2024人教版高中物理必修第二册练习题--分层作业25　实验 验证机械能守恒定律（有解析）

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2024人教版高中物理必修第二册
第八章分层作业25　实验:验证机械能守恒定律
甲
1.利用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”实验。
(1)为验证机械能是否守恒,在误差允许范围内,需要比较重物下落过程中任意两点间的　　　　。
A.动能变化量与势能变化量是否相等
B.速度变化量与势能变化量是否相等
C.速度变化量与高度变化量是否相等
(2)为验证机械能是否守恒,除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是　　　　。
A.交流电源 B.刻度尺
C.天平(含砝码)
(3)实验中,先接通电源,再释放重物,得到如图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T,重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中,重物的重力势能变化量ΔEp=　　　　,动能变化量ΔEk=　　　　。
乙
(4)大多数同学的实验结果显示,重力势能的减少量大于动能的增加量,造成这个结果的原因是　　　　。
A.利用公式v=gt计算重物速度
B.利用公式v=计算重物速度
C.存在空气阻力和摩擦阻力的影响
D.没有采用多次实验取平均值的方法
2.(2023湖南常德模拟)某物理兴趣小组同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。使等间距镂空钢尺(空白处即镂空)由静止释放,下落过程中经过光电门时,与光电门相连的计时器可以记录下尺子实心条的挡光时间t,实验前调整钢尺位置使其最下端镂空处对准光电门中的激光束。(已知尺子中未镂空处的实心条宽度为d,当地重力加速度为g)
(1)为了验证机械能守恒定律,下列操作和测量有必要的是　　　　。
A.钢尺保持竖直
B.测出钢尺的质量m
C.测出钢尺的宽度l
D.测出钢尺镂空格的竖直边长h
(2)测出第n条实心条通过光电门的时间为tn,则此时钢尺下落的速度v=　　　　(用题中所列出物理量符号表示)。
(3)测出第2条实心条通过光电门的时间为t2,第5条实心条通过光电门的时间为t5,如果关系式　　　　　　　　　　　　成立,则可验证钢尺在下落过程中机械能守恒。(用测量的物理量表示)
3.(2023吉林白城高一期末)某同学设计了如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。左侧铁架台的横杆上固定了一个拉力传感器,将小球用不可伸长的细线悬挂在传感器上。右侧有两个竖直杆固定在底座上,杆上分别装有可沿竖直杆移动的刻度尺和激光笔,激光笔水平放置。小球的大小可忽略不计。实验步骤如下:
(1)使小球静止在最低点O',调整激光笔的高度,使水平细激光束与小球的底部保持相平,记录此时拉力传感器的示数F0。
(2)调节刻度尺的高度,使零刻线与细激光束保持相平,并固定刻度尺。
(3)将激光笔上移,使水平细激光束经过细线的悬点O,记录刻度尺示数L。
(4)将激光笔移动到与O'高度差为h(h≤L)的位置Q处(如图甲中所示),把小球拉至该处,并使小球的底部与水平细激光束保持相平。由静止释放小球,记录小球下摆过程中拉力传感器的最大示数F。
(5)改变激光笔的高度,重复步骤(4)。
(6)选取题中的F0、L及步骤(4)中的一组数据h和F,验证机械能守恒定律,以O'点所在水平面为参考平面,刚释放小球时,小球的机械能为　　　　(小球的质量用m表示,重力加速度大小为g),若传感器的最大示数F满足F=　　　　　　　(用F0、L、h表示)时,则可验证小球从初始位置摆至O'点的过程中机械能守恒定律成立。
(7)该同学采用图像法处理数据,多次实验得出多组F和h的数据,在坐标纸上作出F-h图像,如图乙所示,若=　　　　,则可验证小球下摆过程中机械能守恒定律成立。
4.英国数学家和物理学家阿特伍德提出的著名力学实验装置——阿特伍德机如图甲所示,用来研究匀变速直线运动的规律。现对该装置加以改进用来“验证机械能守恒定律”。如图乙所示,在物体A上固定宽度为d的挡光片,在挡光片的正上方h处固定一光电门,将物体A由静止释放。已知物体A与挡光片的总质量为m1,物体B质量为m2,m2>m1,取重力加速度为g。
(1)光电门记录下挡光片挡光时间为Δt(此时物体B未落地),则物体A到达光电门时两物体的速度大小为　　　。
