實驗：驗證機械能守恒定律（解析版）

8.5實驗：驗證機械能守恒定律一、選擇題1．某位同學做利用自由落體運動“驗證機械能守恒定律”的實驗，下列操作步驟中錯誤的是（）A．把打點計時器固定在鐵架臺上，用導線連接到低壓交流電源B．將連有重錘的紙帶穿過限位孔，將紙帶和重錘提升到一定高度C．先釋放紙帶，再接通電源D．更換紙帶，重復實驗，根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)【答案】C【解析】A．打點計時器使用低壓交流電源，所以實驗時把打點計時器固定在鐵架臺上，用導線連接低壓交流電源，A正確；B．固定好打點計時器，將連有重物的紙帶穿過限位孔，用手提住，將紙帶和重錘提升到一定高度，盡量靠近打點計時器，B正確；C．應先接通電源，然后釋放重物，否則紙帶開始階段是空白，可能所采集的數(shù)據(jù)不夠，而且浪費紙帶，C錯誤；D．重復幾次，取得幾條打點紙帶，挑選一條清楚的紙帶進行數(shù)據(jù)處理，D正確。故選C。2．圖示為某同學做驗證機械能守恒定律實驗的裝置。實驗結果顯示，重錘重力勢能的減少量總略大于動能的增加量，其主要原因是()A．重錘的密度過大B．電源的電壓不穩(wěn)定C．沒有采用多次實驗取平均值D．存在空氣阻力和紙帶與限位孔之間的摩擦阻力【答案】D【解析】AD．重錘下落過程中，重錘的重力勢能減小，一部分轉化為重錘的動能，一部分克服阻力做功，所以重錘重力勢能的減少量總略大于動能的增加量，而增大重錘密度，可以減小阻力帶來的誤差，A錯誤，D正確；B．電源電壓不穩(wěn)定與該誤差無關，B錯誤；C．該誤差為系統(tǒng)誤差，多次求平均值無法減小系統(tǒng)誤差，D錯誤。故選D。3．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列釋放紙帶的操作正確的是()A．B．C．D．【答案】A【解析】在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，應手提紙帶的末端，使紙帶豎直，讓重物靠近打點計時器，先接通電源，再釋放紙帶，由此可知，A正確；BCD錯誤；故選A．4.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,某同學依據(jù)紙帶求得各點的瞬時速度,以及與此相對應的重物下落距離h,以v2為縱軸,以h為橫軸,建立坐標系,描點后畫出v2-h圖線,從而驗證機械能守恒定律。若所有操作均正確,則得到的v2-h圖像可能是 ()【答案】A【解析】由=mgh得v2=2gh,可知v2∝h,所畫v2-h圖線應是一條過原點的直線。5．利用自由落體運動驗證機械能守恒定律時，需要測量物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度和下落高度．某班同學利用實驗得到的紙帶，設計了以下四種測量方案，正確的是（）A．用刻度尺測出物體下落的高度，并測出下落時間，通過計算出瞬時速度B．用刻度尺測出物體下落的高度，并通過計算出瞬時速度C．根據(jù)勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于該段時間內(nèi)的平均速度，測算出某點的瞬時速度，并通過計算出物體下落至該點的高度D．用刻度尺測出物體下落至某點的高度，根據(jù)勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于該段時間內(nèi)的平均速度，測算出該點的瞬時速度【答案】D【解析】AB．由于空氣阻力和紙帶與打點計時器間的摩擦阻力的作用，使得物體由靜止開始自由下落的運動不是自由落體運動，而,都是自由落體運動的公式，AB錯誤；CD．物體下落到某點時的瞬時速度，應根據(jù)勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于該段時間內(nèi)的平均速度測算得到，而物體下落的高度是用刻度尺測量得到的，不是計算得到的，C錯誤，D正確。故選D。6．頻閃照相是每隔相等時間曝光一次的照相方法，在同一張相片上記錄運動物體在不同時刻的位置。如圖所示是小球在豎直方向運動過程中拍攝的頻閃照片，相機的頻閃周期為T，利用刻度尺測量相片上2、3、4、5與1位置之間的距離分別為x1、x2、x3、x4。下列說法正確的是（）A．小球一定處于下落狀態(tài)B．小球在2位置的速度大小為C．小球的加速度大小為D．頻閃照相法可用于驗證機械能守恒定律【答案】D【解析】A．小球下落時，相同時間內(nèi)的位移逐漸變大；上升階段，相同時間內(nèi)的位移逐漸減小，則由圖不能確定小球上升還是下落狀態(tài)，選項A錯誤；BC．因小球在豎直方向的運動不一定是勻變速運動，故小球在2位置的速度大小不一定為，加速度也不一定是，選項BC錯誤；D．頻閃照相法可用于驗證機械能守恒定律，選項D正確。