离分别为 d1、d2、d3、d4、d5、d6，打点周期为 T.则打点 2 时小车的速度 v2＝________；若测得小车质量为 M、钩码质量为 m，打点 1 和点 5 时小车的 速度分别用 v1、v5 表示，已知重力加速度为 g，则验证点 1 与点 5 间系统的机械能守恒的关系 式可表示为________________________． (3)在实验数据处理时，如果以v2 2 为纵轴，以 d 为横轴，根据实验数据绘出 v2 2 d 图象，其图线的 斜率表示的物理量的表达式为________________． 答案精析 第 12 讲 实验：验证机械能守恒定律 1．A [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．] 2．CD [vn 应表示从(n－1)到(n＋1)间的平均速度．C、D 对，A、B 错．] 3．BCD 原因见解析 解析 步骤 B 是错误的，应该接到电源的交流输出端；步骤 D 是错误的，应该先接通电源， 待打点稳定后再释放纸带；步骤 C 不必要，因为根据测量原理，重物的动能和势能中都包含 了质量 m，可以约去． 4．(1)OC 15.70 (2)1.20 1.22 < (3)1.23 > (4)甲 解析 (1)毫米刻度尺读数要估读到毫米下一位，OC 长度读数到 1 毫米，不符合读数要求．应 记作 15.70 cm.(2)AC 段的平均速度即 B 点瞬时速度 vB＝AC 2T ＝15.70－9.51×10－2m 2×0.02 s ≈1.55 m/s， 则系统增加的动能ΔEk＝1 2mv 2B ≈1.20 J，重力势能减少了ΔEp＝mgOB≈1.22 J，由于摩擦力的 作用，部分重力势能转化为内能，所以ΔEk<ΔEp.(3)B 是打点计时器打下的第 9 个点，所以 B 点的速度 vB＝gt＝9.80×8×0.02 m/s≈1.57 m/s，动能的增加量ΔEk＝1 2mv 2B ≈1.23 J，这样做把 加速度按照自由落体计算，没有考虑摩擦力的作用，而实际上，由于摩擦力的作用，加速度 aΔEp.(4)乙方案中直接把加速 度按照重力加速度计算，不符合事实，而且误差大，所以合理的是甲方案． 5．(1)0.02 s (2)5.40 1.35 (3)1 2v 2H －ghBH 解析 (1)打点计时器电源频率为 50 Hz，则每隔 0.02 s 打一点．(2)xAC＝(5.90－0.50)cm＝5.40 cm，vB＝xAC 2T ＝5.40×10－2 2×0.02 m/s＝1.35 m/s.(3)由动能定理有 mghBH＝1 2mv 2H －1 2mv 2B ，得v 2B 2 ＝v 2H 2 － ghBH. 6．(1)AC (2)mghB mhC－hA2 8T2 (3)ABD (4)A 解析 (1)验证机械能守恒定律实验，需要尽量减小阻力，以使得减少的重力势能接近增加的 动能，所以选择铁质重锤而不是木质，这样可以尽量减少阻力影响，即选项 A 对，B 错；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 是必须的；而秒表 不需要，只要查相邻点的间隔即可得时间间隔，因为打点计时器每隔 0.02 秒打一个点，所以 E 错误；有刻度尺测量点间距，而不需要游标卡尺，选项 D 错．(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 即等于 AC 的平均速度，所以 vB＝hC－hA 2T ，增加的动能ΔEk＝1 2mv 2B ＝mhC－hA2 8T2 .(3)为保证只有 重力做功，释放前纸带竖直可减少纸带与打点计时器限位孔之间的摩擦，选项 A 对；实验过 程先接通电源，待打点稳定后再释放重锤，选项 B 对；速度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，如果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；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 对．(4)若有恒定的阻力存在，则根据动能定理可得(mg－Ff)h＝ 1 2mv2，即v2 h ＝2 g－Ff m ，所以图象斜率为定值，而且过原点，对照选项 A 对． 7．(1)H 天平 (2)d3－d1 2T 或d4 4T mg(d5－d1)＝1 2(M＋m)(v 25 －v 21 ) (3) m M＋m g 解析 (1)电火花计时器使用的是 220 V 交流电源，因此低压交流电源用不着；另外还需要用 到天平测出小车的质量 M；(2)打点 2 时的速度等于 1～3 或 0～4 间的平均速度，即 v2＝d3－d1 2T 或d4 4T ；根据机械能守恒，整个系统减小的重力势能等于整个系统增加的动能，即 mg(d5－d1) ＝1 2(M＋m)·(v 25 －v 21 ) ；(3)根据 mgd＝1 2(M＋m)v2 得：v2 2 ＝ mg M＋m d，所以 v2 2 d 图象的斜率表示 的物理量的表达式为 mg M＋m .