(2)物体A从开始运动到到达光电门的过程中,物体A的机械能增加量ΔEA=　　　　;物体B的机械能减少量ΔEB=　　　　;只需要证明在误差允许范围内ΔEA=ΔEB,就可以证明物体A、B组成的系统机械能守恒。(用题中所给物理量符号表示)
5.某同学设计了如图所示的装置来“验证机械能守恒定律”。将量角器竖直固定在铁架台上,使直径边水平,将小球通过一段不可伸长的细线固定到量角器的圆心O处,在铁架台上O点正下方安装光电门(图中未画出),实验时,让小球在紧贴量角器的竖直平面内运动,调整好光电门,使小球的球心刚好能通过光电门的细光束。
(1)以下列举的物理量中,本实验必须测量的物理量有　　　　(填选项前的字母)。
A.小球的质量m
B.小球的直径d
C.细线的长度L
D.小球的运动周期T
(2)图中细线偏离竖直方向的初始偏角为　　　　。
(3)实验时,将小球拉开,使细线与竖直方向偏离一定的角度θ,将小球由静止释放,测出小球通过光电门的时间t,则小球通过最低点时的速度为　　　　;如果这一过程中小球的机械能守恒,则题中各物理量应遵循的表达式为　　　　　　　　　　。
(4)多次实验,由实验数据作出了-cos θ图线,则实验所得的图线应该是　　　　。
分层作业25　实验:验证机械能守恒定律
1.答案 (1)A　(2)AB　(3)-mghB　m()2　(4)C
解析 (1)根据机械能守恒定律,需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差允许的范围内是否相等,故选A。
(2)打点计时器需接交流电源,实验需要用刻度尺测量点迹间的距离。实验中验证动能的增加量和重力势能的减少量是否相等,质量可以消去,故A、B正确。
(3)由功能关系可知,从打O点到打B点的过程中,重物的重力势能变化量ΔEp=-mghB,由匀变速运动规律,中间时刻的瞬时速度等于平均速度关系可知,动能变化量ΔEk=m()2。
(4)由于纸带在下落过程中,重物和空气之间存在阻力,纸带和打点计时器之间存在摩擦力,所以减小的重力势能一部分转化为动能,一部分克服空气阻力和摩擦力做功,故重力势能的减少量大于动能的增加量,故选C。
2.答案 (1)AD　(2)　(3)6g(h+d)=
解析 (1)钢尺保持竖直状态才能有效测出钢尺下落的速度,故A正确;测出钢尺镂空格的竖直边长h才能知道钢尺下落的距离,故D正确;验证机械能守恒定律不需要知道钢尺的质量,且与钢尺的宽度无关,故B、C错误。
(2)用平均速度表示瞬时速度,此时钢尺下落的速度v=。
(3)由机械能守恒定律有mgΔh=,其中Δh=3(h+d),代入可得6g(h+d)=。
3.答案 (6)mgh　F0　(7)3
解析 (6)以O'点所在水平面为参考平面,刚释放小球时,小球的机械能为E=mgh,若小球从初始位置摆至O'点的过程中机械能守恒定律成立,设小球摆至O'点时的速度为v,则有mgh=mv2,小球摆至O'点时细线拉力最大等于此时传感器最大示数为F,由牛顿第二定律可得F-mg=m,小球静止在最低点O'时,有mg=F0,解得F=F0。
(7)由F=F0变形为F=h+F0,F-h图像的斜率,可得a-b=2F0,F-h图像的纵截距b=F0,解得a=3F0=3b,即=3,可验证小球下摆过程中机械能守恒定律成立。
4.答案 (1)
(2)m1gh+m1()2　m2gh-m2()2
解析 (1)物体A到达光电门时两物体的速度大小为vA=。
(2)物体A从开始运动到到达光电门的过程中,物体A的机械能增加量ΔEA=m1gh+m1=m1gh+m1()2,物体B的机械能减少量ΔEB=m2gh-m2=m2gh-m2()2,只需要证明在误差允许范围内ΔEA=ΔEB,就可以证明物体A、B组成的系统机械能守恒。
5.答案 (1)BC　(2)30°
(3)=g(L+)(1-cos θ)　(4)C
解析 (1)本实验要验证机械能守恒定律的关系式为mg(L+)(1-cos θ)=mv2,且v=
联立可得g(L+)(1-cos θ)=,所以本实验必须测量的物理量有细线长L、小球直径d,选项B、C正确。
(2)由题图可知,图中细线偏离竖直方向的初始偏角为30°。
(3)小球直径为d,通过光电门的时间为t,所以通过光电门时的速度为;若这一过程中小球的机械能守恒,则题中各物理量应遵循的表达式为g(L+)(1-cos θ)=。
(4)由关系式g(L+)(1-cos θ)=,可得=-·cos θ+,所以-cos θ图线是一条倾斜的直线,斜率为负,截距为正,选项C正确。
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