物理必修29.实验：验证机械能守恒定律课后练习题

这是一份物理必修29.实验：验证机械能守恒定律课后练习题，共10页。

1．在“验证机械能守恒定律”的实验中，需要直接测量和间接测量的数据是重物的( )


A．质量 B．下落时间


C．下落高度 D．瞬时速度


解析 本实验要验证在只有重力做功的情况下，机械能守恒，从纸带上直接测量物体下落的高度，并通过纸带上的点测定物体在某位置时的瞬时速度．


答案 CD


2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，对于自由下落的重物，下述选择的条件更为有利的是( )


A．只要足够重就可以


B．只要体积足够小就可以


C．既要足够重，又要体积足够小


D．应该密度大些，还应便于夹紧纸带


解析 在验证机械能守恒定律的实验中，阻力与重力相比越小，实验中的误差就越小，所以选择下落的重物时应既要重，体积又小，即密度要大些，而且还应便于夹紧纸带，故C、D选项正确．


答案 CD


3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学依据纸带求得相关各点的瞬时速度，以及与此相对应的下落距离h，以v2为纵轴，以h为横轴，建立坐标系，描点后画出变化图线，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图象应是下图中的( )





解析 由eq \f(1,2)mv2＝mgh得v2＝2gh，所以v2∝h，所画v2－h图象是一通过原点的直线．


答案 C


4.


为验证在自由落体过程中物体的机械能是守恒的，某同学利用实验系统设计了一个实验，实验装置如图所示，图中A、B两点分别固定了两个速度传感器，速度传感器可以测出运动物体的瞬时速度．在实验中测得一物体自由下落经过A点时的速度是v1，经过B点时的速度是v2，为了证明物体经过A、B两点时的机械能相等，这位同学又设计了以下几个步骤，你认为其中不必要或者错误的是( )


A．用天平测出物体的质量


B．测出A、B两点间的竖直距离


C．测量物体的质量，利用eq \f(1,2)mveq \\al(2,2)－eq \f(1,2)mveq \\al(2,1)算出物体从A点运动到B点的过程中动能的变化量


D．验证veq \\al(2,2)－veq \\al(2,1)与2gh是否相等


答案 AC


5．在做“验证机械能守恒定律”实验时，打点计时器的电源频率是50Hz.某同学先后打出两条纸带，纸带Ⅰ上从第1点开始的相邻点间的距离依次为：1.9 mm、6.0 mm、10.0 mm、14.0 mm；纸带Ⅱ上从第1点开始的相邻各点间的距离依次为：2.5 mm、6.0 mm、11.5 mm、16.3 mm.那么应选用纸带________进行测量和计算．


根据你所选用的纸带，利用第2、3两点间的距离和第4、5两点间的距离，可以计算出当地的重力加速度的大小为________．


在打第3点时重物的瞬时速度为________m/s.


为了验证机械能守恒定律，应该计算出打第2、3、4点时物体减少的________和增加的________，然后比较它们的数值在实验允许误差范围内是否近似相等．


解析 打点计时器使用的为50 Hz的交流电，每两个自然点之间的时间间隔为0.02 s，如果物体做自由落体运动，第一个0.02 s的位移h＝eq \f(1,2)gΔt2≈2 mm，所以纸带的第一、二两点的距离接近2 mm的纸带，说明纸带释放的时间合适，正好在打第一个点时释放，用该条纸带的数据，实验结果误差较小，故应选纸带Ⅰ .利用Δx＝2gT2，g＝eq \f(14.0－6.0×10－3,2×0.022)m/s2＝10 m/s2，v3＝eq \f(10.0＋6.0×10－3,2×0.02)m/s＝0.4 m/s.物体下落过程中，重力势能减少，动能增加，Ep的减少量和Ek的增加量相等，则过程中机械能守恒．


答案 Ⅰ 10.0 m/s2 0.40 重力势能 动能


6．图中甲、乙两图都是利用“验证机械能守恒定律”的实验来测量当地的重力加速度g值的装置示意图．已知打点计时器的打点频率为50 Hz.


甲


乙


丙


(1)这两图相比较，用哪个图所示的装置实验较好？简单说明理由．


(2)上图中的丙是采用较好的装置并按正确的实验步骤进行实验打出的一条纸带，其中O点为打点的第一个点，标为1，后面依次打下的一系列点迹分别为2、3、4、5…….经测量，第15至17点间的距离为11.69 cm，第1至第16点间的距离为43.83 cm，则打下第16个点时，重物下落的速度大小为________m/s.在实验误差允许的范围内，可认为重物在下落的过程中机械能守恒，由此求得重力加速度值为g＝________m/s2(要求保留3位有效数字)．


解析 (1)用甲图所示的装置实验较好．因为用夹子固定，可以避免乙图由于手的抖动而造成纸带上的第1个点迹被拖长和位置不确定的现象．另外由于用夹子固定纸带，便于纸带调整到竖直方向，以避免纸带与打点计时器(限位孔)之间产生较大的摩擦，而乙图中用手握住纸带，难于做到这一点．


(2)v16＝eq \f(0.1169,0.02×2) m/s＝2.92 m/s.