故選D。7．如圖是“驗證機械能守恒定律”的裝置，氣墊導軌上安裝了1、2兩個光電門，滑塊上固定一豎直遮光條，滑塊用細線繞過定滑輪與鉤碼相連，細線與導軌平行。在調整氣墊導軌水平時，滑塊不掛鉤碼和細線，接通氣源后，給滑塊一個初速度，使它從軌道右端向左運動，發(fā)現(xiàn)滑塊通過光電門1的時間大于通過光電門2的時間。為使氣墊導軌水平，可采取的措施是（）A．調節(jié)P使軌道左端升高一些B．調節(jié)P使軌道左端降低一些C．遮光條的寬度應適當大一些D．滑塊的質量增大一些【答案】A【解析】滑塊通過光電門1的時間大于通過光電門2的時間，說明滑塊在加速運動，可以調節(jié)P使軌道左端升高一些，讓導軌處于水平狀態(tài)。遮光條的寬度和滑塊質量的調節(jié)無法使導軌水平。故選A。8.如圖甲所示，是用電火花計時器驗證機械能守恒定律的實驗裝置。已知當?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80m/s2，電火花計時器所用電源頻率為50Hz，重物質量為0.2kg.(1)下列操作中正確的是___________.A．電火花計時器應接6V交流電源B．應先釋放紙帶，后接通電源打點C．需使用秒表測出重物下落的時間D．測出紙帶上兩點間的距離，可知重物相應的下落高度(2)某同學按照正確的操作，得到一條符合實驗要求的紙帶，如圖乙所示.如果打O點時重物速度為0，A、B、C是打點計時器連續(xù)打下的3個點，計算B點對應的速度時，甲同學用，乙同學用vB=，你贊成___________(選填“甲”或“乙”)同學的計算方法.(3)該同學用毫米刻度尺測量O到A、B、C的距離，并記錄在圖乙中(單位cm).打點計時器打B點時重物的動能為___________J，從O到B過程中重物重力勢能的減少量為___________J(計算結果均保留3位有效數(shù)字).【答案】(1).D(2).乙(3).0.369(4).0.376【解析】第一空.A.打點計時器應接交流電源，故A錯誤；B.開始記錄時，應先給打點計時器通電打點，然后再釋放重錘，讓它帶著紙帶一同落下，如果先放開紙帶讓重物下落，再接通打點計時時器的電源，由于重物運動較快，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，會對實驗產(chǎn)生較大的誤差，故B錯誤；C.我們可以通過打點計時器計算時間，不需要秒表，故C錯誤；D.測出紙帶上兩點跡間的距離，可知重物相應的下落高度，故D正確.故填D.第二空.計算B點瞬時速度時，若按甲同學的方法用，即認為紙帶下落的加速度為g，則不需要計算速度vB的值也會有：，故甲的數(shù)據(jù)處理方法錯誤，應該選用乙同學的：某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度，，故乙同學正確.第三空.B點的瞬時速度為：，那么此時重物的動能.第四空.從初始位置O到打下計數(shù)點B的過程中，重錘的重力勢能的減少量為：△Ep=mgh=0.2×9.8×0.192J≈0.376J.9.如圖所示,為利用氣墊導軌“驗證機械能守恒定律”實驗裝置示意圖.(1)實驗步驟如下：①將氣墊導軌放在水平實驗桌面上，將導軌調至水平；②由導軌標尺讀出兩光電門中心之間的距離x＝_______cm；③將滑塊移至光電門1左側某處，待砝碼盤靜止不動時，釋放滑塊，要求砝碼盤落地前擋光條已通過光電門2；④從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間分別為Δt1和Δt2；⑤用天平稱出滑塊和擋光條的總質量M，再稱出砝碼盤和砝碼的總質量m.(2)根據(jù)以上實驗測量結果完成以下的問題(只要求寫出表達式，已知擋光條的寬度為，重力加速度為)：①滑塊通過光電門1和光電門2時的瞬時速度分別為______和_____.②當滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、砝碼盤和砝碼)的總動能分別為Ek1＝_____和Ek2＝________.③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp＝______.(3)在實驗誤差允許范圍內(nèi)，如果關系式________成立，則可認為機械能守恒定律得到了驗證.【答案】(1).50.00(2).(3).(4).(5).(6).(7).【解析】第一空．標尺讀數(shù)：；第二空第三空．由于光電門的寬度很小，所以我們用很短時間內(nèi)的平均速度代替瞬時速度，即滑塊通過光電門1的速度為：，滑塊通過光電門2的速度為：；第四空第五空．，；第六空．系統(tǒng)重力勢能減少量為：；第七空．機械能守恒，即：，所以有：。10．