【提高练习】《实验：验证机械能守恒定律》（物理人教必修2）.docx

实验：验证机械能守恒定律提高练习合肥八中 容兰老师1某同学利用如图所示探究“机械能守恒定律”实验步骤如下：（1）用游标卡尺测出挡光片的宽度d；（2）按图竖直悬挂好轻质弹簧，将轻质遮光条水平固定在弹簧下端；在铁架台上固定一位置指针，标示出弹簧不挂钩码时遮光条下边缘的位置，并测出此时弹簧长度x0；（3）测量出钩码质量m，用轻质细线在弹簧下方挂上钩码，测量出平衡时弹簧的长度x1，并按图所示将光电门组的中心线调至与遮光条下边缘同一高度，已知当地重力加速度为g，则此弹簧的劲度系数k =_；（4）用手缓慢地将钩码向上托起，直至遮光条恰好回到弹簧原长标记指针的等高处（保持细线竖直），迅速释放钩码使其无初速下落，光电门组记下遮光条经过的时间Dt，则此时重锤下落的速度=_；（5）弹簧的弹性势能增加量EP=12kx2_，（用题目所给字母符号表示）；（6）钩码减小的机械能E=_； （用题目所给字母符号表示）（7）若EP与E近似相等时，说明系统的机械能守恒。2某同学利用图示装置验证以下两个规律：两物块通过不可伸长的细绳相连接，沿绳方向的分速度大小相等；系统机械能守恒。P、Q、R三个完全相同的带有遮光片的物块，P、Q用细绳连接，放在水平气垫导轨上，物块R与轻质滑轮连接，放在细绳正中间，三个光电门分别放置于a、b、c处，调整三个光电门的位置，能实现同时被遮光。最初细绳水平，现将三个物块由静止释放。(忽略R上的遮光片到轻质滑轮间的距离)(1)为了能完成实验目的，除了记录P、Q、R的遮光片的遮光时间t1、t2、t3外，还必须测量的物理量有_.A.P、Q、R的质量M B.两个定滑轮间的距离dC.R的遮光片到c的距离H D.遮光片的宽度x(2)根据装置可以分析出P、Q的速度大小相等，则验证表达式为_。(3)若要验证物块R沿绳方向分速度与物块P速度大小相等，则验证表达式为_。(4)若已经当地重力加速度g，则验证系统机械能守恒的表达式为_。3在“验证机械能守恒定律”的实验中，小倪同学利用传感器设计实验：如图甲所示，将质量为m、直径为d的金属小球在一定高度h由静止释放，小球正下方固定一台红外线计时器，能自动记录小球挡住红外线的时间t，改变小球下落高度h，进行多次重复实验。 (1)用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径d=_mm；(2)在处理数据时，计算小球下落h高度时速度v的表达式为_；(3)为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，小菲同学不知道应该画哪一个图象比较好，你认为呢？_ Ah-t图象 Bh-1t图象 Ch-t2图象 Dh-1t2图象(4)经正确的实验操作，小娟同学发现小球动能增加量12mv2总是稍小于重力势能减少量mgh，你认为增加释放高度h后，两者的差值会_（填“增大”、“缩小”或“不变”）。4如图所示，气垫导轨上质量为M的滑块通过轻质细绳绕过轻质动滑轮与拉力传感器相连，动滑轮下悬挂质量为m的钩码，滑块上遮光条宽度为d。实验时，滑块由静止释放，测得遮光条通过光电门的时间为t，拉力传感器的读数为F。（1）用游标卡尺测量遮光条宽度，其读数为_ cm；（2）某同学在“探究绳子拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系”实验时，记录滑块的初位置与光电门的距离L及挡光条通过光电门的时间t，测得多组L和t值。应用图象法处理数据时，为了获得线性图象应作 _图象（选填“L-1t”、“ L-1t2”或“L-t2n”），该图象的斜率k=_；（3）该同学通过实验发现：绳子拉力F做的功总大于滑块动能的变化量。若实验数据测量准确，出现该情况的可能原因是_。A钩码质量m未远小于滑块质量MB滑块运动过程中克服阻力做功C气垫导轨没有调节水平D没有考虑动滑轮的质量（4）若用上述装置研究系统（含滑块、钩码）机械能守恒，设滑块由静止开始的释放点与光电门的距离为L、挡光条通过光电门的时间为t，则满足关系式_（用已知量符号表示）时，运动过程中系统机械能守恒。5某学习小组用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，质量均为M的物体A和B系在轻质细绳两端跨过光滑轻质定滑轮，每个钩码的质量均为m0，物体A上固定一轻质挡光片，挡光片下方h处固定一光电门，用来测量物体上的挡光片通过该处的时间t。（1）某同学用游标卡尺测量挡光片的宽度d，测量结果如图乙所示，则挡光片宽度为_cm。（2）在物体A下面挂上一个钩码，让A、B及钩码组成的系统由静止释放，测出挡光片通过光电门的时间t1，则挡光片通过光电门的速率为_（用题中给出的符号表示）。（3）依次增加物体A下方钩码个数，让物体A由同一位置释放，分别测出挡光片通过光电门的时间t2、t3、t4；（4）设物体A下方所挂钩码个数为n，根据（3）中所测时间，描点作出1n-t2图象如图丙所示，若在误差允许范围内满足图象斜率k=_，截距b_（均用题中符号表示），则证明机械能守恒定律成立。（5）由于系统运动过程中要受到摩擦及空气阻力，若认为挂不同个数钩码时阻力相同，则实际描点作出的图象斜率会_（填“偏大”“偏小”或“不变”）。