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2019-2020年高中物理 7.9 實驗 驗證機械能守恒定律同步檢測 新人教版必修2 1.(2011·黃崗中學高一檢測)為驗證在自由落體過程中物體的機械能是守恒的，某同學利用實驗系統(tǒng)設(shè)計了一個實驗，實驗裝置如圖所示，圖中A、B兩點分別固定了兩個速度傳感器，速度傳感器可以測出運動物體的瞬時速度．在實驗中測得一物體自由下落經(jīng)過A點時的速度是v1，經(jīng)過B點時的速度是v2，為了證明物體經(jīng)過A、B兩點時的機械能相等，這位同學又設(shè)計了以下幾個步驟，你認為其中不必要或者錯誤的是(　　) A．用天平測出物體的質(zhì)量 B．測出A、B兩點間的豎直距離 C．利用mv22－mv12算出物體從A點運動到B點的過程中動能的變化量 D．驗證v22－v12與2gh是否相等 答案：AC 2．在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的實驗中： (1)打點計時器所接交流電的頻率為50Hz，甲、乙兩條實驗紙帶如圖所示，應選________紙帶好． (2)若通過測量紙帶上某兩點間距離來計算某時刻的瞬時速度，進而驗證機械能守恒定律．現(xiàn)已測得2、4兩點間距離為s1,0、3兩點間距離為s2，打點周期為T，為了驗證0、3兩點間機械能守恒，則s1、s2和T應滿足的關(guān)系為________． 答案：(1)甲　(2)T2＝ 解析：(1)由于甲圖中1、2兩點間的距離(1.9mm)接近于2mm，故選甲圖． 3．(2011·南宮中學高一檢測)在利用自由落體“驗證機械能守恒定律”的實驗中， (1)下列器材中不必要的是________(只需填字母代號)． A．重物　　　　　　　 B．紙帶 C．天平 D．電源 (2)如圖所示為實驗得到的一條點跡清晰的紙帶，把第一個點記做O，另選連續(xù)的4個點A、B、C、D作為測量的點，經(jīng)測量知道A、B、C、D各點到O點的距離分別為62.78cm、70.00cm、77.58cm、85.52cm.根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點運動到B點，重力勢能的減少量等于________J，動能的增加量等于________J．(已知所用重物的質(zhì)量為1.00kg，當?shù)刂亓铀俣萭＝9.80m/s2，取3位有效數(shù)字．) 答案：(1)C　(2)6.86　6.85 解析：(1)本實驗不需要測量重錘的質(zhì)量m. (2)ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.70J＝6.86J ΔEk＝mvB2＝m()2＝6.85J 4．(遼寧實驗中學高一檢測)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中：所用電源的頻率為50Hz.某同學選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測得各計數(shù)點到O的距離(單位：mm)如圖所示，圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D、E分別是每打兩個點取出的計數(shù)點． (1)從下列器材中選出實驗所必須的，其編號為________． A．打點計時器(包括紙帶)　B．重錘　C．天平 D．毫米刻度尺　E．秒表(或停表)　F．運動小車 (2)若重錘的質(zhì)量為mkg，則重錘從開始下落到打B點時，減少的重力勢能是________J，從重錘下落到打B點時增加的動能是______J，得到的結(jié)論是_____________．(取g＝9.8m/s2，結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 答案：(1)ABD　(2)1.91m　1.88m　在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，重錘的機械能守恒 5.在利用打點計時器驗證自由下落物體機械能守恒的實驗中，設(shè)物體在打O點時釋放，打點計時器打A點時物體速度為v，如圖所示，一同學在實驗報告中填寫如下： v＝2.36m/s.h＝28.76cm，＝2.785m2/s2，gh＝2.718m2/s2.