物理5 实验：验证机械能守恒定律精品课时训练

8.5 实验： 验证机械能守恒定律

一、选择题

1．某位同学做利用自由落体运动“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是（　　）

A．把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源

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】

A．打点计时器使用低压交流电源，所以实验时把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接低压交流电源，A正确；

B．固定好打点计时器，将连有重物的纸带穿过限位孔，用手提住，将纸带和重锤提升到一定高度，尽量靠近打点计时器，B正确；

C．应先接通电源，然后释放重物，否则纸带开始阶段是空白，可能所采集的数据不够，而且浪费纸带，C错误；

D．重复几次，取得几条打点纸带，挑选一条清楚的纸带进行数据处理，D正确。

故选C。

2．图示为某同学做验证机械能守恒定律实验的装置。实验结果显示，重锤重力势能的减少量总略大于动能的增加量，其主要原因是(　　)

A．重锤的密度过大

B．电源的电压不稳定

C．没有采用多次实验取平均值

D．存在空气阻力和纸带与限位孔之间的摩擦阻力

【答案】D

【解析】

AD．重锤下落过程中，重锤的重力势能减小，一部分转化为重锤的动能，一部分克服阻力做功，所以重锤重力势能的减少量总略大于动能的增加量，而增大重锤密度，可以减小阻力带来的误差，A错误，D正确；

B．电源电压不稳定与该误差无关，B错误；

C．该误差为系统误差，多次求平均值无法减小系统误差，D错误。

故选D。

3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列释放纸带的操作正确的是(　　)

A．B．C．D．

【答案】A

【解析】

在“验证机械能守恒定律”的实验中，应手提纸带的末端，使纸带竖直，让重物靠近打点计时器，先接通电源，再释放纸带，由此可知，A正确；B C D错误；

故选A．

4.在“验证机械能守恒定律”的实验中,某同学依据纸带求得各点的瞬时速度,以及与此相对应的重物下落距离h,以v2为纵轴,以h为横轴,建立坐标系,描点后画出v2-h图线,从而验证机械能守恒定律。若所有操作均正确,则得到的v2-h图像可能是              (　　)

【答案】A

【解析】由=mgh得v2=2gh,可知v2∝h,所画v2-h图线应是一条过原点的直线。

5．利用自由落体运动验证机械能守恒定律时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度和下落高度．某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案，正确的是（　　）

A．用刻度尺测出物体下落的高度，并测出下落时间，通过计算出瞬时速度

B．用刻度尺测出物体下落的高度，并通过计算出瞬时速度

C．根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，测算出某点的瞬时速度，并通过计算出物体下落至该点的高度

D．用刻度尺测出物体下落至某点的高度，根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，测算出该点的瞬时速度

【答案】D

【解析】AB．由于空气阻力和纸带与打点计时器间的摩擦阻力的作用，使得物体由静止开始自由下落的运动不是自由落体运动，而,

都是自由落体运动的公式，AB错误；CD．物体下落到某点时的瞬时速度，应根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度测算得到，而物体下落的高度是用刻度尺测量得到的，不是计算得到的，C错误，D正确。

故选D。

6．频闪照相是每隔相等时间曝光一次的照相方法，在同一张相片上记录运动物体在不同时刻的位置。如图所示是小球在竖直方向运动过程中拍摄的频闪照片，相机的频闪周期为T，利用刻度尺测量相片上2、3、4、5与1位置之间的距离分别为x1、x2、x3、x4。下列说法正确的是（ ）

A．小球一定处于下落状态

B．小球在2位置的速度大小为

C．小球的加速度大小为

D．频闪照相法可用于验证机械能守恒定律

【答案】D

【解析】A．小球下落时，相同时间内的位移逐渐变大；上升阶段，相同时间内的位移逐渐减小，则由图不能确定小球上升还是下落状态，选项A错误；

BC．因小球在竖直方向的运动不一定是匀变速运动，故小球在2位置的速度大小不一定为，加速度也不一定是，选项BC错误；

D．频闪照相法可用于验证机械能守恒定律，选项D正确。

故选D。

7．如图是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。在调整气垫导轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道右端向左运动，发现滑块通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间。为使气垫导轨水平，可采取的措施是（　　）

A．调节P使轨道左端升高一些

B．调节P使轨道左端降低一些

C．遮光条的宽度应适当大一些

D．滑块的质量增大一些

【答案】A

【解析】滑块通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间，说明滑块在加速运动，可以调节P使轨道左端升高一些，让导轨处于水平状态。遮光条的宽度和滑块质量的调节无法使导轨水平。

故选A。

8.如图甲所示，是用电火花计时器验证机械能守恒定律的实验装置。已知当地的重力加速度g=9.80m/s2，电火花计时器所用电源频率为50Hz，重物质量为0.2kg.