6某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为6V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50Hz。重锤从高处由静止开始下落，重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律。（1）他进行了下面几个操作步骤：A.按照图示的装置安装器件；B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上；C.用天平测出重锤的质量；D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；E.测量纸带上某些点间的距离；F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能。其中没有必要进行的步骤是_，操作不当的步骤是_。(填选项字母)（2）这位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0点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计数点。根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重锤的速度为_m/s.(保留3位有效数字)（3）他根据纸带上的数据算出各点的速度v，量出下落距离h，并以v/2为纵轴、以h为横轴面出图象，应是下列图中的_。7探究小组利用传感器研究小球在摆动过程中的机械能守恒规律，实验装置如图所示在悬点处装有拉力传感器，可记录小球在摆动过程中各时刻的拉力值忽略摆线的质量和摆动过程中摆线长度的变化，重力加速度为g，实验过程如下：（1）测量小球质量m和摆线长L；（2）为了测量小球在最低点的速度大小，小组成员将小球拉至某一高度h处无初速释放，在传感器采集的数据中提取最大值为F，则小球在最低点的速度表达式为v=_（用F等测定的物理量符号表达），若考虑小球的大小不可忽略，则该速度的计算值与实际值相比较_（填写“偏大”、“偏小”或“相等”）（3）小球从释放到最低点的过程中机械能守恒的表达式为_（用测定物理量的符号表达）8“验证机械能守恒定律”实验图(甲)是打点计时器打出的一条纸带，选取其中连续的计时点标为A、B、CG、H、I，对BH段进行研究(1)已知打点计时器电源频率为50 Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为_(2)用刻度尺测量距离时如图(乙)，读出A、C两点间距为_cm，B点对应的速度vB_m/s(保留三位有效数字)(3)若H点对应的速度为vH，重物下落的高度为hBH，当地重力加速度为g，为完成实验，要比较与_的大小(用字母表示)9利用如图甲所示装置验证机械能守恒定律，轻绳与轻滑轮间摩擦不计，绳子不可伸长。物体A（含遮光片）和B的质量分别为m和M，物体B由静止释放后向下运动，遮光片经过光电门1和2的时间分别为t1和t2。测出两光电门中心的竖直距离为h。（1）用游标卡尺测出物体A上遮光片的宽度d如图乙所示，则d_mm。（2）若满足关系式_（用以上已知量的符号表示，已知重力加速度为g），则可验证机械能守恒定律。10小明同学利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中红外线发射器、接收器可记录小球的挡光时间。小明同学进行了如下操作： (1)用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径为_mm； (2)该小球质量为m、直径为d。现使小球从红外线的正上方的高度h处自由下落，记录小球挡光时间t，已知重力加速度为g，则小球下落过程中动能增加量的表达式为_；重力势能减少量的表达式为_（用所给字母表示）。 (3)改变小球下落高度h，多次重复实验，发现小球动能的增加量总是小于重力势能的减少量，你认为可能的原因是 _（至少写出一条）。答案与解析1 mgx1-x2 dt mg(x1-x0)2 mg(x1-x0)-12m(dt)2【解析】【分析】根据平衡条件解得此弹簧的劲度系数；在很短时间内，根据平均速度等于瞬时速度求得此时重锤下落的速度，根据弹簧的弹性势能表达式EP=12kx2求出)弹簧的弹性势能增加量，钩码减小的机械能等于重力势能的减小量与动能的增加量的代数和，若EP与E近似相等时，说明系统的机械能守恒；解：(1)根据平衡条件可得mg=kx，解得此弹簧的劲度系数k=mgx=mgx1-x2；(2)在很短时间内，根据平均速度等于瞬时速度，此时重锤下落的速度v=dt；(3)弹簧的弹性势能增加量EP=12kx2=12mgx1-x0(x1-x0)2=mg(x1-x0)2该过程中重力势能的减小量EGp=mg(x1-x0)，动能的增加量为Ek=12mv2=12m(dt)2，故钩码减小的机械能E=EGP-Ek=mg(x1-x0)-12m(dt)22 BCD t1=t2； t3t1=2H4H2+d2 ； gH=12x2(1t12+1t22+1t32) 【解析】(1)要证明，需要测量d和H，通过几何关系可证明沿绳分速度相等；要证明，还需要测量H和x，根据运动学公式和动能定理列式可验证机械能守恒，故需要测量的物理量有d，H，x.