高中物理第八章 机械能守恒定律5 实验：验证机械能守恒定律当堂达标检测题

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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
答案:C
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。
2.(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 mm
D.纸带长度较长(60~80 cm)
答案:ACD
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0.02 s(打点时间间隔)内所下落的高度为h1=12gt12=12×9.8×0.022 m=0.002 m=2 mm,因此,纸带上第一、二两点间的距离接近2 mm,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。
3.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
答案:A
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。
4.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)
答案:AB BDE
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。
5.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= 。
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
答案:(1)AC (2)mghB m(hC-hA)28T2 (3)ABD
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ΔEk=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。
6.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。
① ;
② 。
(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(3~5条)打出一系列点的纸带,在选点验证机械能守恒时,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 。
答案:(1)①打点计时器接了直流电源 ②重物离打点计时器太远
(2)一
(3)重力加速度g
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1 m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=12×10×(0.02)2 m=0.002 m=2 mm。选用点迹清晰,第1、2点间距离接近2 mm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。
能力提升
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 。
答案:(1)1.84 1.69 1.74 12v2=gh (2)C
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v=xAC2T=1.84 m/s,对应的v22=(1.84)22 m2/s2=1.69 m2/s2;而gh=9.8×17.80×10-2 m2/s2=1.74 m2/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。
2.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Δt1 (选填“>”“=”或“