高中5 实验：验证机械能守恒定律课时作业

第八章  机械能守恒定律

5  实验：验证机械能守恒定律

【基础巩固】

1.(多选)某同学利用自由落体运动做验证机械能守恒定律的实验,下列操作步骤正确的是              (　　)

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.将连有重物的纸带穿过限位孔,将纸带和重物提升到一定高度

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:ABD

2.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,下列说法或做法正确的是              (　　)

A.必须用停表测重物下落的时间

B.选用质量小的重物可减小实验误差

C.实验时必须先用天平测出重物的质量

D.实验中不能用公式v= 求下落高度h时的速度

答案:D

3.(多选)在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,较为理想的纸带具备的特点是              (　　)

A.点迹小而清晰

B.点迹粗长

C.第一、二点间的距离接近2 mm

D.纸带长度较长(80~100 cm)

答案:AC

4.现有4条用打点计时器(电源频率为50 Hz)打出的纸带,其中一条是做验证机械能守恒定律实验时打出的.为找出该纸带,某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点,用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为x1、x2、x3.已知当地的重力加速度为9.791 m/s2.请你根据下列x1、x2、x3的测量结果确定该纸带为              (　　)

A.61.0 mm、65.8 mm、70.7 mm

B.41.2 mm、45.1 mm、53.0 mm

C.49.6 mm、53.5 mm、57.3 mm

D.60.5 mm、61.0 mm、60.6 mm

答案:C

5.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中:

(1)从下列器材中选出实验所必需的,其编号为　　　　. 

A.打点计时器(含纸带)　　　B.重物

C.天平               D.毫米刻度尺

E.停表               F.运动小车

(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为0,应　　　　. 

A.先接通电源,再释放纸带

B.先释放纸带,再接通电源

(3)下列说法正确的是　　　　. 

A.实验中用打点计时器时,一定用到低压直流电源

B.选用重物时,同样大小、形状的重物选重一点的比较好

C.要选用第1、2两点间的距离接近2 mm的纸带

D.实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量

解析:(1)打点计时器(含纸带)、重物是必需的,为了测量计数点间的距离,需要刻度尺;实验通过比较mgh、mv2的大小关系得出结论,而m可约去,所以不需要测出重物的质量,不需要用天平;打点计时器本身可以计算时间,所以不需要停表;实验用的是重物,不需要运动小车.

(2)开始实验时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放纸带,以保证重物下落的初速度为0.

(3)电火花计时器不用低压电源,电磁打点计时器用低压交变电源,选项A错误;为了减小空气阻力的影响,在选择重物时,要选择密度大的,即选择质量大体积小的重物,选项B正确;由公式h=gt2可知,若开始第1、2两点间的距离约为2 mm,则打第1个点时的速度约为0,这样只需比较gh、v2的大小关系即可,选项C正确;由于空气阻力、纸带与打点计时器之间的摩擦的影响,实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量,选项D正确.

答案:(1)ABD　(2)A　(3)BCD

【拓展提高】

6.某同学利用竖直上抛的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g取9.8 m/s2,小球质量m=0.2 kg,结果保留三位有效数字.

(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5=　　　　m/s. 

(2)从t2到t5时间内,重力势能增加量ΔEp=　 　J,动能减少量ΔEk=　　　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　　　　(选填“>”“<”或“=”)ΔEk,造成这种结果的主要原因是　                                                         . 

解析:(1)v5=×10-2 m/s=4.08 m/s.

(2)由题给条件知,h25=(26.68+24.16+21.66) cm=0.725 m.

ΔEp=mgh25=1.42 J,

ΔEk=m-m=1.46 J.

(3)由(2)中知ΔEp<ΔEk,因为存在空气阻力,所以重力势能的增加量小于动能的减少量.

答案:(1)4.08　(2)1.42　1.46　(3)<　存在空气阻力

7.某实验小组利用如图所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒.用刻度尺测得遮光条的宽度为d,实验时将滑块从图示位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt.

(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平,接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块能保持　　　　状态,则说明导轨是水平的;轻推滑块,若滑块能做　　　　运动,也说明导轨是水平的. 

(2)在本次实验中还需要测量的物理量有钩码的质量m、　　　　和　　　　(用文字说明并用相应的字母表示). 

(3)本实验要比较　　　　和　　　　的大小,若在实验误差允许的范围内二者近似相等,则系统的机械能守恒.(用测量的物理量符号表示) 

(4)你估计减少的重力势能和增加的动能哪个可能偏小? 　　　    　　.你认为造成这种偏差的原因可能是　                             　. 

解析:(1)接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块能保持静止状态,则说明导轨是水平的;轻推滑块,若滑块能做匀速直线运动,也说明导轨是水平的.

(2)本实验中钩码减少的重力势能转化为钩码和滑块的动能,所以还需要测出滑块的质量m0以及遮光条初始位置到光电门的距离x.

(3)此过程中钩码减少的重力势能为mgx,滑块运动到光电门时的速度v=,钩码和滑块增加的动能为(m+m0).若在实验误差允许的范围内,mgx与(m+m0)近似相等,则系统的机械能守恒.

(4)运动过程中存在摩擦力,定滑轮也有质量,所以钩码减少的重力势能一方面转化为系统(包括定滑轮)的动能,另一方面要克服摩擦力做功,所以系统增加的动能小一些.

答案:(1)静止　匀速直线

(2)滑块的质量m0　遮光条初始位置到光电门的距离x

(3)mgx　(m+m0)

(4)增加的动能　存在摩擦力

【挑战创新】

8.如图甲所示,用包有白纸的质量为1.00 kg的圆柱替代纸带和重物,蘸有颜料的毛笔固定在电动机上并随之转动,用其替代打点计时器.当烧断悬挂圆柱的线后,圆柱自由下落,毛笔就在圆柱表面的纸上画出记号,如图乙所示,设毛笔接触圆柱时不影响圆柱的运动.测得记号之间的距离依次为26.0 mm、42.0 mm、58.0 mm、74.0 mm、90.0 mm、106.0 mm;电动机铭牌上标有

“1 440 r/min”的字样,由此验证机械能是否守恒.根据以上内容,回答下列问题:

甲

乙

(1)毛笔画出相邻两条线的时间间隔T=　　　s,图乙中圆柱的　　　(选填“左”或“右”)端是悬挂端. 

(2)根据图乙所给的数据,g取9.8 m/s2,可知毛笔画下记号C时,圆柱下落的速度vC=　　　　m/s;画下记号D时,圆柱下落的速度vD=　　　　m/s;从记号C到D圆柱动能的变化量为　　　　J,重力势能的变化量为　　　　J,由此可得出的结论是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.(结果均保留两位有效数字) 

解析:(1)T==0.042 s.图乙中从右往左相邻笔迹间的距离变大,故左端是悬挂端.

(2)vC= m/s=1.2 m/s,同理可得vD=1.6 m/s,ΔEk=m(-)=0.56 J,ΔEp=mgxCD=0.57 J.在误差允许的范围内,圆柱的机械能是守恒的.

答案:(1)0.042　左

(2)1.2　1.6　0.56　0.57　在误差允许的范围内,圆柱的机械能是守恒的