高考物理考点——验证机械能守恒定律

考点解读
 

一、实验目的

验证机械能守恒定律。

二、实验原理

三、实验器材

打点计时器,低压交流电源,带有铁夹的铁架台,纸带,复写纸,带架子的重物,刻度尺,导线。

四、实验步骤

1.安装置:按装置图安装器材,沿竖直方向将打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。

2.打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。

更换纸带重复做3~5次实验。

五、数据处理

六、误差分析

1.本实验中,由于重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(如空气阻力、打点计时器阻力)做功,故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,这属于系统误差。

2.本实验的另一个误差来源于长度的测量,属于偶然误差。

减小误差的办法是测下落距离时都从O点测起,一次将各打点对应的下落高度测量完,或者多次测量取平均值以减小误差。

 

七、注意事项

1.打点计时器要稳定地固定在铁架台上,打点计时器平面与纸带限位孔要调整在数值方向上,以减小摩擦阻力。

2.应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可减小体积,使空气阻力减小。

3.实验中,需保持提纸带的手不动,且保证纸带竖直,先接通电源,待打点计时器稳定工作后,再松开纸带。

4.测下落高度时,要从第一个打点测起,并且各点对应的下落高度要一次测量完。

5.速度不能用vn=gtn或计算,因为只要认为加速度为g,机械能当然守恒,即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律,况且用vn=gtn计算出的速度比实际值大,会得出机械能增加的结论,实际上由于摩擦阻力的影响,机械能应减小,故速度应通过纸带上的数据计算得到。同样道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺直接测量,而不能用计算得到。

 

重点考向

考向一  实验原理

典例引领

(2018·浙江省温州市十五校联合体高一下学期期末联考)如图为某同学“验证机械能守恒定律”的实验装置图。

(1)现有的器材:带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带夹子的重物、导线若干。为完成此实验,除了所给的器材,还需要_____。(填选项前的字母)

A.刻度尺          B.秒表           

C.220 V交流电源        D.低压交流电源

(2)打点计时器的电源为交流电源(频率为50 Hz),如图为打出纸带的一部分,A、B、C为连续的三个点,用刻度尺量得,xAB=4.15 cm,xBC=4.53 cm,则可得到打B点时重物下落的速度大小vB=__________m/s,重物下落的加速度大小g=______m/s2。

【参考答案】(1)AD  (2)2.17  9.5

 

变式拓展

1.(2018·江苏省天一中学高考考前热身卷)(1)某同学想利用图甲所示装置,验证滑块与钩码组成的系统机械能守恒,该同学认为只要将摩擦力平衡掉就可以了。你认为该同学的想法____(填“正确”或“不正确”),理由是_______。

(2)另一同学用一倾斜的固定气垫导轨来验证机械能守恒定律。如图乙所示,质量为m1的滑块(带遮光条)放在A处,由跨过轻质定滑轮的细绳与质量为m2的钩码相连,导轨B处有一光电门,用L表示遮光条的宽度,x表示A、B两点间的距离,θ表示气垫导轨的倾角,g表示当地重力加速度。

【名师点睛】本题考查验证机械能守恒定律的条件,属于创新型的实验题目,要求能正确分析实验原理,能明确是两物体组成的系统机械能守恒。

 

考向二  用图象法处理实验数据

典例引领

某同学利用图甲所示装置探究力对物体做的功与物体速度变化的关系,得到了下表的数据:

实验次数

1

2

3

4

5

橡皮筋条数

1

3

4

5

7

小车速度v/(m·s–1)

0.71

1.23

1.42

1.58

1.71

(注:每条橡皮筋拉长的长度都一样)

(1)由表可得出定性结论:_________________。

(2)设一条橡皮筋拉长到固定长度所做功为W0,大致画出橡皮筋所做的功W与小车速度v的图象。(画在图乙中)

(3)根据以上的W–v图象对W与v的关系作出初步判断:_________________。

(4)根据数据完成下表的空白部分:

实验次数 1 2 3 4 5
橡皮筋做功 W0
v2/(m2·s–2)
W与v的关系

 

