验证机械能守恒定律实验测试题及解析

1、1 验证机械能守恒定律实验测试题及解析1.某同学用如图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 可由计时器测出，取 vdt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 ep与动能变化大小 ek，就能验证机械能是否守恒。(1)用 epmgh 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

2、钢球在a 点时的球心c钢球在a 点时的底端(2)用 ek12mv2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。(3)下表为该同学的实验结果： ep(102 j)4.8929.78614.6919.5929.38 ek(102 j)5.0410.115.120.029.8 他发现表中的 ep与 ek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)高度变化要比较钢球球心的高度变化。(2)毫米刻度尺读

3、数时要估读到毫米下一位，读数为1.50 cm，由 vdt代入数据可得v1.50 m/s。(3)从表中数据可知 ek ep，若有空气阻力，则应为 ek ep，所以不同意他的观点。(4)实验中遮光条经过光电门时的速度大于钢球经过a 点时的速度，因此由 ek12mv2计算得到的 ek偏大，要减小 ep与 ek的差异可考虑将遮光条的速度折算为钢球的速度。答案： (1)b(2)1.50(1.49 1.51 均可 )1.50(1.491.51 均可 )(3)不同意，因为空气阻力会造成 ek小于 ep，但表中 ek大于 ep。(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度l 和 l，计算 ek时，将 v 折2 算成

4、钢球的速度vllv。2某实验小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律，实验主要步骤如下：将光电门安装在固定于水平地面上的长木板上；将细绳一端连在小车上，另一端绕过两个定滑轮后悬挂一钩码，调节木板上滑轮的高度，使该滑轮与小车间的细绳与木板平行；测出小车遮光板与光电门之间的距离l，接通电源，释放小车，记下小车遮光板经过光电门的时间t；根据实验数据计算出小车与钩码组成的系统动能的增加量和钩码重力势能的减少量。(1)根据上述实验步骤，实验中还需测量的物理量有_。a小车上遮光板的宽度db小车的质量m1c钩码的质量m2d钩码下落的时间t(2)由实验步骤和 (1)选项中测得的物理量，可得到系统动能增加量的表

5、达式为_，钩码重力势能减少量的表达式为_。改变l 的大小，重复步骤、，若在误差范围内，系统动能的增加量均等于钩码重力势能的减少量，说明该系统机械能守恒。解析： 小车通过光电门的瞬时速度vdt，则系统动能的增加量 ek12(m1m2)v2m1m2d22t2，钩码重力势能的减小量 ep m2gl，可知还需要测量的物理量有小车上遮光板的宽度d、小车的质量m1、钩码的质量m2，故 a、 b、c 正确， d 错误。答案： (1)abc(2) ekm1 m2d22t2 epm2gl3.(2020揭阳模拟 )用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能。将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在o 点；在o 点右侧

6、的b、c 位置各安装一个光电门，计时器(图中未画出 )与两个光电门相连。先用米尺测得b、c 两点间距离s，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置a，由静止释放，计时器显示遮光片从b 到c 所用的时间为t，用米尺测量a、o 之间的距离x。(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是v_。(2)为求出弹簧的弹性势能，还需要测量_。 (选填字母序号) 3 a弹簧原长b当地重力加速度c滑块 (含遮光片 )的质量(3)若气垫导轨左端比右端略高，弹性势能的测量值与真实值比较将_。(选填字母序号) a偏大b偏小c相等解析：(1)滑块离开弹簧后的运动可视为匀速运动，故可以用bc 段的平均速度表示滑块离开弹簧时的速

7、度，则有vst。(2)由系统机械能守恒可知弹簧的弹性势能等于滑块增加的动能，故应求解滑块的动能，根据动能表达式 ek12mv2可知，应测量滑块的质量，故a、b 错误， c 正确。(3)若气垫导轨左端比右端略高，导致通过两光电门的时间将减小，那么测得速度偏大，因此弹性势能的测量值也偏大，故a 正确， b、c 错误。答案： (1)st(2)c(3)a 4.(2020潍坊模拟 )在“验证机械能守恒定律”的实验中，一实验小组让小球自倾角为30 的斜面上滑下，用频闪相机记录了小球沿斜面下滑的过程，如图所示，测得b、c、d、e 到 a 的距离分别为s1、s2、s3、s4，已知相机的频闪频率为f，重力加速度

8、g 取 9.8 m/s2。(1)滑块经过位置d 时的速度vd_。(2)选取 a 为位移起点，根据实验数据作出v2-s 图线，若图线斜率k_，则小球下滑过程机械能守恒。(3) 若 改 变 斜 面 倾 角 进 行 实 验 ， 请 写 出 斜 面 倾 角 大 小 对 实 验 误 差 的 影 响 ：_ 。解析： (1) 根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可以求出d 点的速度为vdsce2ts4s22f。(2)若减小的重力势能等于增加的动能时，则机械能守恒，故mgh12mv2，即 gssin 30 12v2，解得 v2gs，根据实验数据作出v2-s 图线，若图线斜率kg 9.8 m/s2，则

