实验：验证机械能守恒定律

课时作业21实验：验证机械能守恒定律时间：45分钟满分：100分一、选择题(每小题6分，共48分)1．在“验证机械能守恒定律”的实验中，除天平、铁架台、夹子、纸带和重物外，还需要()A．停表B．刻度尺C．学生电源D．打点计时器解析：本实验是通过利用纸带来计算高度和速度，所以还需要学生电源、打点计时器和刻度尺．答案：BCD2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，对于自由下落的重物，下列选择条件中可取的是()A．选用重物时，重的比轻的好B．选用重物时，体积小的比大的好C．重物所受重力应与它所受的空气阻力和纸带所受打点计时器的阻力平衡D．重物所受重力应远大于它所受的空气阻力和纸带所受打点计时器的阻力解析：本实验是验证机械能守恒定律，其条件是所受阻力不影响实验结果，即重力应远大于空气阻力．答案：ABD3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列叙述正确的是()A．安装打点计时器时，两纸带限位孔应在同一竖直线上B．实验时，在松开纸带让重物下落的同时，应立即接通电源C．若纸带上开始打出的几点模糊不清，也可设法用后面清晰的点进行验证D．测量重物下落高度必须从起始点算起解析：本实验是利用纸带进行验证机械能守恒定律，要让纸带受到的阻力很小，即保证纸带与其他物体摩擦很小；在物体整个下落的过程中机械能都是守恒的，可以任意取两个点进行验证．答案：AC4．在验证“机械能守恒定律”的实验中，纸带上已按要求选出0、1、2、3、4、5、6七个计数点，相邻计数点间的距离依次为x1、x2、x3、x4、x5、x6，则可以判断和计算出()A．计数点0的对应速度v0一定为0B．根据平均速度可计算出第1计数点的对应速度，同理可算出v2、v3、v4、v5C．无法计算出v0和v6的大小D．可作出v－t图象求出斜率即加速度解析：本题计算速度是利用平均速度即为中间时刻的速度，故选项B正确；图象的斜率表示的是加速度，但本实验用的是当地的重力加速度，计算出的加速度已包含了空气的阻力的影响．答案：B5．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列物理量中需要用工具测量的有()通过计算得到的有()A．重锤的质量B．重力加速度C．重锤下落的高度D．与重锤下落高度对应的重锤瞬时速度解析：通过实验原理可知，重锤下落高度要用毫米刻度尺直接量出，下落这一高度时对应的速度用平均速度求出，故需用工具测量的是C，通过计算得到的是D.答案：CD6．如图，是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带．有关尺寸在图中已注明．我们选中n点来验证机械能守恒定律，下面举一些计算n点速度的方法，其中正确的是()A．n点是第n个点，则vn＝gnTB．n点是第n个点，则vn＝g(n－1)TC．vn＝sn＋sn＋12TD．vn＝hn＋1－hn－12T解析：n点瞬时速度等于sn与sn＋1段的平均速度．答案：CD7．关于“验证机械能守恒定律”的下列说法中，正确的是()①本实验是通过研究物体自由下落过程中动能和重力势能的变化来验证机械能守恒定律的；②本实验是通过研究物体自由下落过程中动能的增量与重力势能的减少量是否相等来验证机械能守恒定律的；③本实验中物体下落的距离和物体某时刻的速度均是从实验中得到的纸带上测量得出的；④本实验中物体下落的距离和物体某时刻的速度是用直尺和秒表进行测量得出的．A．①②③B．①②④C．①③④D．②③④解析：在“验证机械能守恒定律”的实验中，是通过物体自由下落过程中，动能和重力势能的变化或下落过程中动能的增量与重力势能的减少量是否相等来验证的，物体下落的距离和某时刻的速度可通过测量纸带得出，而不是用直尺和秒表测出，故①②③正确．答案：A8．在研究重物自由下落过程中机械能是否守恒的实验中，得到如图所示的一条纸带，该纸带上最初打出的几个点不清楚，纸带上留下的是后面的一些点，算出打下B，C两点时，重物速度分别是vB、vC，量得B、C两点间的距离为h，那么验证机械能守恒的表达式可写为()A．gh＝v2C－v2BB．gh＝12v2C－12v2BC．vC＝vB＋aTD．v2B＋v2C＝2gh解析：从B→C的过程ΔEp减＝mgh，ΔEk增＝12mv2C－12mv2B，所以需验证的表达式为mgh＝12mv2C－12mv2B.即gh＝12v2C－12v2B.答案：B二、非选择题(共52分)9．(12分)验证机械能守恒定律的实验装置已安装完毕，请完成如下实验操作：(1)将纸带穿过打点计时器的________，纸带下端固定在重锤上，上端用手提住，纸带不与限位孔接触．(2)接通打点计时器的电源使它工作，让纸带从________状态开始释放，打点计时器在纸带上打出一系列的点．(3)更换纸带重复进行四次实验，从打出的几条纸带中挑选点迹清晰的纸带进行下面的测量．(4)在纸带上选取1个点记为0，在这个点后距离较远处任意选取一点P，数出由0到P________数目n，用刻度尺测出________的距离．(5)打点计时器工作电源频率为50Hz，则打点间隔时间为_____s，根据公式________计算出P点对应的速度．(6)由上面的h和v分别计算_______和________，看两者_______．(7)在其他纸带上再另选几个点，重复步骤(4)(5)(6)．