【参考答案】(1)橡皮筋做的功与小车获得的速度有关,并且做功越多,小车获得的速度越大  (2)见解析  (3)可能W∝v2  (4)见解析

【详细解析】每条橡皮筋拉长的长度都一样,一条橡皮筋拉长到固定长度所做的功为W0,由做功与拉长橡皮筋条数成正比得,第2、3、4、5次拉长橡皮筋做功应分别为3W0、4W0、5W0、7W0。

(1)定性结论:橡皮筋做的功与小车获得的速度有关,并且做功越多,小车获得的速度越大。

(2)W与v的图象如图所示。

(3)W与v的图象很像抛物线,可能W∝v2。

(4)如下表

实验次数 1 2 3 4 5
橡皮筋做功 W0 3W0 4W0 5W0 7W0
v2/(m2·s–2) 0.50 1.51 2.02 2.50 2.92
W与v的关系 W∝v2

 

变式拓展

 

1.(2018·江西省上饶市高一第二学期期末统考)某同学安装如图甲所示的实验装置,验证机械能守恒定律。如图乙所示是该实验得到的一条点迹清晰的纸带;现要取A、B两点来验证实验,已知电火花计时器每隔0.02 s打一个点。

 

请回答下列问题:

(1)下列几个操作步骤中:

A.按照图示,安装好实验装置;

B.将打点计时器正确连接到电源上;

C.用天平测出重物的质量;

D.先释放重物,后接通电源,纸带随着重物运动,打点计时器在纸带上打下一系列的点;

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。

没有必要的是______,操作错误的是________。(填步骤前相应的字母序号)

(2)根据图乙中纸带可以判断,实验时纸带的_________(填“左”或“右”)端和重物相连接。

(3)若x2=4.80 cm,则在纸带上打下计数点B时的速度vB=________m/s。

(4)若x1数据也已测出,则要验证机械能守恒定律,实验还需测出的一个物理量为______。

(5)经过测量计算后,某同学画出了如图所示的E–h图线,h为重物距地面的高度,则图中表示动能随高度变化的曲线为________(填“图线A”或“图线B”)。

【名师点睛】纸带问题的处理是力学实验中常见的问题。我们可以纸带法实验中,若纸带匀变速直线运动,测得纸带上的点间距,利用匀变速直线运动的推论,可计算出打出某点时纸带运动的瞬时速度。

 

2.甲实验小组利用图(a)装置探究机械能守恒定律。将小钢球从轨道的不同高度h处静止释放,斜槽轨道水平末端离落点的高度为H,钢球的落点距轨道末端的水平距离为s。(g取10 m/s2)

(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)图(b)中图线①为根据实验测量结果,描点作出的s2–h关系图线;图线②为根据理论计算得到的s2–h关系图线。对比实验结果,发现自同一高度静止释放的钢球,实际水平抛出的速率______(选填“小于”或“大于”)理论值。造成这种偏差的可能原因是______________________。乙实验小组利用同样的装置“通过频闪照相探究平抛运动中的机械能守恒”。将质量为0.1 kg的小钢球A由斜槽某位置静止释放,由频闪照相得到如图(c)所示的小球位置示意图,O点为小球的水平抛出点。

(3)根据小球位置示意图可以判断闪光间隔为______s。

(4)以O点为零势能点,小球A在O点的机械能为______J;小球A在C点时的重力势能为______J,动能为______J,机械能为______J。[来源:学_科_网]

【名师点睛】本题从新的角度考查了对机械能守恒实定律的理解,有一定的创新性,很好地考查了学生的创新思维,掌握平抛运动的处理方法,平抛运动在水平方向上做匀速直线运动,竖直方向上做自由落体运动。

 

 

考向三  特殊处理法在实验中的应用

典例引领

用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验时接通电源,质量为m2的重物从高处由静止释放,质量为m1的重物拖着纸带打出一系列的点,图乙是实验中打出的一条纸带,A是打下的第1个点,量出计数点E、F、G到4点距离分别为d1、d2、d3,每相邻两计数点的计时间隔为T,当地重力加速度为g。(以下所求物理量均用已知符号表达)

