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2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第5講 實驗 驗證機械能守恒定律題組訓(xùn)練 魯科版必修2 [時間：60分鐘] 1.用如圖1所示裝置驗證機械能守恒定律，由于電火花計時器兩限位孔不在同一豎直線上，使紙帶通過時受到較大的阻力，這樣實驗造成的結(jié)果是(　　) 圖1 A．重力勢能的減少量明顯大于動能的增加量 B．重力勢能的減少量明顯小于動能的增加量 C．重力勢能的減少量等于動能的增加量 D．以上幾種情況都有可能 2．如圖2是用自由落體法驗證機械能守恒定律時得到的一條紙帶．有關(guān)尺寸在圖中已注明．我們選中n點來驗證機械能守恒定律．下面舉一些計算n點速度的方法，其中正確的是(　　) 圖2 A．n點是第n個點，則vn＝gnT B．n點是第n個點，則vn＝g(n－1)T C．vn＝ D．vn＝ 3.用如圖3所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，實驗所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓為6 V的交流電和直流電兩種．重物從高處由靜止開始下落，重物上拖著的紙帶通過打點計時器打出一系列的點，對紙帶上的點的痕跡進行測量，即能驗證機械能守恒定律． 下面列舉了該實驗的幾個操作步驟： 圖3 A．按照圖示的裝置安裝器材； B．將打點計時器接到電源的直流輸出端上； C．用天平測量出重物的質(zhì)量； D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關(guān)打出一條紙帶； E．測量打出的紙帶上某些點之間的距離； F．根據(jù)測量的結(jié)果計算分析重物下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能． 指出其中沒有必要進行的或者操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E，將其選項對應(yīng)的字母填在下面的橫線上，并說明其原因： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 4．在用自由落體法驗證機械能守恒定律時，某小組按照正確的操作選得紙帶如圖4.其中O是起始點，A、B、C是打點計時器連續(xù)打下的3個點．用毫米刻度尺測量O到A、B、C各點的距離，并記錄在圖中．(已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2，重物質(zhì)量為m＝1 kg，計算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字) 圖4 (1)圖中的三個測量數(shù)據(jù)中不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是________段的讀數(shù)，應(yīng)記作________cm. (2)甲同學(xué)用重物在OB段的運動來驗證機械能守恒，他用AC段的平均速度作為B點對應(yīng)的瞬時速度vB，則求得該過程中重物的動能增加量ΔEk＝________J，重力勢能的減少量ΔEp＝________J．這樣驗證的系統(tǒng)誤差總是使ΔEk________ΔEp(選填“>”、“<”或“＝”)． (3)乙同學(xué)根據(jù)同一條紙帶，同一組數(shù)據(jù)，也用重物在OB段的運動來驗證機械能守恒，將打點計時器打下的第一個點O記為第1個點，圖中的B是打點計時器打下的第9個點．因此他用v＝gt計算與B點對應(yīng)的瞬時速度vB，求得動能的增加量ΔEk＝________J．這樣驗證的系統(tǒng)誤差總是使ΔEk________ΔEp(選填“>”、“<”或“＝”)． (4)上述兩種處理方法中，你認(rèn)為合理的是________同學(xué)所采用的方法．(選填“甲”或“乙”) 5．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，圖5(甲)是打點計時器打出的一條紙帶，選取其中連續(xù)的計時點標(biāo)為A、B、C……G、H、I，對BH段進行研究． (1)已知打點計時器電源頻率為50 Hz，則紙帶上打相鄰兩點的時間間隔為________． (2)用刻度尺測量的距離如圖(乙)，讀出A、C兩點間距為________cm，B點對應(yīng)的速度vB＝________m/s(保留三位有效數(shù)字)． (3)若H點對應(yīng)的速度為vH，重物下落的高度為hBH，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，為完成實驗，要比較v與________的大小(用字母表示)． 圖5 6．利用圖6裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗． 圖6 (1)除打點計時器(含紙帶、復(fù)寫紙)、交流電源、鐵架臺、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下面的器材中，必須使用的還有________．(選填器材前的字母) A．大小合適的鐵質(zhì)重錘 B．體積較大的木質(zhì)重錘 C．刻度尺 D．游標(biāo)卡尺 E．秒表 (2)圖7是實驗中得到的一條紙帶．在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為hA、hB、hC. 圖7 重錘質(zhì)量用m表示，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點的周期為T.從打下O點到打下B點的過程中，重錘重力勢能的減少量|ΔEp|＝________，動能的增加量ΔEk＝________. (3)在實驗過程中，下列實驗操作和數(shù)據(jù)處理正確的是________． A．釋放重錘前，使紙帶保持豎直 B．做實驗時，先接通打點計時器的電源，再釋放重錘 C．