1.5.验证机械能守恒定律（第2课时） 同步练习-2021-2022学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册（word 含答案）

鲁科版（2019）高一物理必修第二册课时同步练习
第5节第2课时验证机械能守恒定律
一、选择题
1、在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学依据纸带求得相关各点的瞬时速度以及与此相对应的下落距离h，以v2为纵轴，以h为横轴，建立坐标系，描点后画出关系图线，从而验证机械能守恒定律。若所有操作均正确，则得到的v2 h，图像应是图中的( )
A B C D
2、在做“用落体法验证机械能守恒定律”的实验时,除了铁架台、低压交流电源、刻度尺、纸带等实验器材外,还需要的器材是 ( )
A.秒表 B.天平
C.打点计时器 D.弹簧测力计
3、在用“自由落体法”做“验证机械能守恒定律”的实验时，小明选择一条较为满意的纸带，如图甲所示。他舍弃前面密集的点，以O为起点，从A点开始选取纸带上的连续点A、B、C、…，测出O点到A、B、C、…点的距离分别为h1、h2、h3、…，电源的频率为f。
有关本实验，下列操作错误的是（ ）
A．选用质量和密度较大的重物
B．安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上
C．利用公式v＝gt计算重物的速度
D．需使用秒表测出重物下落的时间
4、在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是(　　)
A．实验中不需要天平和刻度尺
B．实验时应先放开纸带，再接通电源
C．打点计时器应接在电压为4～6 V的直流电源上
D．测量下落高度时，选取的各点应距起始点适当远一些
5、(多选)某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验,下列操作步骤中正确的是(　　)
A.把电磁打点计时器固定在铁架台上,并用导线连接到低压交流电源上
B.把连有重锤的纸带穿过限位孔,将纸带和重锤提升到一定高度
C.先释放纸带,再接通电源
D.更换纸带,重复实验,处理数据
6、(多选)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。
对于该实验，下列操作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．用手拿着纸带上端，接通电源后，撒手释放重物
7、(多选)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CE的长度
8、(多选)用自由落体运动验证机械能守恒定律就是看m是否等于mghn(n对应打下的第n个点)。关于该实验的下列说法正确的是 ( )
A.打点计时器打第一个点O时,重物的速度为零
B.hn是计时点n到第一个点O的距离
C.m为重物的质量,需用天平称量
D.可以用vn=gtn计算vn,其中tn=(n-1)T(T为打点周期)
二、非选择题
9、小刚同学用如图所示的实验装置验证“机械能守恒定律”,他进行如下操作:
①用天平测出小球的质量为0.50 kg;
②用游标卡尺测出小球的直径为10.0 mm;
③用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离为82.05 cm;
④电磁铁先通电,让小球吸在其下端;
⑤电磁铁断电时,小球自由下落;
⑥在小球通过光电门时,计时装置记下小球通过光电门所用的时间为2.50×10-3 s,由此可算出小球通过光电门的速度。
(1)由以上测量数据可计算出小球下落到光电门处时重力势能的减少量ΔEp= J,小球动能的变化量ΔEk= J。(g取9.8 m/s2,结果均保留三位有效数字)
(2)从实验结果中发现ΔEp (选填“稍大于”“稍小于”或“等于”)ΔEk,试分析可能的原因: 。
10、某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，当地重力加速度为g＝9.80 m/s2。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图乙所示。纸带上的第一个点记为O，另选连续的三个点A、B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值。回答下列问题(计算结果保留三位有效数字)：
甲 乙
(1)打点计时器打B点时，重物速度的大小vB＝______m/s。
(2)通过分析该同学测量的实验数据，他的实验结果是否验证了机械能守恒定律？简要说明分析的依据。
11、在利用自由落体验证机械能守恒定律的实验中:
图1
图2
(1)下面列举了该实验的几个操作步骤,其中可省略或不正确的操作是 。
A.按照图1所示的装置安装器材
B.用天平测量重物和夹子的质量m
C.将电磁打点计时器接到“6 V”直流电源上
D.先接通电源后再释放纸带,打出一条纸带后,更换纸带,重复多次该步骤
E.选择一条理想的纸带,对其进行测量
(2)如图2所示是实验中测得的一条纸带,A点之后各点间距分别为x1、x2、x3、x4,各相邻点间的时间间隔为T,则B点的速度表达式为vB= 。
(3)若将B点和D点的速度用vB、vD表示,当地重力加速度为g,要验证重物从B点运动到D点的过程中机械能守恒,则需满足关系 。
(4)若实验中阻力的存在不可忽略,验证时将发现物体重力势能的减少量将 (填“大于”“等于”或“小于”)物体动能的增加量。