某同學利用圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，所用器材包括：安裝phyphoxAPP的智能手機、鐵球、刻度尺、鋼尺等。實驗過程如下：（1）一鋼尺伸出水平桌面少許，將質量為m的鐵球放在鋼尺末端，用刻度尺測出鋼尺上表面與地板間的高度差；（2）運行智能手機中的聲音“振幅”（聲音傳感器）項目；（3）迅速敲擊鋼尺側面，鐵球自由下落。傳感器記錄下聲音振幅隨時間變化曲線如圖10乙所示，第一、第二個尖峰的橫坐標分別對應鐵球開始下落和落地時刻。測得這兩個尖峰的時間間隔為。（4）若鐵球下落過程中機械能守恒，則應滿足等式：___________（請用物理量符號m、g、h、t表示）。（5）若已知鐵球質量為50g，，則下落過程中減小的重力勢能，增加的動能___________J（結果保留3位小數(shù)）。相對誤差___________，據(jù)此可以得到的實驗結論：在誤差允許的范圍內(nèi)，鐵球在自由下落過程中機械能守恒。（6）敲擊鋼尺側面時若鐵球獲得一個較小的水平速度，對實驗測量結果___________（填“有”或“沒有”）影響。【答案】或0.3800.5沒有【解析】（4）鐵球下落的速度為根據(jù)初速度為0的勻變速直線運動的公式有解得鐵球下落時間t的速度為若鐵球下落過程中機械能守恒，則應滿足等式代入數(shù)據(jù)解得或（5）下落過程中增加的動能相對誤差（6）根據(jù)運動的獨立性，敲擊鋼尺側面時若鐵球獲得一個較小的水平速度，不影響鐵球豎直方向的運動，對實驗測量結果沒有影響。11.某物理興趣小組利用如圖甲所示的裝置驗證系統(tǒng)機械能守恒定律，當?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80m/s2，操作步驟如下：①用天平測量物塊a的質量m1和物塊b的質量m2；②把打點計時器、定滑輪固定在鐵架臺上，跨過定滑輪的輕質細線連接物塊a和物塊b；③把固定在物塊a上的紙帶穿過打點計時器的限位孔，讓物塊a靠近打點計時器，先_________，再_________；④實驗過程中打出的一條紙帶如圖乙所示；⑤更換物塊重復實驗。（1）請把步驟③補充完整；（2）所用交變電源的頻率為50Hz，測得計數(shù)點O、A、B、C、D、E、F相鄰兩點間的距離分別為x1=6.00cm、x2=8.39cm、x3=10.81cm、x4=13.20cm、x5=15.59cm、x6=18.01cm，相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點未畫出，打下計數(shù)點A時物塊a和物塊b運動的速度大小vA=________m/s，打下計數(shù)點E時物塊a和物塊b運動的速度大小vE=________m/s；（結果均保留三位有效數(shù)字）（3）用天平測出物塊a和物塊b的質量分別為m1、m2（m1<m2），從打計數(shù)點A到E的過程中，物塊a和物塊b組成的系統(tǒng)減小的重力勢能△Ep=________，增加的動能為△Ek=________，在誤差允許的范圍內(nèi)，物塊a和物塊b組成的系統(tǒng)機械能守恒。（結果用m1、m2、vA、vE、g、x2、x3、x4、x5表示）【答案】接通電源釋放物塊a和物塊b0.7201.68【解析】（1）[1][2]實驗過程中應先接通電源，再釋放物塊a和物塊b；（2）[3]由題可知，每相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T=0.02s×5=0.1s打下計數(shù)點A時物塊a和物塊b運動的速度大小[4]打下計數(shù)點E時物塊a和物塊b運動的速度大?。?）[5]從打計數(shù)點A到E的過程中，物塊a和物塊b組成的系統(tǒng)減小的重力勢能為[6]增加的動能為12.小王同學采用如圖甲所示的裝置進行“驗證機械能守恒定律”實驗，打點計時器所接電源頻率為50Hz。（1）實驗中，重物的質量____________。A．必須測量B．可測可不測（2）除了圖甲所示裝置中的器材之外，還必須從圖乙中選取實驗器材____________。（3）指出圖甲所示裝置中一處不合理的地方_________。（4）改進實驗后，得到如圖丙的紙帶，則點2對應的讀數(shù)為__________________cm；打下點2時紙帶速度的大小為_________m/s。（5）若實驗數(shù)據(jù)處理結果是從點0到點4過程中動能的增加量略小于重力勢能的減少量，可能是因為_________。A．存在阻力B．點0的速度不為零C．點4的速度由公式v=gt計算【答案】BB重錘未靠近打點計時器2.000.38或0.375A【解析】(1)[1]本實驗要驗證機械能守恒定律，即通過實驗要得到的表達式為等式兩邊消去質量m，得所以實驗中，重物的質量可測可不測。故選B。(2)[2]圖甲中已經(jīng)有鐵架臺、打點計時器、紙帶和重物，所以要想完成本實驗，還需要