高中物理人教版 (2019)必修 第二册第八章 机械能守恒定律5 实验：验证机械能守恒定律优秀随堂练习题

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实验：验证机械能守恒定律基础训练1．在“验证机械能守恒定律”实验中，纸带将被释放瞬间的四种情况如照片所示，其中最合适的是(　D　)解析：纸带释放前应竖直，且重物靠近打点计时器，故D正确。2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下面列出一些实验步骤：A．用天平称出重物和夹子的重量B．把重物系在夹子上C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器静止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6V(电源不接通)E．把打点计时器固定在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上F．在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据G．用秒表测出重物下落时间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K．在三条纸带中选出较好的一条L．进行计算，得出结论，完成报告M．拆下导线，整理器材以上步骤中，不必要的有__A、G__，正确步骤的合理顺序是__EDBCHIJMKFL__(填写字母)。解析：只为了验证机械能守恒，没必要称量重物的质量。打点计时器本身就是计时仪器，不再需要秒表。3．用打点计时器“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示。(1)按照图示的装置安装器件时，应将打点计时器接到电源的__交流__(填“直流”或“交流”)输出端上。(2)开始打点计时的时候，两个操作步骤“接通电源”和“松开纸带”的顺序应该是：先__接通电源__。(3)某同学在使用质量为m的重物来验证“机械能守恒定律”的实验中，在选定的纸带上依次取计数点如图所示。纸带上所打的点记录了重物在不同时刻的位置，那么纸带的__左__端(填“左”或“右”)与重物相连。(4)某同学上交的实验报告显示重锤的动能略大于重锤的势能，则出现这一问题的原因可能是(　B　)A．重锤的质量测量错误B．该同学自编了实验数据C．交流电源的频率不等于50HzD．重锤下落时受到的阻力过大解析：(1)打点计时器需接交流电源。(2)开始打点时应先接通电源再松开纸带。(3)由纸带可看出左端与重物相连。(4)由于存在摩擦阻力重锤的势能应略大于动能，不可能存在动能大于势能的情况。4．某同学利用竖直上抛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(当地重力加速度取9.8 m/s2，小球质量m＝0.2 kg，计算结果保留三位有效数字)：时刻t2t3t4t5速度(m·s－1)4.994.483.98  (1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝__3.48__m/s。(2)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝__1.24__ J，动能减少量ΔEk＝__1.28__J。(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律。由上述计算得ΔEp__<__ΔEk(选填“>”“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是__存在空气阻力__。解析：(1)t5时刻小球的速度v5＝×10－2m/s＝3.48 m/s(2)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝mgh25＝0.2×9.8×(23.68＋21.16＋18.66)×10－2 J＝1.24J，动能减少量ΔEk＝mv－mv＝1.28 J(3)ΔEp<ΔEk，造成这种结果的主要原因是上升过程中存在空气阻力。能力提升1．某探究小组想利用验证机械能守恒定律的装置测量当地的重力加速度，如图甲所示。框架上装有可上下移动位置的光电门1和固定不动的光电门2；框架竖直部分紧贴一刻度尺，零刻度线在上端，可以测量出两个光电门到零刻度线的距离x1和x2；框架水平部分用电磁铁吸住一个质量为m的小铁块，小铁块的重心所在高度恰好与刻度尺零刻度线对齐。切断电磁铁线圈中的电流时，小铁块由静止释放，当小铁块先后经过两个光电门时，与光电门连接的传感器即可测算出其速度大小v1和v2。小组成员多次改变光电门1的位置，得到多组x1和v1的数据，建立如图乙所示的坐标系并描点连线，得出图线的斜率为k。(1)当地的重力加速度为____(用k表示)。(2)若选择光电门2所在高度为零势能面，则小铁块经过光电门1时的机械能表达式为__mv＋mg(x2－x1)或mv__(用题中物理量的字母表示)。(3)关于光电门1的位置，下面哪个做法可以减小重力加速度的测量误差(　C　)A．尽量靠近刻度尺零刻度线B．尽量靠近光电门2C．既不能太靠近刻度尺零刻度线，也不能太靠近光电门2解析：(1)以0刻度线为零势能面，小铁块从光电门1运动到光电门2的过程中机械能守恒，根据机械能守恒得：mv－mgx1＝mv－mgx2整理得：v－v＝2g(x2－x1)所以图像的斜率k＝2g，解得：g＝(2)小铁块经过光电门1时的机械能等于小铁块经过光电门1时的动能加上势能，则E1＝mv＋mg(x2－x1)＝mv＋0(3)释放小球的缺点是，当切断电流后，电磁铁的磁性消失需要一定时间，会使经过光电门1的时间较实际值大，引起误差，为减小误差应使光电门1的位置离零刻度线远一些，另外适当增大两光电门A、B间的距离，可使位移测量的相对误差减小，所以C正确。故选C。2．“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图所示的甲或乙方案来进行。(1)比较这两种方案，__甲__(选填“甲”或“乙”)方案好些。(2)下图是某种方案得到的一条纸带，测得每两个计数点间距离如图所示，已知每两个计数点之间的时间间隔T＝0.1 s，物体运动的加速度a＝__4.83__m/s2；该纸带是采用__乙__(选项“甲”或“乙”)实验方案得到的。(3)下图是采用甲方案时得到的一条纸带，在计算图中N点速度时，几位同学分别用下列不同的方法进行，其中正确的是(　BC　)A．vN＝gnT B．vN＝C．vN＝ D．vN＝g(n－1)T解析：(1)比较甲、乙两种方案，乙方案中产生的阻力对实验的影响大于甲方案，因此应选的方案是甲。(2)由题意得：a＝＝4.83 m/s，所以该纸带是采用乙实验方案得到的。(3)计算N点速度应通过实验得到的纸带，经测量计算得出，所以应选B、C。3．某同学用如图1所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方。在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v＝作为钢球经过A点时的速度。记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。(1)用ΔEp＝mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到__B__之间的竖直距离。A．钢球在A点时的顶端B．钢球在A点时的球心C．钢球在A点时的底端(2)用ΔEk＝mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图2所示，其读数为__1.50(1.49～1.51都算对)__cm。某次测量中，计时器的示数为0.010 0 s，则钢球的速度为v＝__1.50(1.49～1.51都算对)__m/s。(3)下表为该同学的实验结果：ΔEp(×10－2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10－2J)5.0410.115.120.029.8 他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。答案：(3)不同意，因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp。(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算ΔEk时，将v折算成钢球的速度v′＝v。解析：(1)要测量钢球下落的高度，应测量开始释放时钢球的球心到钢球在A点时球心的竖直距离，选B。(2)根据题图可知，遮光条的宽度为d＝1.50 cm，若计时器的示数为0.010 0 s，则钢球的速度v＝＝m/s＝1.50 m/s(3)由于空气阻力的存在，钢球下落过程中克服空气阻力做功，因此动能的增加量会小于重力势能的减少量，而题中表格数值表明动能的增加量大于重力势能的减少量，显然误差不是由于空气阻力造成的，而是由遮光条在钢球的下面，测得的速度比钢球的实际速度大造成的。(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算ΔEk时，将v折算成钢球的速度v′＝v。