第4章　机械能及其守恒定律 分层作业22　验证机械能守恒定律--2025粤教版高中物理必修第二册同步练习题

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2025粤教版高中物理必修第二册
分层作业22　验证机械能守恒定律
A组 必备知识基础练
　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.(多选)(2024广东揭阳学业考试)“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示.关于该实验,下列说法正确的是(　　)
A.固定打点计时器时,其限位孔必须在同一竖直面内
B.手抓纸带的位置越靠近打点计时器越好
C.实验中,必须测出重锤的质量
D.实验中,应先接通电源,再释放纸带
2.(2024湖南岳阳学业考试)某同学利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律.
(1)实验的原理是:通过比较重物自由下落时在某两点间动能的变化与　　　　　的变化是否相等,验证重物的机械能是否守恒.
(2)操作该实验时,其中一个重要的步骤是接通电源释放纸带,则如图所示操作中合理的是　　　.
3.如图为“用DIS研究机械能守恒定律”的实验装置图,将一传感器先后分别固定在竖直板上的D、C和B三点,最低点D作为参考平面.逐次将摆锤从A点自由释放,分别测出摆锤经过D、C和B点时的速度.
(1)实验中使用的传感器是　　　　　传感器.
(2)已知摆锤的直径为Δs,由传感器测出摆锤通过传感器时的挡光时间为Δt,则摆锤经过传感器时的速度大小为　　　　　.
B组 关键能力提升练
4.(2024广东梅州期末)某同学用如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律.
(1)铁架台放在水平台面上,上端固定电磁铁,电磁铁正下方安装一个位置可上下调节的光电门.
(2)某同学进行如下操作:
①用天平测定小钢球的质量为m=10 g;
②用仪器测出小钢球的直径为d;
③接通电磁铁的开关,让小钢球吸在下端;
④刻度尺的“0”刻度线正对着小球的球心,测出小球与光电门间的高度差为h,如图乙中的标注线,则高度差h=　　　　 cm;
⑤电磁铁断电,小钢球自由下落;
⑥小钢球经过光电门,计时装置记下小钢球经过光电门所用时间为t,由此可计算出小钢球经过光电门时的速度为v=　　　　　　(用题中给出的物理量符号表示);
⑦若测得d=9.70 mm,t=2.50×10-3 s,计算此过程中小钢球重力势能的减少量为　　　 J,小钢球动能的增加量为　　　　 J(重力加速度g取9.8 m/s2,结果均保留3位有效数字);
(3)该同学分析实验数据,发现小钢球动能的增加量总是小于小钢球的重力势能减少量,请简要说明可能原因　　　　　　　　　　　　　　　　.
5.(2024广东广州期末)实验小组用“自由落体法”验证机械能守恒定律,实验装置如图甲.
甲
(1)下列操作或分析中正确的有　　　　.
A.必须要称出重物的质量
B.计时器两限位孔必须在同一竖直线上
C.实验时,应先释放重物,再打开电源
D.选择点迹清晰的纸带
(2)小芳同学选出一条清晰的纸带如图乙,其中O点为计时器打下的第一个点,A、B、C为纸带上三个连续的点,O点与A点间其余点未画出,打点计时器打点周期为T,测得OA、OB、OC间的距离分别为h1、h2、h3,重力加速度为g,若对B点进行研究,在误差允许的范围内,当满足　　　　　　　　时(用所给物理符号的等式表示),则验证了机械能守恒定律.
乙
(3)小华同学利用他自己实验时打出的纸带,测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h,算出了各计数点对应的速度v以及v2,请根据下表中数据在图丙中作出v2-h图像.
v/(m·s-1) 0.98 1.17 1.37 1.56 1.85 1.95
v2/(m2·s-2) 0.96 1.37 1.88 2.43 3.42 3.80
h/10-2 m 4.92 7.02 9.63 12.50 15.68 19.48
丙
(4)小芳、小华两同学验证的方法谁更合理 　　　　　　　.
(5)请简要阐述根据v2-h图像验证机械能守恒的依据 　.
