2019-2020学年高中物理能力导练二十二实验：验证机械能守恒定律含解析 人教版必修2 9页

能力导练二十二　实验：验证机械能守恒定律 基础巩固 ‎1．(多选)在“验证机械能守恒定律”实验中，需特别注意的有(　　)‎ A．称出重锤的质量 B．手提纸带，先接通打点计时器电源，再松开纸带让重锤落下 C．取下纸带，可不考虑前面较密集的点，选某个清晰的点作为起始运动点处理纸带，验证mgh＝mv2公式 D．必须选取第1、2点间距离接近2 mm的纸带，从第1点算起处理纸带，验证mgh＝mv2公式 解析：验证的是重力势能的减少mgh是否等于动能的增加mv2，没有必要知道重锤具体的质量，所以A不正确．重力势能的减少量mgh与物体动能的增加量mv2比较是否相等，二者必须相对应，只有h从初速度为零的点量起，在此过程中对应的动能的增加量才为mv2－0＝mv2，否则动能增加量应为mv2－mv02，也只有选1、2两点间距接近2 mm的纸带，且从第1点量起才能用mgh＝mv2，所以C不正确，D正确，B做法是正确的．‎ 答案：BD ‎2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，对于自由下落的重物，下列选择条件哪种更为合适(　　)‎ A．只要足够重就可以 B．只要体积足够小就可以 C．体积小，质量轻 D．应该密度大些，还应便于夹紧纸带，使纸带随同运动时不致扭曲 9‎ 解析：质量大、体积小也就是密度大，目的是为了减小空气阻力，便于夹紧纸带是为了提高可操作性．‎ 答案：D ‎3．在验证机械能守恒定律的实验中，需要直接测量的物理量是(　　)‎ A．重物的质量 B．重物下落的时间 C．重物下落的高度 D．重物的瞬时速度 解析：在不需要求动能和势能值时，不必测出重物质量，只要满足(v22－v12)＝gh就能验证机械能守恒；重物下落时间不需要测量；重物的瞬时速度不是直接测得的物理量．‎ 答案：C ‎4．下面列出一些实验步骤：‎ A．用天平称重锤和夹子的质量．‎ B．将重锤系在夹子上．‎ C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹在重锤的夹子上，并且使重锤靠近打点计时器处．‎ D．把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6 V(电源暂不接通)．‎ E．把打点计时器用铁夹固定到放在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上．‎ F．在纸带上选取几个点，进行测量并记录数据．‎ G．用秒表测出重锤下落的时间．‎ H．接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带．‎ I．切断电源．‎ J．更换纸带，重新进行两次实验．‎ K．在三条纸带中选出较好的一条．‎ 9‎ L．进行计算，得出结论，完成实验报告．‎ M．拆下导线，整理器材．‎ 对于本实验以上步骤中，不必要的有__________；正确步骤的合理顺序是：__________(填写代表字母)．‎ 解析：实验的目的是想验证动能与重力势能相等，不必测质量，从纸带上就知道了时间，不需要用秒表测时间，故不必要的步骤为AG，实验先进行器材安装，顺序为EDBC，然后进行实验，顺序为HIJ，最后是数据处理顺序为KFL，最后整理器材为EDBCHIJKFLM.‎ 答案：AG　EDBCHIJKFLM 图1‎ ‎5．(2019年重庆市主城区二诊)利用如图1所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h.‎ ‎(1)某同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案．‎ A．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt，计算出瞬时速度v.‎ B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v＝计算出瞬时速度v.‎ C．根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过2gh＝v2，计算得出高度h.‎ 9‎ D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v.‎ 以上方案中只有一种正确，正确的是________．(填入相应的字母序号)‎ ‎(2)实验中产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器的摩擦阻力，使重锤获得的动能往往________它所减少的重力势能(选填“大于”“小于”或“等于”)．‎ ‎(3)如果以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出－h图线是一条通过坐标原点的倾斜直线，该直线的斜率是________．‎ 解析：(1)该实验是验证机械能守恒定律的实验．因为我们知道自由落体运动只受重力作用，机械能守恒．如果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．其中A、B、C三项都是运用了自由落体运动的规律求解的，故ABC错误．故选D.‎ ‎(2)由于阻力的存在，重锤获得的动能小于减少的重力势能，还有一部分能量转化为内能．‎ ‎(3)根据mgh＝mv2得：＝gh，则－h图线的斜率等于g.‎ 答案：(1)D　(2)小于　(3)g(或重力加速度)‎ ‎6．在“验证机械能守恒定律”的实验中，所用电源的频率为50 Hz，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计数点位置对应刻度尺上的读数如图2所示(图中O点为打点计时器打的第一个点，A、B、C、D是间隔一段后所取的点，图中单位为cm)，根据实验并结合纸带回答以下问题：(g取9.8 m/s2)‎ 图2‎ ‎(1)实验时，释放纸带与接通电源的合理顺序是__________________；‎ 9‎ ‎(2)若重锤的质量为m kg，则重锤从开始下落到B点时，重锤减少的重力势能为__________；‎ ‎(3)若重锤的质量为m kg，则重锤从开始下落到B点时，重锤增加的动能为__________．