【名师点睛】本题验证系统机械能守恒,关键得出系统动能的增加量和系统重力势能的减小量,要掌握求瞬时速度的方法。

 

变式拓展

1.(2018·安徽省淮南市高三第二次模拟考试)如图所示是用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验。图甲为光电门的激光发射和接收装置。图乙中的滑块上安装一遮光板,把滑块放在水平气垫导轨上,并通过跨过定滑轮的细绳与钩码相连。测得滑块(含遮光板)质量为M、钩码质量为m、遮光板宽度为d、当地的重力加速度为g。将滑块在图示位置释放后,光电计时器记录下遮光板先后通过两个光电门的时间分别为

(1)用游标卡尺测量遮光板宽度,测量结果如图丙所示,则读数为_________cm;

(2)若实验中测得两光电门中心之间的距离为L,本实验中验证机械能守恒的表达式为:___________(用题目中给定的字母表示);

(3)若测得的系统动能增加量大于重力势能减少量,请分析可能的原因__________________。

 

2.(2018·普通高等学校招生全国统一考试仿真卷)某同学设计了如图所示的装置去验证小球摆动过程中的机械能守恒,实验中小球到达B点(图中未标出)时恰好与桌面接触但没有弹力,D处的箭头处放一锋利的刀片,细线到达竖直位置时被割断,小球做平抛运动落到地面,P是一刻度尺。该同学方案的优点是只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度h,桌面到地面的高度H及平抛运动的水平位移L即可。

(1)测量A位置到桌面的高度h应从____________开始测(选填“球的下边沿”或“球心”)。

(2)实验中改变h多测几次h和L的数值,利用作图象的方法去验证。该同学取纵轴表示L,则横轴应表示________。

(3)若所作图象的斜率为k,则满足_____________关系即可证明小球下摆过程中机械能守恒。

 

考向四  纸带处理法在实验中的应用

典例引领

在“验证机械能守恒定律”的实验中,利用重物拖着纸带自由下落通过打点计时器并打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,即可验证机械能守恒定律。

(1)在实验过程中,下列说法正确的是_______。

A.选用纸带上任意两点的数据都可以验证机械能守恒定律

B.必须使用的测量仪器有:打点计时器、天平和刻度尺

C.实验中其他条件不变时,所选重物的密度大小不影响实验的误差

D.纸带与打点计时器的两个限位孔要在同一竖直线上

(2)正确进行实验操作,从打出的纸带中选出符合要求的纸带,如图所示,图中O点为打点起始点,且速度为零。选取纸带上打出的连续点,标上A、B、C···测得其中E、F、G点距打点起始点O的距离分别为h1、h2、h3。已知重物的质量为m,当地重力加速度为g,打点计时器的打点周期为T。为验证此实验过程中机械能是否守恒,需要计算出从打下O点到打下F点的过程中,重物重力势能的减少量ΔEp=_______,动能的增加量ΔEk=________。(用题中所给字母表示)

 

变式拓展

1.2018·福建省莆田第六中学高一下学期第一次月考)用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。

   

(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中,已知打点计时器所用的电源的频率为50 Hz,查得当地的重力加速度g=9.8 m/s2,测得所用的重物的质量m=1.0 kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带,把第一个点记作O,另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。如图所示,经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm,根据以上数据,可知重物由O点运动到C点,重力势能的减少量等于____J,动能的增加量等于_____J。(取三位有效数字)

(2)光滑水平轨道与光滑圆弧轨道相切,轻弹簧的一端固定在轨道的左端,OP是可绕O点转动的轻杆,且摆到某处就能停在该处;另有一小钢球(可看作质点)。现在利用这些器材测定弹簧被压缩时的弹性势能。

(a)还需要的器材是_______。

(b)以上测量实际上是把对弹性势能的测量转化为对_____能的测量,进而转化对_____和_____的直接测量。

 