9、小球下滑过程机械能守恒。(3)小球的动能增加量 ek总是稍小于重力势能减少量 ep，主要原因是该过程中有阻力做功，使小球的一部分重力势能转化为内能；当斜面倾角越大，压力减小，则摩擦阻力变小，因此阻力做功越少，则误差越小。答案： (1)s4s22f(2)9.8(3)斜面倾角越大，误差越小5.某同学利用如图所示装置来验证机械能守恒定律。a、b 是质量均为m 的小物块， c 是质量为m 的重物， a、b 间由轻弹簧相连，a、c 间由轻质细绳相连。在物块b 下放置一压力传感器，重物c 下放置4 一速度传感器，压力传感器与速度传感器相连。整个实验中弹簧均处于弹性限度内，重力加速度大小为g。实验操作如下：

10、a开始时，系统在一外力作用下保持静止，细绳拉直但张力为零。现释放 c，使其向下运动，当压力传感器示数为零时，速度传感器测出c 的速度为 v。b在实验中保持a、b 质量不变，改变c 的质量 m，多次重复步骤a。回答下列问题：(1)该实验中， m 和 m 大小关系必须满足m_m(选填“小于”“等于”或“大于”)。(2)为便于研究速度v 与质量 m 的关系，每次测 c 的速度时，c 已下降的高度应_(选填“相同”或“不同” )。(3) 根据所测数据，为更直观地验证机械能守恒定律，应作出_(选填“ v2-m”“ v2-1m”或“v2-1mm”)图线。(4)根据 (3)中的图线，若图线在纵轴上的截距为b

11、，则弹簧的劲度系数为_(用题给的已知量表示)。解析： (1)实验过程中需要测定压力传感器示数为零时，c 向下运动的速度v，所以必须满足mm。(2)因刚开始时弹簧被压缩，弹力大小为mg，而压力传感器示数为零时，弹簧被拉伸，弹力大小仍为mg，弹簧的形变量xmgkmgk2mgk，不论 c 的质量如何， 测 c 的速度时， c 已下降的高度相同，为2mgk。(3)由题意可知弹性势能在始、末状态相同，为此只需验证12(mm)v2 (mm)gx，化简得v24mgx1mm2gx，所以应作v2-1mm图线。(4)由题意知 b2gx，而 x2mgk，联立得 k4mg2b。答案： (1)大于(2)相同(3)v2-

12、1mm(4)4mg2b6某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器a、b，滑块 p 上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连。滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器a、b 时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压u 随时间 t 变化的图像。5 (1)实验前，接通气源，将滑块 (不挂钩码 )置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的 t1_ t2(选填“”“”或 “”)时，说明气垫导轨已经水平。(2)用游标卡尺测遮光条宽度d，测量结果如图丙所示，则d_ mm。(3

13、)滑块 p 用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与钩码q 相连，钩码 q 的质量为m。将滑块 p 由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图像如图乙所示，若 t1、 t2和 d 已知，要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒，还应测出_(写出物理量的名称及符号)。(4)若上述物理量间满足关系式_，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。解析： (1)实验前，接通气源，将滑块(不挂钩码 )置于气垫导轨上，轻推滑块，当题图乙中的 t1 t2时，说明滑块已经匀速运动，说明气垫导轨已经水平。(2)用游标卡尺测遮光条宽度d，则 d5.0 mm。(3)滑块经过两个光电门的速度分别为：d t2和d t1，

14、钩码重力势能的减少量为mgl，要验证的关系是mgl12(mm)d t2212(mm)d t12，故还应测出滑块(含遮光条 )的质量 m 和两光电门间距离l。(4)若上述物理量间满足关系式mgl12(mm)d t2212(mm)d t12，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。答案： (1)(2)5.0 (3)滑块 (含遮光条 )的质量 m 和两光电门间距离l(4)mgl12(m m)d t2212(mm)d t127如图甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验。有一直径为d、质量为 m 的金属小球由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(h? d)，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。则：6 (1)如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径d_cm。(2)多次改变高度h，重复上述实验，作出1t2随 h 的变化图像如图丙所示，当图中已知量t0、h0和重力加速度g 及小球的直径d 满足以下表达式：_时，可判断小球下落过程中机械能守恒。(3)实验中发现动能增加量 ek总是稍小于重力势能减少量 ep，增加下落高度后，则 ep ek将