C组 核心素养拔高练
6.(2024广东佛山期末)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.他找来了带有刻度尺的气垫导轨,实验前通过调节底座螺丝使气垫导轨水平.实验步骤如下:
甲
(1)测出遮光条的宽度为d,滑块(含遮光条)的质量为m;
(2)如图甲,将弹簧的左端固定在挡板上并连接力传感器,右端与带有遮光条的滑块刚好接触但不连接.在导轨上弹簧原长位置处固定光电门,位置坐标记为x0.现让滑块压缩弹簧至P点并锁定,P点位置标记为x1,并记录弹簧压缩量的数值x=　　　　　和力传感器的读数F;
(3)将光电门连接计时器,解除弹簧锁定,滑块被弹开并沿导轨向右滑动,计时器记录遮光条通过光电门的时间Δt,根据机械能守恒定律可得弹簧的弹性势能Ep=　　　　　;
(4)改变P点的位置,多次重复步骤(2)、(3),得到与x的关系如图乙.由图可知,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;
(5)该同学还根据上述实验数据作出F-x图像,如图丙所示,还可以求出弹簧的劲度系数k=　　　　　 N/m(计算结果保留两位有效数字).
分层作业22　验证机械能守恒定律
1.AD　解析 为了减少纸带与打点计时器之间的摩擦,固定打点计时器时,其限位孔必须在同一竖直面内,故A正确;为了充分利用纸带,应用手抓纸带的上端,且离打点计时器远一些,使重锤靠近打点计时器,实验中,应先接通电源,再释放纸带,故B错误,D正确;由于验证机械能守恒的表达式中,重锤的质量可以约去,所以不需要测出重锤的质量,故C错误.
2.解析 (1)由于重物自由下落时,重力势能转化为动能,即重力势能减少量等于动能的增加量,因此实验的原理是:通过比较重物自由下落时在某两点间动能的变化与重力势能的变化是否相等,验证重物的机械能是否守恒.
(2)由图可知,A、B操作时会增大纸带与打点计时器间的摩擦力,增大实验误差,A、B操作不合理;C操作时,纸带不会得到充分利用,纸带上得到的数据较少,计算时会产生误差,C操作不合理;D操作时,不会增大纸带与打点计时器间的摩擦力,纸带会得到充分利用,纸带上得到的数据较多,D操作合理.
答案 (1)重力势能　(2)D
3.解析 (1)本实验,采用光电门传感器来测量瞬时速度.
(2)因为摆锤通过光电门的时间极短,所以利用极短时间的平均速度代替瞬时速度,所以通过传感器速度大小为v=.
答案 (1)光电门　(2)
4.解析 (2)④刻度尺的最小分度为0.1 cm,由图乙可知h=78.00 cm.
⑥小钢球经过光电门时的速度为v=.
⑦小钢球重力势能的减小量ΔEp=mgh=10×10-3×9.8×78.00×10-2 J=0.076 4 J,小钢球动能的增加量为ΔEk=mv2=×0.01× J=0.075 3 J.
(3)由于小钢球下落过程中克服阻力做功,使小钢球动能的增加量总是小于小钢球的重力势能减少量.
答案 (2)④78.00　⑥　⑦0.076 4　0.075 3　(3)小钢球下落过程中克服阻力做功
5.解析 (1)因为比较mgh、mv2的大小关系,m可约去,不需要测量重物的质量,A错误;为了减小纸带与限位孔之间的摩擦力,图甲中两限位孔必须在同一竖直线,B正确;实验时,应先打开电源,再释放重物,C错误;应选取点迹清晰的纸带,D正确.
(2)根据机械能守恒定律得mgh2=,vB=,解得gh2=.
(3)图像如图所示
(4)小华同学采用的实验数据多,且舍去了误差较大的数据,误差较小,所以小华的实验方法更合理.
(5)根据机械能守恒定律得mgh=mv2,解得v2=2gh,图像的斜率为k=2g,如果图像是一条通过原点的、斜率为2g的直线,可以验证机械能守恒.
答案 (1)BD　(2)gh2=(h3-h1)2　(3)见解析　(4)小华　(5)见解析
6.解析 (2)弹簧压缩量的数值x=x0-x1.
(3)根据机械能守恒定律得Ep=.
(4)由图可知,与x成正比关系;根据Ep=,又因为∝x,所以Ep∝x2,由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧形变量的二次方成正比.
(5)弹簧的劲度系数为k= N/m=50 N/m.
答案 (2)x0-x1　(3)　(4)正比　形变量的二次方　(5)50
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