2.(2018·广东省汕头市高一下学期期末教学质量监测)利用如图装置做“验证机械能守恒定律”实验。请回答下列问题:

(1)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是_________。

A.交流电源   B.刻度尺   C.天平(含砝码)

 

考向五  实验误差及注意事项

典例引领

【名师点睛】中点时刻的速度等于平均速度,并且利用动能的定义及势能的定义验证动能增加和重力势能减小之间的关系。

 

变式拓展

1.(2018·广东省汕头市潮阳第一中学高三考前七校联合体高考冲刺交流)在验证机械能守恒定律的实验中,使质量m=0.30 kg的重物自由下落,打点计时器在纸带上打出一系列的点,已知打点计时器每隔T=0.02 s打一个点,当地的重力加速度为g=9.8 m/s2。

【名师点睛】明确实验原理,熟记处理纸带问题的思路和方法,注意求瞬时速度的方法,分清理论推导与实验探索的区别,学会求加速度的方法。

 

练习精选

考点闯关

1.(2018·福建省漳州市高三考前模拟考试)在“验证机械能守恒定律”的实验中,小明同学利用传感器设计实验:如图,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。此方案验证机械能守恒定律方便快捷。

(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)为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒,应作下列哪一个图象________;

A.h-t图象        B.h-图象       

C.h-t2图象         D.h-图象

(3)若(2)问中的图象斜率为k,则当地的重力加速度__________(用“d”、“k”表示,忽略空气阻力).

2.某同学在研究“对不同物体做相同功情况下,物体质量与速度的关系”时,提出了以下四种猜想:

为验证猜想的正确性,该同学用如图所示的装置进行实验:将长木板平放在水平桌面上,木块固定在长木板一端,打点计时器固定在木块上,木块右侧固定一轻弹簧。用连接纸带的小车压缩弹簧至长木板的虚线处由静止释放,打点计时器在纸带上打下一系列点,选取点迹均匀的一部分纸带,计算出小车匀速运动的速度v1,测出小车的质量m1;然后在小车上加砝码,再次压缩弹簧至木板虚线处由静止释放小车,计算出小车和砝码匀速运动的速度v2,测出小车和砝码的总质量m2;再在小车上加砝码,重复以上操作,分别测出v3、m3···

(1)每次实验中,都将小车压缩弹簧至长木板的虚线处由静止释放,目的是_______________;若要消除每次实验中小车和纸带受到的阻力对小车运动的影响,应进行的实验操作是____________。

(2)某次实验采集的五组数据如下表:

m/kg[来源:ZXXK] 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
v/(m·s–1) 1.000 0.707 0.577 0.500 0.447

由表格数据直观判断,明显不正确的两个猜想是A、B、C、D中的________;若对某个猜想进行数据处理并作图,画出了如图所示的图象,则图中的横坐标应是________。

 

3.(2018·安徽省宣城市高一下学期期末考试)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DIS设计了一个实验,实验装置如图甲所示,图中A为电磁铁,B为光电门。有一直径为d、质量为m的金属小球通过电磁铁从A处由静止释放,下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门,测得A,B间的距离为H,光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t,当地的重力加速度为g,且小球直径d远小于A,B间的距离H。

 

 

4.用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。重锤从高处由静止落下的过程中,重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,已知重力加速度为g,即可验证机械能守恒定律。

 

(1)下列说法正确的是______。

A.用刻度尺测量重物下落的距离,用秒表测量下落的时间

B.通过测量重物自由下落过程中动能的增加量和重力势能的减少量是否相等来验证机械能守恒定律

C.重物在下落过程中克服空气阻力做功是实验误差来源之一

D.需要用天平测量重物的质量

(2)如图2所示是实验中得到一条较为理想的纸带,将起始点记为O,并在离O点较远的任意点依次选取6个连续的点,分别记为A、B、C、D、E、F,测出它们与O点的距离分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6,使用交流电的周期为T,设重锤质量为m,则在打O点和E点这段时间内的重力势能的减少量的表达式为______,在打E点时重锤的动能的表达式为______。[来源:]