由mgh＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,16)，得：


g＝eq \f(v\\al(2,16),2h)＝eq \f(2.922,2×0.4383) m/s2＝9.74 m/s2.


答案 (1)甲图，理由见解析


(2)2.92 9.74





7．用如图所示的实验装置“验证机械能守恒定律”．实验所用的电源为学生电源，输出电压为6 V的交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．


(1)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值，如下图所示．根据打出的纸带，选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始点O的距离为s0，点A、C间的距离为s1，点C、E间的距离为s2，使用交流电的频率为f，则根据这些条件计算重锤下落的加速度a的表达式为：a＝________.





(2)在“验证机械能守恒定律”的实验中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是因为在重锤下落过程中存在着阻力的作用，可以通过该实验装置测定该阻力的大小．若已知当地重力加速度公认的较准确的值为g，还需要测量的物理量是________．试用这些物理量和纸带上的测量数据表示出重锤下落的过程中受到的平均阻力大小为F＝________.


解析 (1)根据匀变速直线运动规律Δs＝aT2，有a＝eq \f(Δs,T2)＝eq \f(s2－s1,2T2)＝eq \f(s2－s1,4)f2.


(2)根据牛顿第二定律有：mg－F＝ma，得F＝mg－ma＝m[g－eq \f(s2－s1f2,4)]．


故需要测量的物理量为重锤的质量m.


答案 (1)eq \f(s2－s1,4)f2


(2)重锤的质量m m[g－eq \f(s2－s1f2,4)]


8．为了测定一根轻弹簧压缩最短时能储存的弹性势能的大小，可以将弹簧固定在一带有凹槽轨道的一端，并将轨道固定在水平桌面边缘上，如图所示，用钢球将弹簧压缩至最短，最后突然释放，钢球将沿轨道飞出桌面，实验时





(1)需要测定的物理量为________________________________________________________________________________________________________________________________________________.


(2)计算弹簧最短时弹性势能的关系式是Ep＝________.


解析 (1)需要测定的物理量有：钢球质量m、桌面高度h、钢球落点与飞出点的水平距离s.


(2)弹簧最短时的弹性势能全部转化为钢球平抛时的初动能，Ep＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)，而根据平抛运动规律有：


h＝eq \f(1,2)gt2，s＝v0t得，v0＝eq \f(s,\r(\f(2h,g)))，


故Ep＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)＝eq \f(mgs2,4h).


答案 (1)钢球质量m、桌面高度h、钢球落点与飞出点的水平距离s


(2)eq \f(mgs2,4h)


9．如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1>m2.现要利用此装置验证机械能守恒定律．





(1)若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有____________．(填入选项前的编号)


①物块的质量m1、m2；


②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；


③物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间；


④绳子的长度．


(2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：


①绳的质量要轻；


②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；


③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；


④两个物块的质量之差要尽可能小．


以上建议中确定对提高准确程度有作用的是____________．(填入选项前的编号)


(3)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：_______________________________________________________ _________________________________________________________________________________________.


答案 (1)①②或①③


(2)①③


(3)例如：“对同一高度进行多次测量取平均值”；“选取受力后相对伸长尽量小的绳”等．


10．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．





(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，利用现有器材如何判断导轨是否水平？


(2)测得遮光条的宽度d＝0.50 cm；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＝2.0×10－2 s，则滑块经过光电门时的瞬时速度为________ m/s.在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、________和________(文字说明并用相应的字母表示)．


(3)本实验通过比较________和________在实验误差允许的范围内相等(用测量的物理量符号表示)，从而验证了系统的机械能守恒．


解析 (1)气源工作后，滑块不挂钩码，静止放在气垫导轨上，如果能处于静止状态说明气垫导轨水平．


(2)滑块通过光电门的瞬时速度v＝eq \f(d,Δt)＝eq \f(0.50×10－2,2.0×10－2) m/s＝0.25 m/s，


本次实验中还需测量的物理量有钩码的质量m，滑块的质量M，滑块到光电门的距离L.


(3)如果系统重力势能的减少量mgL，与系统动能的增加量eq \f(1,2)(m＋M)v2＝eq \f(1,2)(m＋M)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt)))2在误差允许的范围内相等，则验证了系统的机械能守恒．


答案 (1)见解析


(2)0.25 滑块质量M 滑块到光电门的距离L


(3)mgL eq \f(1,2)(m＋M)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt)))2