‎ 解析：此实验中B点的瞬时速度是由v＝计算得出的，从而进一步计算出动能来，为6.82m J，减少的重力势能是由ΔEp＝mgdB计算得出的，为6.88m J.‎ 答案：(1)先接通电源后释放纸带 ‎(2)6.88m J　(3)6.82m J 综合应用 ‎7．某同学利用图3的装置来验证机械能守恒定律，设计了如下实验，A是质量为m、直径为d的小球，B为重物，A、B间用轻质细绳通过轻质滑轮相连．在距水平地面h高处的C点固定一个光电计时器，实验操作如下：‎ 图3‎ ‎①开始时，测出重物B的质量M，将小球A放在光电计时器正下方的水平地面上，系统在外力作用下保持静止．细绳拉直但张力为零，现释放B使其向下运动．测出小球A通过光电计时器所用的时间为Δt，且小球A通过光电计时器时重物B还未落地 ‎②实验中保持A质量不变，改变B的质量，多次重复第①步．‎ ‎(1)实验中，M和m的关系必须满足M________m(选填“小于”“等于”或“大于”)．‎ 9‎ ‎(2)小球A运动至C点的速度可表示为________________．‎ ‎(3)根据所测数据，为得到线性关系图线，应作出________(选填“Δt－”“Δt2－”或“Δt2－”)图线；‎ ‎(4)根据第(3)问得到的图线，若图线在纵轴上的截距为b，则当地重力加速度g＝________(用题给的已知量表示)‎ 解析：(1)释放B后小球要向上运动，A所受合力应向上，因此B的质量M应大于A的质量m.‎ ‎(2)小球经过光电门时的速度：v＝.‎ ‎(3)对系统由机械能守恒定律得：(M－m)gh＝(M＋m)v2，整理得Δt2＝·＋，Δt2与是线性关系，为得出线性关系图线，应作Δt2－图象．‎ ‎(4)Δt2－图象的纵轴截距：b＝，‎ 解得g＝.‎ 答案：(1)大于　(2)　(3)Δt2－　(4) 探究拓展 ‎8．利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图4所示．‎ 图4‎ ‎(1)实验步骤：‎ ‎①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平．‎ 9‎ ‎②用游标卡尺测出挡光条的宽度l＝9.30 mm.‎ ‎③由导轨标尺读出两光电门中心间的距离x＝__________cm.‎ ‎④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已经过光电门2.‎ ‎⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2.‎ ‎⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.‎ ‎(2)用表示直接测得量的字母写出下列物理量的表达式．‎ ‎①滑块通过光电门1和光电门2时，瞬时速度分别为v1＝__________和v2＝__________．‎ ‎②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝__________和Ek2＝__________．‎ ‎③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp＝__________(重力加速度为g)．‎ ‎(3)如果ΔEp＝__________，则可认为验证了机械能守恒定律．‎ 解析：(1)③距离x＝80.30 cm－20.30 cm＝60.00 cm.‎ ‎(2)①由于挡光条宽度很小，因此可以将挡光条通过光电门时的平均速度当成瞬时速度，挡光条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间Δt可从数字计时器读出．因此，滑块通过光电门1和光电门2的瞬时速度分别为v1＝，v2＝.‎ ‎②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统的总动能分别为 Ek1＝(M＋m)v12＝(M＋m)，‎ Ek2＝(M＋m)v22＝(M＋m).‎ 9‎ ‎③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp＝mgx.‎ ‎(3)如果在误差允许的范围内ΔEp＝Ek2－Ek1，则可认为验证了机械能守恒定律．‎ 答案：(1)③60.00(59.96～60.04之间正确)‎ ‎(2)①　 ‎②(M＋m)　(M＋m)　③mgx ‎(3)Ek2－Ek1‎ ‎9．(2019年山东济宁一模)DIS实验是利用现代信息技术进行的实验．“用DIS研究机械能守恒定律”的实验装置如图5甲所示，小组同学在实验中利用小铁球从很光洁的曲面上滚下，选择DIS以图象方式显示实验的结果，所显示的图象如图5乙所示．图象的横轴表示小球距d点(最低点)的高度h，纵轴表示小铁球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E.试回答下列问题：‎ 图5‎ ‎(1)图5乙的图象中，表示小球的机械能E、动能Ek、重力势能Ep随小球距d点的高度h变化关系的图线分别是________(按顺序填写相应图线所对应的文字)；‎ ‎(2)根据图5乙所示的实验图象，可以得出的结论是：______________________．‎ 解析：(1)将各个时刻对应的高度和速度二次方数据标在坐标图中，用描点法作出v2－h图象；由mgh＝mv2，可得v2－h图象的斜率等于2g.根据小球下滑动能增大、重力势能减小、机械能不变可知表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距d点的高度h变化关系的图线分别是丙、乙、甲．‎ 9‎ ‎(2)小球运动过程受到支持力和重力，支持力不做功，只有重力做功，小球的机械能守恒．故得出的结论是：忽略阻力作用，小球在下落过程中机械能守恒．‎ 答案：(1)甲、乙、丙 ‎(2)忽略阻力作用，小球下落过程机械能守恒 9‎