(3)在本实验中发现,重锤减少的重力势能总是______重锤增加的动能(选填“大于”或“小于”),主要是因为在重锤下落过程中存在着阻力的作用,为了测定阻力大小,可算出图2中纸带各点对应的速度,分别记为v1至vn,并作vn2–hn图象,如图3所示,若直线斜率为k,则可测出阻力大小的表达式为______。

 

5.(2018·安徽省滁州市凤阳县第三中学高三上学期11月月考)利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图1所示,水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为M,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t,用d表示A点到光电门B处的距离,b表示遮光片的宽度,将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度,实验时滑块在A处由静止开始运动。

 

(1)用游标卡尺测量遮光条的宽度b,结果如图2所示,由此读出b=_____mm;

(2)某次实验测得倾角θ=30°,重力加速度用g表示,滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为△Ek=_____,系统的重力势能减少量可表示为△Ep=_____,在误差允许的范围内,若△Ek=△Ep,则可认为系统的机械能守恒;(用题中字母表示)

(3)在上次实验中,某同学改变A、B间的距离,作出的v2﹣d图象如图3所示,并测得M=m,则重力加速度g=_____m/s2。

 

6.在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中,质量m=1.00 kg的重物自由下落,打点计时器在纸带上打出一系列点。如图所示为选取的一条符合实验要求的纸带,O为第一个点,A、B、C为从合适位置开始选取的三个连续点(其他点未画出)。已知打点计时器每隔0.02 s打一次点,当地的重力加速度g=9.80 m/s2。那么:

(1)纸带的端__________(选填“左”或“右”)与重物相连;

(2)根据图上所得的数据,应取图中O点和_________点来验证机械能守恒定律;

(3)从O点到所取点,重物重力势能减少量Ep=________J,该所取点的速度大小为______m/s;(结果取3位有效数字)

(4)一位同学按如下方法判断机械能是否守恒:在纸带上选取多个计数点,测量它们到起始点O的距离h,计算对应计数点的重物速度为v,描绘v2–h图象,若图象是一条过原点的直线,则重物下落过程中机械能守恒,该同学的判断依据________(填“正确”或“不正确)。

(5)在《验证机械能守恒定律》实验中,两实验小组同学分别采用了如图甲和乙所示的装置将重物由静止释放,采用两种不同的实验方案进行实验。

Ⅰ.关于两图装置中重物以及实验器材的选择下列说法正确的是_______。

A.在甲图中,下落物体应选择密度大的重物

B.在乙图中,两个重物的质量关系是m1>m2

C.采用甲、乙的方案进行实验,都还需要的实验器材有交流电源、刻度尺和天平

D.采用甲、乙的方案进行实验,都必须先释放重物,再打开打点计时器

Ⅱ.比较甲、乙两种实验方案,你认为________更合理。

 

7.(2018·云南玉溪适应性训练)如图1所示,气垫导轨(不计摩擦)a端固定在水平桌面上,b端到桌面的高度h可调,让滑块A沿导轨下滑,位移传感器B能将A、B间的距离数据实时传送到计算机。

 

   

8.在用图所示的实验装置做“验证机械能守恒定律”的实验中

(1)下列器材中不必要的是______(填字母)。

A.天平                 B.刻度尺

C.低压交流电源            D.纸带

(2)图是本实验中所打出来的一条纸带,O点是起始打下来的第一个点,则应该是纸带的______端与重物相连(填“左”或“右”)。

                 

 

(3)根据图中的纸带,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,打点计时器打点周期为T,重物质量为m,重力加速度为g,则:

①根据这些条件计算打C点时重物下落的瞬时速度的表达式为vC=________(用s1、s2、T表示)。

②若要验证O点到C点过程中重物的机械能守恒,则需要验证的等式为___________(用m、g、s0、s1、s2、T表示)。

(4)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,这是实验存在系统误差的必然结果,其产生的主要原因是_____________。

 

