第9节实验:验证机械能守恒定律
1.在“验证机械能守恒定律”实验中,下列说法正确的是( D )
A.必须测量重物的质量
B.必须用秒表测出重锤下落的时间
C.把秒表测得的时间代入v=gt,计算重锤的速度
D.释放纸带前,手捏住纸带上端并使纸带处于竖直
解析:因实验需验证的关系式是mgh=mv2,m可约去,故可以不测重物的质量,A错误;打点计
时器可以测量重锤下落的时间,不需要用秒表测量,故B错误;该实验是验证机械能守恒定律的实验,如果把重物看成自由落体运动,再运用自由落体的规律求解速度,那么就是用机械能守恒来验证机械能守恒定律,故C错误;释放纸带前,手捏住纸带上端并使纸带处于竖直,从而减小纸带与限位孔之间的摩擦,故D正确。
2.(多选)用自由落体法验证机械能守恒定律,就是看m是否等于mgh n(n为计数点的编号
0,1,2,…n)。
下列说法中正确的是( AB )
A.打点计时器打第一个点0时,重物的速度为零
B.h n是计数点n到起始点0的距离
C.必须测量重物的质量
D.用v n=gt n计算v n时,t n=(n-1)T(T为打点周期)
解析:本实验的原理是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律。
因此打点计时器打第一个点时,重物运动的速度应为零,A正确;h n与v n分别表示打第n个点时重物下落的高度
和对应的瞬时速度,B正确;本实验中,不需要测量重物的质量,因为公式mgh=mv2的两边都有m,故只要gh=v2成立,mgh=mv2就成立,机械能守恒定律也就被验证了,C错误;实验中应用公
式v n=来计算v n,D错误。
3.(2016·浙江4月选考)(1)在下列学生实验中,需要用到打点计时器的实验有(填字母)。
A.探究求合力的方法
B.探究加速度与力、质量的关系
C.探究做功与物体速度变化的关系
D.探究作用力与反作用力的关系
(2)①做“验证机械能守恒定律”的实验,已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器,还必须选取的器材是图中的(填字母)。
②某同学在实验过程中,a.在重锤的正下方地面铺海绵;b.调整打点计时器的两个限位孔连线为竖直;c.重复多次实验。
以上操作可减小实验误差的是(填字母)。
答案:(1)BC (2)BD bc
4.在“验证机械能守恒定律”实验中,释放纸带前,甲、乙两同学操作正确的是(选填“甲”或“乙”);纸带下端所挂物体应选(选填“A”“B”“C”或“D”),理由是。
解析:甲同学这样做才能使重锤自由下落时,纸带上的点迹较多,故选择甲。
产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时存在摩擦阻力,使得重锤获得的动能小于它所减少的重力势能,为减小误差,重锤应选体积小、质量大的。
从增加重力减小阻力的影响,故选择B物体。
答案:甲 B 增加重力减小阻力的影响
5.小张做验证机械能守恒定律实验,在接通电源、释放纸带之前的情形如图所示,已知铁架台
置于水平桌面上,打点计时器竖直,请指出图中不合理的地方(至少两处)。
不合理①: ;
不合理②: 。
答案:①重锤未紧靠打点计时器②重锤与地面的距离太小③手应该抓住纸带的上端并使纸带竖直(任选两处填入)
6.图中甲、乙两图都是用来“验证机械能守恒定律”的装置示意图。
(1)比较甲、乙两图,某同学认为乙图装置较好,其理由如下列所述,其中正确的是(填字母代号)。
A.电火花计时器打点更准确
B.减小了空气阻力对实验的影响
C.可以节省纸带,让点迹更为密集
D.保证物体从静止释放,避免因纸带抖动而增大摩擦
(2)实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能,其主要原因是(填字母代号)。
A.重物的质量过大
B.重物的体积过小
C.电源的电压偏低
D.重物及纸带在下落时受到阻力
(3)从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,以为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出h图线,则在误差允许的范围内该图线
是,图线的斜率是。
解析:(1)因为用夹子固定纸带,可以避免用手握纸带时因手的抖动带来的弊端。
电磁打点计时器与电火花计时器的打点精度是相同的。
(2)重物及纸带在下落时受到阻力,由于阻力做功,重力势能除了转化为动能,还有一部分转化为内能。
(3)从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,
则需验证的关系式是mgh=mv2,故在误差允许的范围内,h图线是一条过原点且斜率为g
的直线。