為測量打點計時器打下某點時重錘的速度v，可測量該點到O點的距離h，再根據(jù)公式v＝計算，其中g(shù)應(yīng)取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣? D．用刻度尺測量某點到O點的距離h，利用公式mgh計算重力勢能的減少量，其中g(shù)應(yīng)取當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣? (4)某同學(xué)在紙帶上選取計數(shù)點后，測量它們到起始點O的距離h，并計算出打相應(yīng)計數(shù)點時重錘的速度v，通過描繪v2－h(huán)圖象去研究機械能是否守恒．若實驗中重錘所受阻力不可忽略，且阻力大小保持不變，從理論上分析，合理的v2－h(huán)圖象是下列圖中的________． 7．為了驗證機械能守恒定律，岳口高中的金金設(shè)計了如圖8甲所示的實驗裝置，并提供了如下的實驗器材： A．小車 B．鉤碼 C．一端帶滑輪的木板 D．細(xì)線 E．電火花計時器 F．紙帶 G．毫米刻度尺 H．低壓交流電源 I．220 V的交流電源 圖8 (1)根據(jù)上述實驗裝置和提供的實驗器材，你認(rèn)為實驗中不需要的器材是________(填寫器材序號)，還應(yīng)補充的器材是________． (2)實驗中得到了一條紙帶如圖乙所示，選擇點跡清晰且便于測量的連續(xù)7個點(標(biāo)號0～6)，測出0到1、2、3、4、5、6點的距離分別為d1、d2、d3、d4、d5、d6，打點周期為T.則打點2時小車的速度v2＝________；若測得小車質(zhì)量為M、鉤碼質(zhì)量為m，打點1和點5時小車的速度分別用v1、v5表示，已知重力加速度為g，則驗證點1與點5間系統(tǒng)的機械能守恒的關(guān)系式可表示為________． (3)在實驗數(shù)據(jù)處理時，如果以為縱軸，以d為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出－d圖象，其圖線的斜率表示的物理量的表達(dá)式為________________． 答案精析 第5講　實驗：驗證機械能守恒定律 1．A　[由于重物下落時要克服阻力做功，重物減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為重物的動能和系統(tǒng)的內(nèi)能，故重力勢能的減少量大于動能的增加量，A正確．] 2．CD　[vn應(yīng)表示從(n－1)到(n＋1)間的平均速度．C、D對，A、B錯．] 3．BCD　原因見解析 解析　步驟B是錯誤的，應(yīng)該接到電源的交流輸出端；步驟D是錯誤的，應(yīng)該先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶；步驟C不必要，因為根據(jù)測量原理，重物的動能和勢能中都包含了質(zhì)量m，可以約去． 4．(1)OC　15.70　(2)1.20　1.22　<　(3)1.23　>　(4)甲 解析　(1)毫米刻度尺讀數(shù)要估讀到毫米下一位，OC長度讀數(shù)到1毫米，不符合讀數(shù)要求．應(yīng)記作15.70 cm.(2)AC段的平均速度即B點瞬時速度vB＝＝≈1.55 m/s，則系統(tǒng)增加的動能ΔEk＝mv≈1.20 J，重力勢能減少了ΔEp＝mg OB≈1.22 J，由于摩擦力的作用，部分重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以ΔEk<ΔEp.(3)B是打點計時器打下的第9個點，所以B點的速度vB＝gt＝9.8080.02 m/s≈1.57 m/s，動能的增加量ΔEk＝mv≈1.23 J，這樣做把加速度按照自由落體計算，沒有考慮摩擦力的作用，而實際上，由于摩擦力的作用，加速度aΔEp.(4)乙方案中直接把加速度按照重力加速度計算，不符合事實，而且誤差大，所以合理的是甲方案． 5．(1)0.02 s　(2)5.40　1.35　(3)v－ghBH 解析　(1)打點計時器電源頻率為50 Hz，則每隔0.02 s打一點．(2)sAC＝(5.90－0.50)cm＝5.40 cm，vB＝＝m/s＝1.35 m/s.(3)由動能定理有mghBH＝mv－mv，得＝－ghBH. 6．(1)AC　(2)mghB　　(3)ABD　(4)A 解析　(1)驗證機械能守恒定律實驗，需要盡量減小阻力，以使得減少的重力勢能接近增加的動能，所以選擇鐵質(zhì)重錘而不是木質(zhì)重錘，這樣可以盡量減少阻力影響，即選項A對，B錯；在計算速度時需要刻度尺測量點跡之間的距離以及下落的高度，所以選項C是必須的；而秒表不需要，只要查相鄰點的間隔即可得時間間隔，因為打點計時器每隔0.02秒打一個點，所以E錯誤；有刻度尺測量點間距，而不需要游標(biāo)卡尺，選項D錯．(2)O點到B點下落的高度為hB，所以減少的重力勢能為mghB，增加的動能要計算B點的瞬時速度，B為AC的中間時刻即等于AC的平均速度，所以vB＝，增加的動能ΔEk＝mv＝.(3)為保證只有重力做功，釋放前紙帶豎直可減少紙帶與打點計時器限位孔之間的摩擦，選項A對；實驗過程先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放重錘，選項B對；速度的計算必須從紙帶數(shù)據(jù)來求，而不能根據(jù)自由落體運動求速度，如果按照自由落體運動的速度來求解則減少的重力勢能一定等于增加的動能，驗證就沒有意義了，選項C錯；計算減少的重力勢能mgh一定要按照當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葋碛嬎?，選項D對．(4)若有恒定的阻力存在，則根據(jù)動能定理可得(mg－f)h＝mv2，即＝2，所以圖象斜率為定值，而且過原點，對照選項A對． 7．(1)H　天平　(2) 或　mg(d5－d1)＝(M＋m)(v－v)　(3) 解析　(1)電火花計時器使用的是220 V交流電源，因此低壓交流電源用不著；另外還需要用到天平測出小車的質(zhì)量M；(2)打點2時的速度等于1～3或0～4間的平均速度，即v2＝或；根據(jù)機械能守恒，整個系統(tǒng)減小的重力勢能等于整個系統(tǒng)增加的動能，即mg(d5－d1)＝(M＋m)(v－v) ；(3)根據(jù)mgd＝(M＋m)v2得：＝d，所以－d圖象的斜率表示的物理量的表達(dá)式為.