12、用如图甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒，m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带，0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示。已知m1＝50 g、m2＝150 g，则：(g取10 m/s2，结果保留2位有效数字)
(1)在纸带上打下计数点5时的速度v＝________m/s。
(2)在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝________J，系统势能的减少量ΔEp＝________J，由此得出的结论是________。
(3)若某同学作出的 h图像如图丙所示，则当地的实际重力加速度g＝________m/s2。
13、某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系。
(1)如图(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测量相应的弹簧长度,部分数据如下表。由数据算得劲度系数k= N/m。(g取9.80 m/s2)
砝码质量/g 50 100 150
弹簧长度/cm 8.62 7.63 6.66
图(a)
(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图(b)所示;调整导轨使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小 。
图(b)
(3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度v。释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为 。
(4)重复(3)中的操作,得到v与x的关系如图(c),由图可知,v与x成
关系。由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的 成正比。
图(c)
14、某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为6 V的交变电流和直流电,交变电流的频率为50 Hz。重锤从高处由静止开始下落,重锤拖着的纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律。
甲
(1)他进行了下面几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器件;
B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;
C.用天平测出重锤的质量;
D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;
E.测量纸带上某些点间的距离;
F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能。
其中没有必要进行的步骤是 ,操作不当的步骤是 。(填选项字母)
(2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示,其中O点为起始点,A、B、C、D、E、F为六个计数点。根据纸带上的测量数据,可得出打B点时重锤的速度为 m/s。(保留3位有效数字)
乙
(3)他根据纸带上的数据算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、以h为横轴画出-h图像,应是下列图中的 。
(4)他进一步分析,发现本实验存在较大误差,为此对实验设计进行了改进,用如图丙所示的实验装置来验证机械能守恒定律:通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落,下落过程中经过光电门B时,通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录挡光时间t,用毫米刻度尺测出A、B之间的距离h,用游标卡尺测得小铁球的直径d。重力加速度为g。实验前应调整光电门位置使小铁球下落过程中球心通过光电门中的激光束。小铁球通过光电门时的瞬时速度v= 。如果d、t、h、g满足关系式 ,就可验证机械能守恒定律。
丙
(5)比较两个方案,改进后的方案相比原方案最主要的优点是
。
答案与解析
1、C
解析：若满足机械能守恒，应有v2＝gh，即v2与h成正比，C正确。
2、C
解析:本实验需要测量物体下落的高度来计算重力势能,测定速度来计算物体动能增加量,故还需要用打点计时器。
3、D
解析：为了减小阻力的影响，实验时重物应选择质量大一些、体积小一些的，即密度较大些，故A正确；安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上，从而减小摩擦阻力的影响，故B正确；实验中如果利用v＝gt计算速度，则即认为物体只受重力，则机械能一定守恒，不需要再验证了，故C错误；利用打点计时器可以直接读出下落时间，不需要使用秒表，故D错误。
4、D
解析：实验中不需要测量物体的质量，因此不需要天平，但需要测量纸带上计数点之间的距离，因此需要刻度尺，选项A错误；实验时应先接通电源，后放开纸带，选项B错误；打点计时器应接在交流电源上，选项C错误；为减小偶然误差，选取的各点应距起始点适当远一些，选项D正确．
5、ABD
jx :在做“验证机械能守恒定律”的实验时,应先接通电源,后释放纸带,以保证打第一个点时纸带的速度为0,故选项C错误,A、B、D均正确。
6、ABD
解析：(1)重物选用质量和密度较大的金属锤，这样能减小空气阻力的影响，从而减小实验误差，故A正确；为了减小纸带与限位孔之间的摩擦，两限位孔必须在同一竖直线上，两限位孔在同一竖直面内上下对正，从而减小实验误差，故B正确；因在实验中比较的是mgh、mv2的大小关系，故m可约去，不需要测量重物的质量，故C错误；释放重物前，应先接通电源，故D正确。