9.(2018·甘肃省岷县二中高一物理下学期期末考试)某探究性学习小组用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验时,重物从高处由静止开始下落,重物上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点,图乙给出的是实验中获取的一条纸带,处理数据时,同学们舍弃了前面较密集的点,以O为起点,从A点开始选取计数点A、B、C,测出O到A、B、C的距离分别为h1=38.4 cm、h2=60.0 cm、h3=86.4 cm……每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),电源的频率为f=50 Hz。

(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列说法正确的是____。

A.需称出重物的质量

B.手提纸带,先接通电源再释放纸带让重物落下

C.可不考虑前面较密集的点,选取某个清晰的点作为起始运动点处理纸带,验证mgh=mv2/2是否成立

D.所挂重物选体积小,密度小的物体

(2)实验室供选择的重物有以下四个,应选择_____________。

A.质量为100 g的钩码               B.质量为10 g的砝码

C.质量为200 g的木球               D.质量为10 g的塑料球

(3)打B点时,重物的速度vB为__________m/s(计算结果保留三位有效数字);

(4)同学们根据纸带算出相应各点的速度v,量出下落距离h,则以为纵轴,h为横轴绘出的图象如图丙所示。图线的斜率等于________的数值,图线不过坐标原点的原因是____。

10.某研究性学习小组用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。让一个摆球由静止开始从A位置摆到B位置,若不考虑空气阻力,小球的机械能应该守恒,即mv2=mgh。直接测量摆球到达B点的速度v比较困难,现让小球在B点处脱离悬线做平抛运动,利用平抛的特性来间接地测出v。图中,悬点正下方P点处放有水平放置的炽热的电热丝,当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断,小球由于惯性向前飞出做平抛运动。在地面上放上白纸,上面覆盖着复写纸,当小球落在复写纸上时,会在下面白纸上留下痕迹。用重垂线确定出A、B点的投影点N、M。重复实验10次(小球每一次都从同一点由静止释放),球的落点痕迹如图乙所示,图中米尺水平放置,零刻度线与M点对齐。用米尺量出AN的高度h1、BM的高度h2,算出A、B两点的竖直距离,再量出M、C之间的距离s,即可验证机械能守恒定律。已知重力加速度为g,小球的质量为m。

 

(1)根据图乙可以确定小球平抛运动时的水平射程为______cm;

(2)用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度v0=________________;

(3)用测出的物理量表示出小球从A到B过程中,重力势能的减少量ΔEp=__________,动能的增加量ΔEk=__________。

 

11.(2018·云南省大理州实验中学高二下学期期中考试)利用气垫导轨验证机械能守恒定律。实验装置示意图如图1所示:

(1)实验步骤:

A.将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m,将导轨调至水平;

B.用游标卡尺测量挡光条的宽度l,结果如图2所示,由此读出l=_____mm;

C.由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=______cm.

D.将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2;

E.从数字计时器(图1中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间△t1和△t2;

F.用天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和砝码的总质量m。

(2)用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式:

①在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少△Ep=________(重力加速度为g),系统动能的增加量=_____________。

②在实验误差允许的范围内,如果△Ep=ΔEk则可认为验证了机械能守恒定律

 

12.有两个实验小组在完成验证机械能守恒定律的实验中,分别用了以下两种方法:

(1)第一组利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。

①该小组同学进行了如下实验操作:

A.打点计时器接到电源的“直流输出”上

B.释放纸带后接通电源,打出一条纸带,并更换纸带重复若干次

C.选择理想的纸带,在纸带上取若干个连续点,分别测出这些点到起始点的距离

D.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增加的动能

其中操作不当的步骤是____________(填选项前的字母)。

②若所用电源的周期为T,该同学经正确操作得到如图所示的纸带,O点为打点计时器打下的第一个点。分别测出连续点A、B、C与O点之间的距离h1、h2、h3,重物质量为m,重力加速度为g。根据以上数据可知,从O点到B点,重物的重力势能的减少量等于______,动能的增加量等于______。(用所给的符号表示)

                 

(2)另一组同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律。物体A和B系在轻质细绳两端跨过光滑轻质定滑轮,让A、B由静止释放(物体A质量大于B)。1、2处分别安装光电门,用来测量物体上的遮光片通过该处的时间。

