9.实验:验证机械能守恒定律
1.在用如图所示的实验装置来验证机械能守恒定律时,某同学的以下看法中正确的是( )。
A.必须用秒表测出重物下落的时间
B.实验操作时,注意手提着纸带使重物靠近计时器,先接通计时器电源,然后松开纸带
C.如果打点计时器不竖直,重物下落时,其重力势能有一部分消耗在纸带摩擦上,就会造成重力势能的变化小于动能的变化
D.验证时,可以不测量重物的质量或重力
答案:BD
解析:因为实验中使用打点计时器,不需要测时间,A错误;打点计时器不竖直,重物下落时,其重力势能有一部分消耗在纸带摩擦上,造成重力势能的减少大于动能的增量,C错误;验证时,不必测量重物的质量或重力,D正确。由实验操作规程可知,B也正确。
2.某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验,下列操作步骤中错误的是( )。
A.把打点计时器固定在铁架台上,用导线连接到低压交流电源
B.将连有重物的纸带穿过限位孔,使重物停靠在打点计时器附近
C.先释放纸带,再接通电源
D.更换纸带,重复实验,根据记录处理数据
答案:C
解析:若先释放纸带,再接通电源,则纸带的起点不是自由落体的起点,选项C错误。
3.下列关于“验证机械能守恒定律”实验的实验误差的说法中,正确的是( )。
A.重物质量的称量不准会造成较大误差
B.重物质量选用得大些,有利于减小误差
C.重物质量选用得较小些,有利于减小误差
D.纸带下落和打点不同步会造成较大误差
答案:BD
解析:该实验不需要知道重物的质量,但是选用质量较大的物体可以减小阻力,有助于减小实验误差,A、C错,B对;纸带下落与打点不同步会引起测量误差,使实验出现误差,D对。
4.(2013·福州高一检测)某研究性学习小组做完教材中规定的实验后,又根据所测得的数据用数据处理软件Excel拟合出各种图象。假设该小组一切操作均很规范,则下列图象中可能正确的是(其中h表示物体下落的高度,H表示物体离地面的高度)( )。
答案:ABD
解析:当物体下落高度为h时,动能为mv2=mgh,得v2∝h,选项A正确。设物体开始时离地面高度为H0,当物体下落高度h时有mv2=mgh=mg(H0-H),得v2=2mgH0-2mgH,因此选项B可能正确。实验中机械能随着下落高度的增加应略有减小,因此gH+也随着h略有减小,选项C错误,D正确。
5.(2013·新课标高考)如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为:带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题:
(1)为完成此实验,除了所给的器材,还需要的器材有 。(填入正确选项前的字母)?
A.米尺
B.秒表
C.0~12 V的直流电源
D.0~12 V的交流电源
(2)实验中误差产生的原因有 。(写出两个原因)?
答案:(1)AD
(2)纸带和打点计时器之间有摩擦;用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差
解析:(1)本实验需测量长度,但不需要计时,选项A正确而B错误;打点计时器需要用交流电源,选项C错误而D正确。
(2)摩擦和长度测量读数问题是产生误差的主要原因。
6.在“验证机械能守恒定律”的实验中,重物质量m=1 kg,纸带上打的点如图所示,打点计时器外接50 Hz的低压交流电源。
(1)纸带的哪一端与重物相连?
(2)打点计时器打下B点时重物的速度是多少?
(3)若取g=9.8 m/s2,则从起点O到打B点的过程中机械能是否守恒?通过计算验证。
答案:(1)左端 (2)0.98 m/s (3)见解析
解析:(1)左端,因为重物与第一个点最近。
(2)vB=×10-2 m/s=0.98 m/s。
(3)重锤重力势能的减少量为:ΔEp=mgh=1×9.8×5.01×10-2 J=0.49 J
重锤动能的增加量为:ΔEk=×1×0.982 J=0.48 J
在实验误差允许的范围内,可认为ΔEp=ΔEk,机械能守恒。
7.(2013·江苏南通高一检测)在“验证机械能守恒定律”的实验中,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=9.8 m/s2,测得所用的重物的质量为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,另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。经测量知道A、B、C、D各点到O的距离分别为62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm。
(1)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)如果以为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出的h图线是 ,该线的斜率等于 。?
答案:(1)7.62 7.56 (2)一条过原点的倾斜直线 当地重力加速度(9.8 m/s2)
解析:(1)先判定D点的可靠性,即判定xBC-xAB是否等于xCD-xBC。如相等(或在误差允许范围内),D点就可靠(即在D点之前物体做自由落体运动),就可利用vC=求出C点速度,EkC=。
则ΔEp=mgh,h是O到C的距离。
故ΔEp=mgh=1.00×9.8×0.777 6 J=7.62 J
由于vC= m/s=3.888 m/s
所以ΔEk=×1.00×3.8882 J=7.56 J
(2)根据=ghn,可得h图线的斜率等于重力加速度,图线是一条过原点的倾斜直线。
8.用气垫导轨装置验证机械能守恒定律,先非常仔细地把导轨调成水平,然后如图所示用垫块把导轨一端垫高H。滑块m上面装l=3 cm的挡光框,使它由轨道上端任一处滑下,测出它通过光电门G1和G2时的时间Δt1和Δt2,就可以算它通过G1和G2时的速度v1和v2,就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量ΔEk=m();再算出重力势能的减少量ΔEp=mgh,比较ΔEk与ΔEp的大小,便可验证机械能是否守恒。
(1)滑块的速度v1、v2如何求出?滑块通过G1时的高度h如何求出?
(2)若测得图中L=1 m,s=0.5 m,H=20 cm,m=500 g,滑块通过G1和G2的时间分别为5.0×10-2 s和2.0×10-2 s,当地重力加速度g=9.80 m/s2,试判断机械能是否守恒。
答案:见解析
解析:(1)因为挡光框宽度很小(l=3 cm),滑块通过挡光框的时间极短,故可以认为滑块通过挡板时做匀速运动,则通过两挡光框时的平均速度等于通过G1和G2两位置的瞬时速度v=;由相似原理,可得,便可求得h=s,H、L、s都是事先设定的。(2)v1= m/s=0.6 m/s,v2= m/s=1.5 m/s。动能增加量ΔEk=m()=×0.5×(1.52-0. 62) J≈0.473 J,h=s=×0.5 m=0.1 m;势能减少量ΔEp=mgh=0.5×9.80×0.1 J=0.490 J。在误差允许范围内可认为机械能守恒。
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