答案：(1)限位孔并在复写纸下面经过(2)静止(4)自然点间隔的0点到P点(5)0.02vn＝hn＋1－hn－12T(6)重锤重力势能的减少量ΔEp重锤动能增量ΔEk是否近似相等10．(10分)在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50Hz，当地重力加速度的值为9.8m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg.甲、乙、丙三学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18cm、0.19cm和0.25cm.可见其中肯定有一位学生在操作上有错误，错误操作的一位学生是：__________.若按实验要求正确地选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点的距离如图所示(相邻计数点时间间隔为0.02s)，那么：(1)纸带的__________端与重物相连；(2)打点计时器打下计数点B处，物体的速度vB＝__________；(3)从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减少量是ΔEp＝__________，此过程中物体动能增加量ΔEk＝__________.(4)通过计算，ΔEp__________ΔEk(填“＞”“＝”或“＜”)，这是因为____________________________________________；(5)实验的结论是_______________________________________．解析：丙同学的操作步骤中有错误．错误操作是先放开纸带后接通电源．(1)左(2)vB＝OC－OA2T＝0.98m/s.(3)ΔEp减＝mg×OB＝0.49J，ΔEk增＝12mv2B＝0.48J.答案：丙(1)左(2)0.98m/s(3)0.49J0.48J(4)重力势能的减少量中有一部分转化为内能(5)在误差允许范围内机械能守恒11．(6分)如下图所示是用打点计时器打出的纸带，求C点的瞬时速度．解析：根据实验情况，重物在O点的速度v0＝0，C点的速度vC等于重物从B点到D点这一段时间Δt＝2×150s内的平均速度．由实验数据可得：vC＝BDΔt＝0.8583－0.70382×1/50m/s≈3.86m/s.答案：3.86m/s12．(10分)在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学得到如图所示的纸带，测得A、B两点间距离为7.19cm，A、C两点间距离为14.77cm，A、D两点间距离为22.74cm，A、E两点间距离为31.10cm.已知当地重力加速度g＝9.80m/s2，计时器接交流电源的频率为50Hz，物体质量为m＝1.0kg.(1)通过计算判断重锤在下落过程中机械能是否守恒；(2)求重锤在下落过程中受到的平均阻力大小．解析：(1)选纸带上B、D两点间的动能变化与势能变化来研究．重力势能减少量ΔEp＝mgBD＝1.0×9.80×(22.74－7.19)×10－2J≈1.524J.由v＝ΔhΔt求得B、D两点速度vB＝AC2T＝14.77×10－22×0.02m/s≈3.69m/s，vD＝CE2T＝31.10－14.77×10－22×0.02m/s≈4.08m/s动能增加量为ΔEk＝12m(v2D－v2B)＝12×1.0×(4.082－3.692)J≈1.515J可见在实验允许误差范围内ΔEp＝ΔEk，机械能守恒．(2)由图数据可得s1＝AB＝7.19cm，s2＝BC＝7.58cm，s3＝CD＝7.97cm，s4＝DE＝8.36cm，由a＝s3＋s4－s1＋s24T2＝[7.97＋8.36－7.19＋7.58]×10－24×0.022m/s2＝9.75m/s2设平均阻力为F，由牛顿第二定律，有mg－F＝ma所以平均阻力F＝m(g－a)＝1.0×(9.80－9.75)N＝0.05N.答案：(1)守恒(2)0.05N13．(14分)某同学利用如图(1)所示的实验装置验证机械能守恒定律．弧形轨道末端水平，离地面的高度为H.将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s.(1)若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2＝____(用H、h表示)．(2)该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示：h(10－1m)2.003.004.005.006.00s2(10－1m2)2.623.895.206.537.78请在坐标纸上作出s2－h关系图．(3)对比实验结果与理论计算得到的s2－h关系图线(图中已画出)，自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率________(填“小于”或“大于”)理论值．(4)从s2—h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是__________________________.解析：(1)根据机械能守恒及平抛运动知识可得：mgh＝12mv2①v·2Hg＝s②联立①②得s2＝4Hh.(2)利用描点法作图．(3)由于阻力因素的存在，测量值小于理论值．(4)摩擦等因素都可导致结果偏差．答案：(1)4Hh(2)见下图(3)小于(4)摩擦，转动动能(回答任一即可)