①实验中测量出物体A的质量mA、物体B的质量mB、遮光片的宽度d、光电门1、2间的距离h、遮光片通过光电门1、2的时间t1、t2,则可计算出遮光片经过光电门1时速率为___________。

②若实验满足表达式_________________________(用①中测出物理量的符号和重力加速度g表示),则可验证机械能守恒。

 

13.(2018·四川省遂宁市高一下学期期末教学水平监测)在利用如图所示的装置验证机械能守恒定律的实验中。

(1)下列操作正确的是_______。

A.打点计时器应接到直流电源上

B.先释放重物,后接通电源

C.释放重物前,重物应尽量靠近打点计时器

(2)如下图所示,为实验中所得到的甲、乙两条纸带,应选_______(选填“甲”或“乙”)纸带好。

(3)实验中,某实验小组得到如图所示的一条理想纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T。重物的质量为m,从打O点到打B点的过程中,重物的重力势能变化量ΔEp=________,动能变化量ΔEk=__________。[来源:Z§xx§k.Com]

(4)大多数学生的实验结果显示,重力势能的减少量大于动能的增加量,主要的原因是_______。

 

14.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6 V的交流电和直流电两种。重锤从高处由静止开始下落,重锤上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带的点迹进行测量,即可验证机械能守恒定律。

 

(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.用天平测出重锤的质量

D.释放悬挂纸带的夹子,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锤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或者操作不当的步骤,将其选项对应的字母填在下面的空行内,并说明其原因。答:_____________________________________________________________________。

             乙

(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。如图乙所示,根据打出的纸带,选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E,测出A距起始点O的距离为s0,点AC间的距离为s1,点CE间的距离为s2,使用交流电的频率为f,根据这些条件计算重锤下落的加速度a=_________。

 

15.(2018·福建省师大附中高一下学期期末考试)在用“落体法”做“验证机械能守恒定律”的实验时,小明选择一条较为满意的纸带,如图甲所示。

(1)为减少阻力对实验的影响,下列操作可行的是________。

A.选用质量大的重锤

B.安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上

C.释放纸带前,手应提纸带上端并使纸带竖直

D.重锤下落过程中手始终提住纸带上端,保持纸带竖直

(2)小明用实验测得数据画出的v2-h图象如图乙所示,图线不过坐标原点的原因是_________________________。

(3)另有四位同学在图乙的基础上,画出没有阻力时的v2-h图线,并与其比较,其中正确的是____。

 

16.DIS实验是利用现代信息技术进行的实验。老师上课时用DIS研究“机械能守恒定律”的装置如图甲所示,在某次实验中,选择DIS以图象方式显示实验的结果,所显示的图象如图乙所示。图象的横轴表示小球距D点的高度h,纵轴表示摆球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。试回答下列问题:

(1)图乙的图象中,表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是_____。

A.甲、乙、丙                   B.乙、丙、甲

C.丙、甲、乙                   D.丙、乙、甲

(2)根据图乙所示的实验图象,可以得出的结论是______________________。

(3)根据图乙所示的实验图象,本次实验小球重力势能Ep和动能Ek相等时距最低点D的竖直高度为______m,由静止释放时距最低点D的竖直高度为______m。

(4)根据图乙所示的实验图象,可以得出小球的质量为__________kg(取g=9.8 m/s2,结果保留两位有效数字)。

 

17.某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。桌面离地面的高度为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)关于该实验,下列说法中正确的是__________。

A.该装置中轨道必须尽可能光滑

B.该装置中轨道末端必须水平

C.该实验中必须测量钢球的质量

D.该实验中钢球也可换成密度很小的塑料球

(2)该实验验证钢球在下列哪段运动过程中的机械能守恒?_____________。

A.在轨道上运动阶段

B.平抛运动阶段

C.从释放到着地的整个运动阶段

(3)若轨道完全光滑,s2与h的理论关系应满足s2=_________(用H、h表示)。

 

