人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律优秀同步训练题

课时把关练

5　实验：验证机械能守恒定律

1.某同学用图甲所示的装置来验证机械能守恒定律，该装置比图乙的装置好些，正确的理由是（　）

甲　　　　　　　　　乙

A.减小了空气阻力对实验的影响

B.电火花计时器的工作电压约8 V

C.可以节省纸带，让点迹更为密集

D.保证重物从静止释放，避免因纸带抖动而造成摩擦增大

2.如图甲所示，在验证机械能守恒定律的实验中：

甲　　　　　　　　　乙

（1）除铁架台、铁夹、交流电源、纸带、打点计时器和重物外，还需选用下述哪种仪器？　　　　　　　　。

A.停表  B.刻度尺

C.天平  D.弹簧测力计

（2）如图甲是实验开始前安装的实验装置，该实验装置中的一处需要改正：           

　                     　　。

（3）某同学改正装置后得到了一条纸带，下列说法正确的是（　）

A.纸带上点密集的一端是与重物相连的

B.纸带上点稀疏的一端是与重物相连的

C.实验时先放开纸带，再接通电源

D.实验时应先平衡摩擦力

（4） 某同学一次实验中测得如图乙所示三段位移，O点为起始点，已知相邻两个计数点的时间间隔为T，则他需要验证的表达式为            

　　　　　　　　　　　　　　　　。

3.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，输出电压为8 V的交流电和直流电两种。重物从高处由静止开始下落，重物拖着纸带打出一系列的点，利用纸带上的点痕进行验证机械能守恒定律：

甲　　　　　　　 　乙

（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：

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.用天平测出重物的质量；

D.释放纸带，同时接通电源开关打出一条

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物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。

其中没有必要进行的步骤是　　　　，操作不当的步骤是　　　　。（将其选项对应的字母填在横线处）

（2）已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，

查得当地的重力加速度g = 9.80 m/s2，测得所用重物的质量为1.00 kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O，每相邻两个计数点之间有四个点未画出，另选连续的三个计数点A、B、C作为测量的点，如图乙所示。经测量知A、B、C各点到O点的距离分别为50.50 cm、83.00 cm、130.50 cm。根据以上数据，计算出打B点时重物的瞬时速度vB=　　　　m/s；由O点运动到B点，重物重力势能减少了　　　　J，动能增加了

　　　　J（结果均保留三位有效数字），可得出的结论是　　　　　　  　　　　　。

4.在“验证机械能守恒定律”的实验中，实验装置如图甲所示。

甲             乙

丙

（1）该实验中使用电火花计时器，它的工作电压是　　　　（选填“交流220 V”“交流8 V”或“直流8 V以下”），纸带下端所挂重物应选图乙中的　　　　重物比较合适（填所选重物的字母）。

（2）按照正确的操作得到如图丙所示的纸带。其中打O点时释放重物，A、B、C是打点计时器连续打下的三个点，一同学用毫米刻度尺测量O点到A、B、C各点的距离，并记录在图丙中（单位：cm）。已知打点计时器打点时间间隔为0.02 s，重物质量为0.5 kg，当地重力加速度g取9.8 m/s2。

① 这三个数据中不符合有效数字读数要求的是　　　　。

②现选取重物在OB段的运动进行数据处理，则打B点时重物的速度为　　　　m/s，OB段动能增加量为　　　　J，重力势能减少量为　　　　J。（计算结果均保留三位有效数字）

③即使在操作规范，数据测量及数据处理很准确的前提下，该实验测得的ΔEp也一定略大于ΔEk，这是实验存在系统误差的必然结果，试分析该实验误差产生的主要原因：　　　　　　              　　。

5.某同学用图（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交变电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图（b）所示。

该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据      （a）

和其他条件进行推算。

（b）

（1）若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图（b）中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为　　　　，打出C点时重物下落的速度大小为　　　　，重物下落的加速度的大小为　　　　。

（2）已测得x1=8.89 cm，x2=9.50 cm，x3=10.10 cm；当地重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为　　　　Hz。