7、BCD
解析：当知道OA、AD和EG的长度时，无法算出某点的速度和O点到该点的距离，故A错误；当知道OC、BC和CD的长度时，能计算出C点的速度，从而求出O点到C点的动能变化量，知道OC的长度，可以求出O点到C点重力势能的变化量，可以验证机械能守恒，故B正确；知道BD的长度可以求出C点的速度，根据EG的长度可以求出F点的速度，结合CF的长度，可以验证机械能守恒定律，故C正确；知道AC的长度可以求出B点的速度，知道CE的长度可以求出D点的速度，结合BD的长度，可以验证机械能守恒定律，故D正确。
8、AB
解析：实验的原理就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。hn与vn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,vn应利用纸带上的数据求出,若用vn=gtn求vn则已默认机械能守恒了,验证实验也就变得无意义了。本实验中,不需要测量重物的质量,因为公式mghn=m的两边都有m,故只要ghn=成立,则mghn=m就成立,机械能守恒定律也就被验证了,故选项A、B正确,C、D错误。
9、答案：(1)4.02　4.00　
(2)稍大于　空气阻力的影响或高度测量中忽略了小球的尺度等
解析：(1)小球重力势能减少量ΔEp=mgh=0.5×9.8×0.820 5 J=4.02 J;小球通过光电门的平均速度为v== m/s=4 m/s,小球的动能变化量ΔEk=mv2=4.00 J。(2)从实验结果中发现ΔEp稍大于ΔEk,原因是空气阻力的影响或高度测量中忽略了小球的尺度等。
10、解析：(1)由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度可知vB＝，由电源频率为50 Hz可知T＝0.02 s，代入数据解得vB＝3.90 m/s。
(2)本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律，只要在误差允许范围内，重物重力势能的减少量等于其动能的增加量，即可验证机械能守恒定律。选B点分析，由于mv≈7.61m，mghB≈7.70m，故该同学的实验结果近似验证了机械能守恒定律。
答案：(1)3.90
(2)验证了机械能守恒定律 依据为≈7.61(m/s)2，ghB≈7.70(m/s)2，因为mv≈mghB，近似验证了机械能守恒定律。
11、答案：(1)BC
(2)
(3)mg(x2+x3)=m(-)
(4)大于
解析：(1)按照图1所示的装置安装器材,A正确,不符合题意;动能的增加量及重力势能的减少量表达式中均包含质量,故不用测量重物和夹子的质量,B错误,符合题意;电磁打点计时器使用的是交流电源,C错误,符合题意;先接通电源后再释放纸带,打出一条纸带后,更换纸带,重复多次该步骤,D正确,不符合题意;选择一条理想的纸带,对其进行测量,E正确,不符合题意。
(2)B点的速度表达式为vB=。
(3)若重物从B点运动到D点的过程机械能守恒,则减小的重力势能等于增大的动能,即
mg(x2+x3)=m(-)。
(4)由于空气阻力及摩擦阻力的作用,物体重力势能的减少量大于动能的增加量。
12、解析：(1)根据在匀变速直线运动中，时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度，可知打计数点5时的速度为
v＝＝＝2.4 m/s。
(2)物体的初速度为0，所以动能的增加量为
ΔEk＝(m1＋m2)v2－0＝0.58 J
重力势能的减少量等于物体重力做的功，故
ΔEp＝W＝(m2－m1)gs05＝0.60 J
在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒。
(3)本题中根据机械能守恒可知
(m1＋m2)v2＝(m2－m1)gh
即有 v2＝gh
所以作出的 v2 h图像中，图线的斜率表示重力加速度的一半，由题图丙可知图线的斜率
k＝4.85 m/s2
故当地的实际重力加速度
g＝2k＝9.7 m/s2。
答案：(1)2.4
(2)0.58　0.60　在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒
(3)9.7
13、答案：(1)50
(2)相等　
(3)滑块的动能　
(4)正比　压缩量的二次方
解析：(1)由k== N/m=50 N/m。
(2)要调整气垫导轨水平,使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小相等。
(3)根据机械能守恒定律,释放滑块后,弹簧的弹性势能转化为滑块的动能。
(4)由题图可知,x与v成正比,即v=kx,由Ep=Ek=mv2=mk2x2,因此弹簧的弹性势能与弹簧的压缩量的二次方成正比。
14、答案：(1)C　B
(2)1.84
(3)C
(4)　d2=2ght2
(5)消除了纸带与打点计时器间的摩擦影响,提高了测量的精确度,从而减小了实验误差
解析：(1)要验证机械能守恒定律,需要验证mv2=mgh,则只需验证v2=2gh即可,故不需要测出重锤的质量,所以没有必要进行的步骤是C,打点计时器只能使用交流电源,故操作不当的步骤是B。
(2)由运动学公式可知,B点的速度vB==×10-2 m/s≈1.84 m/s。
(3)由关系式v2=2gh可知,-h图像应是过原点的倾斜直线,故选C。
(4)小铁球通过光电门的时间很短,故可用小铁球经过光电门的平均速度近似求出小铁球通过光电门的瞬时速度,即v=,代入v2=2gh可得d2=2ght2。
(5)原方案产生误差的原因是空气阻力和纸带与限位孔之间的摩擦力影响,因此实验进行改进后的主要优点是没有纸带与打点计时器间的摩擦影响,实验误差减小了。