(1)下列操作中正确的是___________.

A．电火花计时器应接6V交流电源

B．应先释放纸带，后接通电源打点

C．需使用秒表测出重物下落的时间

D．测出纸带上两点间的距离，可知重物相应的下落高度

(2)某同学按照正确的操作，得到一条符合实验要求的纸带，如图乙所示.如果打O点时重物速度为0，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点，计算B点对应的速度时，甲同学用，乙同学用vB=，你赞成___________(选填“甲”或“乙”)同学的计算方法.

(3)该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C的距离，并记录在图乙中(单位cm).打点计时器打B点时重物的动能为___________J，从O到B过程中重物重力势能的减少量为___________J(计算结果均保留3位有效数字).

【答案】(1). D    (2). 乙    (3). 0.369    (4). 0.376

【解析】第一空.A.打点计时器应接交流电源，故A错误；

B.开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故B错误；

C.我们可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表，故C错误；

D.测出纸带上两点迹间的距离，可知重物相应的下落高度，故D正确.

故填D.

第二空.计算B点瞬时速度时，若按甲同学的方法用，即认为纸带下落的加速度为g，则不需要计算速度vB的值也会有：，故甲的数据处理方法错误，应该选用乙同学的：某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，，故乙同学正确.

第三空. B点的瞬时速度为：，那么此时重物的动能.

第四空.从初始位置O到打下计数点B的过程中，重锤的重力势能的减少量为：△Ep=mgh=0.2×9.8×0.192J≈0.376J.

9.如图所示,为利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”实验装置示意图.

(1)实验步骤如下：

①将气垫导轨放在水平实验桌面上，将导轨调至水平；

②由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x＝_______cm；

③将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码盘静止不动时，释放滑块，要求砝码盘落地前挡光条已通过光电门2；

④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所用的时间分别为Δt1和Δt2；

⑤用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出砝码盘和砝码的总质量m .

(2)根据以上实验测量结果完成以下的问题(只要求写出表达式，已知挡光条的宽度为，重力加速度为)：

①滑块通过光电门1和光电门2时的瞬时速度分别为______和_____.

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、砝码盘和砝码)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，系统重力势能的减少量ΔEp＝______.

(3)在实验误差允许范围内，如果关系式________成立，则可认为机械能守恒定律得到了验证.

【答案】 (1). 50.00    (2).     (3).     (4).     (5).     (6).     (7).

【解析】第一空．标尺读数：；

第二空第三空．由于光电门的宽度很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度，即滑块通过光电门1的速度为：，

滑块通过光电门2的速度为：；

第四空第五空．，

；

第六空．系统重力势能减少量为：；

第七空． 机械能守恒，即：，所以有：。

10．某同学利用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，所用器材包括：安装phyphox APP的智能手机、铁球、刻度尺、钢尺等。实验过程如下：

（1）一钢尺伸出水平桌面少许，将质量为m的铁球放在钢尺末端，用刻度尺测出钢尺上表面与地板间的高度差；

（2）运行智能手机中的声音“振幅”（声音传感器）项目；

（3）迅速敲击钢尺侧面，铁球自由下落。传感器记录下声音振幅随时间变化曲线如图10乙所示，第一、第二个尖峰的横坐标分别对应铁球开始下落和落地时刻。测得这两个尖峰的时间间隔为。

（4）若铁球下落过程中机械能守恒，则应满足等式：___________（请用物理量符号m、g、h、t表示）。

（5）若已知铁球质量为50g，，则下落过程中减小的重力势能，增加的动能___________J（结果保留3位小数）。相对误差___________，据此可以得到的实验结论：在误差允许的范围内，铁球在自由下落过程中机械能守恒。