18.某物理研究小组利用图甲装置验证机械能守恒定律,在铁架台上安装有一电磁铁(固定不动)和一光电门(可上下移动),电磁铁通电后将钢球吸住,然后断电,钢球自由下落,并通过光电门,计时装置可测出钢球通过光电门的时间。

(1)用10分度的游标卡尺测量钢球的直径,示数如图乙所示,可知钢球的直径d=____cm。

(2)多次改变光电门的位置,测量出光电门到电磁铁下端O的距离为h(h>>d),并计算出小球经过光电门时的速度v,若画出v2–h的图象是线性图线,则本实验最可能得到的线性图是________。

(3)钢球通过光电门的平均速度____(选填“大于”或“小于”)钢球球心通过光电门的瞬时速度,由此产生的误差_______(选填“能”或“不能”)通过增加实验次数减小。

(4)若实验中得到v2与h成线性关系,能否说明钢球在下落过程中机械能守恒?

__________________________________________________________________。

 

19.如图所示实验装置可以用来验证机械能守恒定律,左侧重物A带有挡光片,其总质量为m,右侧重物B质量为M,两重物由跨过轻质光滑定滑轮的细绳相连;与光电门相连的数字毫秒计可以测量挡光片经过光电门时的挡光时间,挡光片的宽度用b表示。挡光片到光电门之间的距离用h表示。挡光片通过光电门的平均速度近似看作挡光片通过光电门的瞬时速度,实验时重物从静止开始运动。重物B的质量M大于A的质量m。

(1)在实验过程中,与光电门相连的数字毫秒计记录的挡光片的挡光时间为t(单位:s),则挡光片通过光电门时瞬时速度可表示为v=________。

(2)重物从静止开始运动,当挡光片经过光电门位置时,A和B组成的系统动能增加量可表示为ΔEk=________,系统的重力势能减少量可表示为ΔEp=________,在误差允许的范围内,若ΔEk=ΔEp,则可认为系统的机械能守恒。

(3)为了减小偶然误差,多次改变挡光片到光电门之间的距离h,作出v2–h图象(如图所示),并测得该图象的斜率为k,则重力加速度的表达式为________。

20.用自由落体法验证机械能守恒定律,器材安装如图甲。

(1)请指出图甲中的错误及不妥之处(至少写出两处)

①_________________________,②_________________________。

(2)改进实验中错误及不妥之处后,打出如图乙所示一条纸带。已知打点计时器频率为50 Hz,根据纸带所给数据,打C点时重物的速度为_____m/s(结果保留两位有效数字)。

(3)某同学选用两个形状相同质量不同的重物a和b进行实验测得几组数据,画出的图象如图丙所示,求出图线的斜率k,由图象可知a的质量m1____b的质量m2(选填“大于”或“小于”)。

(4)通过分析发现造成k2值偏小的原因是实验过程中存在各种阻力,已知实验所用重物的质量m2=0.052 kg,当地重力加速度g=9.78 m/s2,求出重物所受的平均阻力f=_________N。(结果保留两位有效数字)

 

体验高考

21.(2017·天津卷)如图所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律。

(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是______________。

A.重物选用质量和密度较大的金属锤

B.两限位孔在同一竖直面内上下对正

C.精确测量出重物的质量

D.用手托稳重物,接通电源后,撒手释放重物

(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画出,如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出,利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有____________。

A.OA、AD和EG的长度             B.OC、BC和CD的长度

C.BD、CF和EG的长度             D.AC、BD和EG的长度

 

22.(2016·上海卷)在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中,用到的传感器是____________传感器。若摆锤直径的测量值大于其真实值会造成摆锤动能的测量值偏____________。(选填:“大”或“小”)。

23.(2016·新课标全国Ⅰ卷)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流电源,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。

               

 

24.2016·北京卷)利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。

1)为验证机械能是否守恒,需要比较重物下落过程中任意两点间的     

A.动能变化量与势能变化量

B.速度变化量和势能变化量

C.速度变化量和高度变化量

2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是      

A.交流电源     B.刻度尺          C.天平(含砝码)

 

 

 

 

答案解析

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