答案:(1)D (2)D (3)过原点的一条倾斜直线重力加速度g
7.在验证机械能守恒定律的实验中,质量m=100 g的重锤自由下落,在纸带上打出了一系列的点,如图乙所示。
相邻计数点时间间隔为0.02 s,长度单位是 cm,g取9.8 m/s2。
(1)某同学开始实验时情形如图甲所示,接通电源释放纸带。
请指出该同学在实验中存在的两处明显错误或不当的地方。
① ;
②。
(2)从起始点O到打下计数点B的过程中,物体重力势能的减少量
ΔE p= J,动能的增加量ΔE k= J。
(均保留两位有效数字)
解析:(1)由题图甲可知,打点计时器接了直流电源,应接交流电源。
重物释放时离打点计时器太远,不利于数据的采集和测量。
(2)根据平均速度等于中间时刻的瞬时速度,
则有v B==1 m/s,
物体重力势能的减少量ΔE p=mgh OB≈0.051 J,
物体动能的增加量ΔE k=m=0.050 J。
答案:(1)①打点计时器接了直流电源②重物离打点计时器太远了(2)0.051 0.050 8.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,撤手释放重物
(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
解析:(1)选用质量和密度较大的金属锤、限位孔对正都可以减小摩擦力对实验结果造成的误差,所以A,B正确;动能与重力势能表达式中都含有质量m,可以约去,故不需要测量出质量m 的具体数值,C错误;重物下落之前应该用手拉住纸带上端而不是用手托稳重物,D错误。
(2)测出BC和CD的长度就可以计算出打下C点时的速度v C,再测出OC的长度,就可验证
mgh OC=m是否成立,所以B正确;测出BD,EG的长度可计算出打下C,F两点时的速度v C和v F,再测出CF的长度,就可验证mgh CF=m-m是否成立,所以C正确。
答案:(1)AB (2)BC
9.某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。
一根细线系住钢球,悬挂在铁架台上,钢球静止于A点,光电门固定在A的正下方。
在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条.
将钢球拉至不同位置由静止释放,遮光条经过光电门的挡光时间t由计时器测出,取v=作为
钢球经过A点时的速度。
记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t,计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔE p与动能变化大小ΔE k,就能验证机械能是否守恒。
(1)用ΔE p=mgh计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到之间的竖直距离。
A.钢球在A点时的顶端
B.钢球在A点时的球心
C.钢球在A点时的底端
(2)用ΔE k=mv2计算钢球动能变化的大小,用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图乙所示,其读
数为cm.某次测量中,计时器的示数为0.010 0 s,则钢球的速度为v= m/s。
ΔE p(×10-2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38 ΔE k(×10-2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
他发现表中的ΔE p与ΔE k之间存在差异,认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点?请说明理由。
(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。
解析:(1)钢球下落的高度为初末位置球心间的竖直距离,所以选B。
(2)由图知读数为1.50 cm,钢球的速度为v=,代入数据解得v=
1.50 m/s。
(3)若是空气阻力造成的,则ΔE k应小于ΔE p,根据表格数据知不是空气阻力造成的。
(4)钢球经过A点时,光电门的位置低于球心的位置,故实验中测得的钢球速度大于钢球在A点的实际速度。
遮光条与钢球运动的角速度相等,由v=ω·r知,ω一定时,v与r成正比,故分别测出光电门和球心到悬点的距离L和l,即可计算出钢球经过A点时的速度v′
=v。
答案:(1)B (2)1.50(1.49～1.51都算对) 1.50(1.49～1.51都算对) (3)见解析(4)分别测出光电门和球心到悬点的距离L和l,计算ΔE k时,将v代入钢球的速度v′=v。