由以上數(shù)據(jù)說明在誤差范圍內(nèi)相等，故機械能守恒． 老師批閱：“數(shù)據(jù)非實驗所得！” 老師作此批閱的理由是什么？ 答案：在本實驗中，由于空氣阻力和摩擦力不可避免，所以重力勢能的減少量大于動能的增加量，或者說物體下落的實際加速度a＜g.所以實驗所測數(shù)據(jù)的實際結(jié)果應是v2＜gh.而不是這位同學的v2＞gh. 6．(xx·聊城高一檢測)在驗證“機械能守恒定律”的實驗中，已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz，查得當?shù)刂亓铀俣萭＝9.8m/s2.某同學選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測量時各計數(shù)點對應刻度尺的讀數(shù)如圖所示，圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D分別是每打兩個點取出的計數(shù)點，則重物由O點運動到B點時，(重物質(zhì)量為m)求： (1)重力勢能減少量為多少？ (2)動能增加量為多少？ (3)根據(jù)數(shù)據(jù)得出什么結(jié)論？產(chǎn)生誤差的原因是什么？ 答案：(1)1.911mJ　(2)1.89mJ　(3)在實驗誤差允許范圍內(nèi)，重錘重力勢能減少量等于動能的增加量即機械能守恒；下落過程中克服摩擦阻力做功 解析：(1)重力勢能減少量ΔEP＝mghOB＝1.91mJ (2)重物下落到B點時速度vB＝＝1.944m/s 增加的動能為ΔEk＝mvB2＝1.89mJ (3)重錘的重力勢能減小略大于其動能增加，其原因是下落中克服阻力做功，機械能略有減少． 能力提升 1．(2011·唐山一中高一檢測)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中： (1)供實驗選擇的重物有以下四個，應選擇：(　　) A．質(zhì)量為10g的砝碼 B．質(zhì)量為200g的木球 C．質(zhì)量為50g的塑料球 D．質(zhì)量為200g的鐵球 (2)下列敘述正確的是(　　) A．實驗中應用秒表測出重物下落的時間 B．可用自由落體運動的規(guī)律計算重物的瞬時速度 C．因為是通過比較和mgh是否相等來驗證機械能是否守恒，故不需要測量重物的質(zhì)量 D．釋放重物前應手提紙帶的上端，使紙帶豎直通過限位孔 (3)質(zhì)量m＝1kg的物體自由下落，得到如圖所示的紙帶，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為0.04s，那么從打點計時器打下起點O到打下B點的過程中， 物體重力勢能的減少量Ep＝________J，此過程中物體動能的增加量Ek＝________J．(g＝9.8m/s2，保留三位有效數(shù)字) 答案：(1)D　(2)CD　(3)2.28　2.26 2．(福建廈門六中高一檢測)在驗證機械能守恒定律的實驗中，質(zhì)量為m＝1.00kg的重錘拖著紙帶下落，在此過程中，打點計時器在紙帶上打出一系列的點．在紙帶上選取五個連續(xù)的點A、B、C、D和E，如圖所示．其中O為重錘開始下落時記錄的點，各點到O點的距離分別是31.4mm、49.0mm、70.5mm、95.9mm、124.8mm.當?shù)刂亓铀俣萭＝9.8m/s2. 本實驗所用電源的頻率f＝50Hz.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字) (1)打點計時器打下點B時，重錘下落的速度vB＝________m/s，打點計時器打下點D時，重錘下落的速度vD＝________m/s. (2)從打下點B到打下點D的過程中，重錘重力勢能減小量ΔEp＝________J，重錘動能增加量ΔEk＝________J. (3)在誤差允許范圍內(nèi)，通過比較________就可以驗證重錘下落過程中機械能守恒了． (4)設(shè)重錘在下落過程中受到恒定不變的阻力F，則可根據(jù)本實驗數(shù)據(jù)求得阻力F的表達式為________(用題中所給字母m，g，s1，s2，f表示)． 