故BCD正确；故选：BCD.(2)物块P的速度vP=xt2，物块Q的速度vQ=xt2，因此分析出P、Q的速度大小相等，即需要验证表达式xt2=xt2，化简可得验证t1=t2即可；(3)如图所示：物块R的速度vR=xt3，要验证物块R与物块P的沿绳分速度相等，则需要验证表达式vRcos=vP即vRHH2+(d2)2=vP，将vP、vR代入得：t3t1=2H4H2+d2(4)整个系统减少的重力势能是EP=MgH增加的动能Ek=12MvP2+12MvQ2+12MvR2要验证机械能守恒,则EP=EK，即验证表达式gH=12x2(1t12+1t22+1t32)点睛：根据验证系统机械能守恒需要验证的表达式，找出需要测量的物理量；分别求出P、Q的速度大小，再根据两物体速度相等，求出需要验证的表达式；分别求出P、R的速度大小，再根据两物体速度相等，求出需要验证的表达式；根据机械能守恒定律列式，化简，求出验证系统机械能守恒的表达式。3 7.875（7.8747.876） v=dt D 增大【解析】(1)固定部分读数为17.5mm，转动部分读数为30.5，故最终读数为：17.5+30.50.01=17.805mm.(2)已知经过光电门时的时间小球的直径；用平均速度表示经过光电门时的速度，所以v=dt；(3)若机械能守恒，则mgh=12m(dt)2，即2gh=(dt)2，为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，应作h-1t2图象，选D；(4)考虑阻力的影响有mgh=12mv2+fh，因此增加释放高度h后，mgh与12mv2的差值会增大。【点睛】本题为验证机械能守恒定律的创新型实验，要注意通过分析题意明确实验的基本原理才能正确求解，掌握由极短时间内平均速度表示经过光电门时的速度的思路。4 0.355 L-1(t)2 Md22F BC 12mgL=12M(dt)2+18m(dt)2【解析】（1）用游标卡尺测量遮光条宽度，其读数为：0.3cm+0.05mm11=0.355 cm；（2）由动能定理：FL=12M(dt)2 ，则L=Md22F1(t)2 ，则为了获得线性图象应作L-1t2图像；该图象的斜率k=Md22F；（3）因此实验中应用了力传感器，则不需要钩码质量m远小于滑块质量M，选项A错误；滑块运动过程中克服阻力做功，使得滑块动能的变化量小于绳子拉力F做的功，选项B正确；气垫导轨没有调节水平，滑块要克服重力做功，使得滑块动能的变化量小于绳子拉力F做的功，选项C正确；因此实验中应用了力传感器，则动滑轮的质量对实验无影响，选项D错误；故选BC.（4）拉力对系统做功：W=12mgL；滑块的速度v=dt，则钩码的速度为v=12v=d2t ；则系统动能的增量：12Mv2+12mv2=12M(dt)2+18m(dt)2；则若运动过程中系统机械能守恒，则满足关系式：12mgL=12M(dt)2+18m(dt)2.点睛：本题考查探究功和动能变化关系的实验，关键是明确合力的功、动能的变化如何测量，知道实验中加力传感器的作用；搞清实验中的能量转化关系.5 0.860 dt1 m0ghMd2 m02M 偏小【解析】（1）挡光片宽度为：0.8cm+0.05mm12=0.860cm；（2）挡光片通过光电门的速率为v=dt1；（4）若机械能守恒，则(nm0+M)gh-Mgh=12(nm0+2M)v2，且v=dt 解得1n=m0ghMd2t2-m02M，则 m0ghMd2=k， m02M=b ，即当满足k=m0ghMd2， b=m02M时证明机械能守恒定律成立；（5）若考虑阻力，物体下落时要克服阻力做功，等效于m0gh减小，即表达式1n=m0ghMd2t2-m02M中斜率m0ghMd2=k减小. 6 C B 1.84 C【解析】（1）将打点计时器接到电源的“交流输出”上，故B错误，操作不当；因为我们是比较mgh、12mv2的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平，故C没有必要故答案为：C，B；（2）匀变速直线运动中中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，由此可以求出B点的速度大小为vB=xACtAC=0.2168-0.143120.02=1.84m/s；（3）他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为横轴画出的图象，根据12v2=gh，所以应是图中的C7 (F-mg)Lm ； 偏小； FL=mg(2h+L) ;【解析】（2）当小球运动到最低点时，拉力最大，根据Fmg=mv2L得，则小球在最低点的速度表达式为v=(F-mg)Lm若考虑小球的大小不可忽略，即实际L值变大，而计算时，仍代入L，导致计算值小于实际值；（3）根据下摆过程中，减小的重力势能转化为动能的增加，即为：mgh=12mv2，而v=(F-mg)Lm，则有：FL=mg（2h+L）。8 0.02 s 5.40 1.35 12vE2-ghBH【解析】试题分析：机械能守恒定律的条件是只有重力做功，所以本实验的关键是想法减少重锤受到阻力的影响，减少措施有选取密度大的、质量大体积小的重锤；刻度尺的读数要注意进行估读，根据匀变速直线运动中时间中的速度