6.某同学用如图8-5-6甲所示装置，研究“机械能守恒定律”，力传感器固定在天花板上，细线一端吊着小球。

实验步骤如下：

①将小球拉至与竖直方向夹角为θ处静止释放；

②通过软件描绘出细绳拉力随时间变化如图乙所示；

③改变静止释放时细绳与竖直方向夹角θ值，重复实验，得到多组数据。

    甲　　　　　乙　　　　　丙

（1）从以下数据中选择误差最小的方案，来验证机械能守恒定律，至少要测量的数据还有　　　　。

A.小球的质量m

B.细绳的长度L

C.小球的直径D

D.图乙中a点的拉力读数F

（2）如图丙所示，以cos θ为横轴，以F为纵轴描点绘图，已知当地的重力加速度为g，当图像斜率k=　　　　，纵轴截距b=　　　　时，即可说明小球的运动是机械能守恒的。（用题中所给物理量符号表示）

课时把关练

5　实验：验证机械能守恒定律

参考答案

1. D　解析：用题图甲所示装置不能减小空气阻力对实验的影响，选项A错误；电火花计时器的工作电压为220 V，选项B错误；点迹过于密集不利于长度的测量，会增大误差，选项C错误；用题图甲所示装置可以保证重物从静止释放，避免因纸带抖动而造成摩擦增大，选项D正确。

2. （1）B　（2）重物没有靠近打点计时器（或打点计时器放得过高）　（3）A　（4）

解析：（1）为了测得重物下落的加速度，需要用刻度尺测出纸带上两相邻计数点间的距离，而时间是由打点计时器来算出，等式两边质量可以约去，故实验用不到天平，也用不到弹簧测力计，故A、C、D错误，B正确。（2）实验开始前，应让重物靠近打点计时器，由题图可知，重物没有靠近打点计时器，这是错误的。（3）实验开始时，纸带上相邻点间的距离小，即在相等时间内的位移小，由此可知，纸带上点密集的一端是与重物相连的，故A正确，B错误；实验时应先接通电源，然后再放开纸带，故C错误；实验时不需要平衡摩擦力，故D错误。（4） 由题意知O点为打出来的第一个点，速度为0，重物自由下落，初速度为0，打C点时重力势能减小量，

利用匀变速直线运动的推论

动能增加量表达式为

因此只需要验证

即，此等式成立就可以验证机械能守恒。

3. （1）C　BD　（2）4.00　8.13　8.00　在误差允许的范围内，重物自由下落过程中机械能守恒

解析：（1）打点计时器应接在电源的“交流输出”上，故B操作不当；要验证重物动能的增加量和重力势能的减少量是否相等，即验证，质量可以约去，所以没必要用天平测量重物的质量，故C没有必要进行；在实验的操作中，应先接通电源再释放纸带，故D操作不当。

（2） 打B点时重物的瞬时速度由O点运动到B点，重物重力势能减少量，动能的增加量=。可得出的结论是在误差允许的范围内，重物自由下落过程中机械能守恒。

4. （1）交流220 V　B　（2）①12.8　②1.57　0.616　0.627

③重物在下落时要受到阻力作用（对纸带的摩擦力、空气阻力）　解析：（1）电火花计时器的工作电压是交流220 V，纸带下端所挂重物应选图乙中质量较大而横截面积较小的B比较合适。

（2）①这三个数据中不符合有效数字读数要求的是12.8，缺少有效数字。②打B点时重物的速度为vB== m/s=1.57 m/s；OB段动能增加量为ΔEk==×0.5×1.572 J≈0.616 J；重力势能减少量为ΔEp=mgh=0.5×9.8×0.128 0 J≈0.627 J。③主要原因是重物在下落时要受到阻力作用（对纸带的摩擦力、空气阻力）。

5. （1）　　　（2）40

解析：（1）打出B点时，重物下落的速度等于AC段的平均速度，所以vB==；

同理打出C点时，重物下落的速度vC==；

由加速度的定义式得a==。

（2）由牛顿第二定律得mg-kmg=ma，解得f=，代入数据可推算出f≈40 Hz。

6. （1）AD　（2）　　解析：（1）小球重心与悬点距离记为r，小球经过最低点时，绳子上的拉力与最低点速度关系为

则判断机械能守恒的表达式为

联立可得，所以验证机械能守恒定律，需要测量质量，点的拉力读数。

（2）根据

则图像斜率，纵轴截距。