（6）敲击钢尺侧面时若铁球获得一个较小的水平速度，对实验测量结果___________（填“有”或“没有”）影响。

【答案】 或     0.380     0.5     没有

【解析】（4）铁球下落的速度为

根据初速度为0的匀变速直线运动的公式有

解得铁球下落时间t的速度为

若铁球下落过程中机械能守恒，则应满足等式

代入数据解得或

（5）下落过程中增加的动能

相对误差

（6）根据运动的独立性，敲击钢尺侧面时若铁球获得一个较小的水平速度，不影响铁球竖直方向的运动，对实验测量结果没有影响。

11.某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置验证系统机械能守恒定律，当地的重力加速度g=9.80m/s2，操作步骤如下：

①用天平测量物块a的质量m1和物块b的质量m2；

②把打点计时器、定滑轮固定在铁架台上，跨过定滑轮的轻质细线连接物块a和物块b；

③把固定在物块a上的纸带穿过打点计时器的限位孔，让物块a靠近打点计时器，先_________，再_________；

④实验过程中打出的一条纸带如图乙所示；

⑤更换物块重复实验。

（1）请把步骤③补充完整；

（2）所用交变电源的频率为50Hz，测得计数点O、A、B、C、D、E、F相邻两点间的距离分别为x1=6.00cm、x2=8.39cm、x3=10.81cm、x4=13.20cm、x5=15.59cm、x6=18.01cm，相邻两个计数点间还有4个点未画出，打下计数点A时物块a和物块b运动的速度大小vA=________m/s，打下计数点E时物块a和物块b运动的速度大小vE=________m/s；（结果均保留三位有效数字）

（3）用天平测出物块a和物块b的质量分别为m1、m2（m1<m2），从打计数点A到E的过程中，物块a和物块b组成的系统减小的重力势能△Ep=________，增加的动能为△Ek=________，在误差允许的范围内，物块a和物块b组成的系统机械能守恒。（结果用m1、m2、vA、vE、g、x2、x3、x4、x5表示）

【答案】接通电源    释放物块a和物块b    0.720    1.68           

【解析】

（1）[1][2]实验过程中应先接通电源，再释放物块a和物块b；

（2）[3]由题可知，每相邻计数点间的时间间隔为T=0.02s×5=0.1s

打下计数点A时物块a和物块b运动的速度大小

[4]打下计数点E时物块a和物块b运动的速度大小

（3）[5]从打计数点A到E的过程中，物块a和物块b组成的系统减小的重力势能为

[6]增加的动能为

12.小王同学采用如图甲所示的装置进行“验证机械能守恒定律”实验，打点计时器所接电源频率为 50 Hz。

（1）实验中，重物的质量 ____________。

A．必须测量 B．可测可不测

（2）除了图甲所示装置中的器材之外，还必须从图乙中选取实验器材____________。

（3）指出图甲所示装置中一处不合理的地方 _________。

（4）改进实验后，得到如图丙的纸带，则点 2 对应的读数为__________________cm；打下点 2 时纸带速度的大小为 _________m/s。

（5）若实验数据处理结果是从点 0 到点 4 过程中动能的增加量略小于重力势能的减少量，可能是因为_________。

A．存在阻力       B．点 0 的速度不为零       C．点 4 的速度由公式 v=gt 计算

【答案】B    B    重锤未靠近打点计时器    2.00    0.38 或 0.375    A   

【解析】

(1)[1]本实验要验证机械能守恒定律，即通过实验要得到的表达式为

等式两边消去质量m，得

所以实验中，重物的质量可测可不测。故选B。

(2)[2]图甲中已经有铁架台、打点计时器、纸带和重物，所以要想完成本实验，还需要刻度尺来测量纸带的长度，而打点计时器本来就是每隔0.02s打一个点，所以不需要另外的计时工具，故选B。

(3)[3]重物离打点计时器太远，有可能出现纸带上没点或者点太少，不利于测量，所以应该让重物离打点计时器近一些，应该往上提一提。

(4)[4]由刻度尺的读数规则可得，点2对应的读数为；

[5]打下点2时纸带速度的大小为点1到点3之间的平均速度，即

(5)[6]若实验数据处理结果是从点0到点4过程中动能的增加量略小于重力势能的减少量，可能是因为重物下落过程中要克服阻力做功，消耗机械能；而如果忽略了点 0 的速度，或者用v=gt计算点4的速度，都会使动能的增加量大于重力势能的减少量。故选A。