答案：(1)0.978　1.36　(2)0.459　0.447 (3)重力勢能的減小量和動能的增加量相等 (4)mg－m(s2－s1)f2 3．如圖甲所示，用包有白紙的質(zhì)量為1.00kg的圓柱棒替代紙帶和重物，蘸有顏料的毛筆固定在電動機上并隨之轉(zhuǎn)動，使之替代打點計時器．當燒斷懸掛圓柱棒的線后，圓柱棒豎直自由下落，毛筆就在圓柱棒表面的紙上畫出記號，如圖乙所示，設(shè)毛筆接觸棒時不影響棒的運動．測得記號之間的距離依次為26.0mm、42.0mm、58.0mm、74.0mm、90.0mm、106.0mm，已知電動機銘牌上標有“1440r/min”的字樣，由此驗證機械能守恒．根據(jù)以上內(nèi)容，回答下列問題： (1)毛筆畫相鄰兩條線的時間間隔T＝________s，圖乙中的圓柱棒的________端是懸掛端(填“左”或“右”)． (2)根據(jù)乙所給的數(shù)據(jù)，可知毛筆畫下記號C時，圓柱棒下落的速度vC＝________m/s；畫下記號D時，圓柱棒下落的速度vD＝________m/s；記號C、D之間圓柱棒的動能的變化量為______J，重力勢能的變化量為________J(g＝9.8m/s2)．由此可得出的結(jié)論是________．(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案：(1)T＝＝s＝0.042s，左端相鄰筆跡間間距大，故左端是懸掛端． (2)vC＝m/s＝1.2m/s， vD＝m/s＝1.6m/s， ΔEK＝m(vD2－vC2)＝0.53J，ΔEP＝mg＝0.57J， 在誤差允許范圍內(nèi)，圓柱體的機械能是守恒的． 4．一士兵乘飛機巡查，用一部自動照相機在空中攝影，他選好快門開啟的時間間隔1s，鏡頭放大率為，將一蘋果從飛機上自由落下開始到落地的拍攝照片如下圖所示． (1)該地的重力加速度為________m/s2. (2)飛機離地面的高度________m. (3)試根據(jù)此照片驗證機械能守恒定律． 答案：(1)9.8　(2)78.2　(3)見解析 解析：由底片和放大率可得連續(xù)相等時間內(nèi)的位移x1＝4.9m，x2＝14.6m，x3＝24.5m，x4＝34.2m，由Δx＝aT2＝gT2和逐差法得g＝＝9.8m/s2. (2)因飛機離地面的高度是底片上起點和終點間距離的100倍． 所以h＝78.2×10－2×100m＝78.2m (3)取C、O兩點研究 ΔEk＝mv2＝m[]2＝430.7mJ |ΔEp|＝mg·×102＝431.2mJ 在誤差允許范圍內(nèi)ΔEk＝|ΔEp| 所以在只有重力做功的條件下機械能守恒． 5．圖中甲、乙兩圖都是利用“驗證機械能守恒定律”的實驗來測量當?shù)氐闹亓铀俣萭值的裝置示意圖．已知打點計時器的打點頻率為50Hz. (1)這兩圖相比較，用哪個圖所示的裝置實驗較好？簡單說明理由． (2)上圖中的丙是采用較好的裝置并按正確的實驗步驟進行實驗打出的一條紙帶，其中O點為打點的第一個點，標為1，后面依次打下的一系列點跡分別為2、3、4、5…….經(jīng)測量，第15至17點間的距離為11.69cm，第1至第16點間的距離為43.83cm，則打下第16個點時，重物下落的速度大小為________m·s－1.在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，可認為重物在下落的過程中機械能守恒，由此求得重力加速度值為g＝________m·s－2(要求保留3位有效數(shù)字)． 答案：甲圖　2.92m·s－1　9.74m·s－2 解析：(1)用甲圖所示的裝置實驗較好．因為用夾子固定，可以避免乙圖由于手的抖動而造成紙帶上的第1個點跡被拖長和位置不確定的現(xiàn)象．另外由于用夾子固定紙帶，便于紙帶調(diào)整到豎直方向，以避免紙帶與打點計時器(限位孔)之間產(chǎn)生較大的摩擦，而乙圖中用手握住紙帶，難于做到這一點． (2)v16＝＝2.9225(m·s－1)． 由mgh＝mv162，得： g＝＝＝9.74(m·s－2) 注：本題中利用“驗證機械能守恒定律”的實驗來完成測量當?shù)氐闹亓铀俣萭值，這是對教材中實驗方法的拓展．這種拓展，是近年來高考實驗題的變化趨勢．學習中需重視更新實驗情景，變換實驗方式，不斷提高觀察的思維能力．