2019-2020学年粤教版必修2 4.5验证机械能守恒定律 达标作业（解析版)

4.5验证机械能守恒定律
达标作业（解析版)
1．某同学从实验室天花板处自由释放一钢球，用频闪摄影手段验证机械能守恒．频闪仪每隔相等时间短暂闪光一次，照片上记录了钢球在各个时刻的位置．
(1)操作时比较合理的做法是___________．
A．先打开频闪仪再释放钢球 B．先释放钢球再打开频闪仪
(2)频闪仪闪光频率为f，拍到整个下落过程中的频闪照片如图(a)，结合实验场景估算f可能值为
A．0.1HZ B．1Hz C．10Hz D．100Hz
(3)用刻度尺在照片上测量钢球各位置到释放点O的距离分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8及钢球直径，重力加速度为g．用游标卡尺测出钢球实际直径D，如图(b)，则D=_______cm．已知实际直径与照片上钢球直径之比为k．
(4)选用以上各物理量符号，验证从O到A过程中钢球机械能守恒成立的关系式为：2gs5=______________．
2．在利用如图所示的实验装置“验证机械能守恒定律”的实验中：
(1)研究对象是做自由落体的重物，除下述器材：铁架台、电磁打点计时器、纸带、重物、夹子外，还要用下列器材___________________________．
(2)处理数据时，本实验需要验证，选择纸带的要求是______________；
(3)实验中得到一条纸带如图所示，打点周期为T，O点是打下的第一个点，当打点计时器打点C时，物体的动能表达式为Ek=_______，物体势能减少量大小的表达式为△Ep=________．若等式_________成立，则验证了机械能守恒定律．
3．（1）物理实验经常需要测量，以下用于测量时间的仪器是_________
（2）在下列学生分组实验中，利用控制变量思想进行研究的是______
A．研究平抛运动 B．探究求合力的方法
C．探究功与速度变化的关系 D．探究加速度与力、质量的关系
（3）在“验证机械能守恒定律”实验中，得到一条纸带，取连续打出的点A、B、C、D作为计数点，各点间的距离如图所示。若打点计时器所用电源频率为50Hz，则打C点时纸带运动的速度为__________m/s。（保留3位有效数字）
4．利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示．水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上 有一装有长方形挡光片的滑块，滑块与挡光片的总质量为M，滑块左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳和一 质量为m的小球相连．导轨上的B点有一光电门，可以测量挡光片经过光电门的时间t．实验时滑块由A 处静止释放，用L表示AB两点间的距离，d表示挡光片的宽度．
（1）某次实验导轨的倾角为，设重力加速度为g，则滑块从A点到通过B点时m和M组成的系统的动能增加量 =_____________________，系统的重力势能减少量 =________________，在误差允许的范围内，若 =，则可认为系统的机械能守恒．
（2）设滑块经过B点的速度为v，某同学通过改变A、B间的距离L，测得倾角 =37°时滑块的v2-L的关系如图乙所示，并测得M=0.5m，则重力加速度g=________m/s2 （结果保留两位有效数字）．
5．某同学利用如图甲所示的装置来验证“机械能守恒定律”。将宽度为d的挡光片（质量不计）水平固定在物体A上，将物体由静止释放，让质量较大的物体B通过细线和滑轮带着A—起运动，两光电门间的高度差为h，挡光片通过光电门1、光电门 2的时间分别为t1、t2，A、B两物体的质量分别为mA、mB，已知当地的重力加速度为g。回答下列问题。
（1）该同学用游标卡尺测挡光片的宽度时，测量情况如图乙所示，则挡光片的宽度d=________mm。
(2)由于没有天平，不能直接测出两物体的质量，该同学找来了一个质量为m0的标准砝码和一根弹簧，将标准砝码、物体A和物体B分别静止悬挂在弹簧下端，用刻度尺测出弹簧的伸长量分别为x0、xA、xB，则A、B两物体的质量分别为mA=____，mB=____。?
(3)若系统的机械能守恒，则应满足关系式=________。?
(4)若保持物体A的质量mA不变，不断增大物体B的质量mB，则物体A的加速度大小a的值会趋向于____。
6．利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。
（1）为验证机械能是否守恒，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 B．速度变化量和势能变化量
C．速度变化量和高度变化量
（2）除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、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。设重物的质量为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＝__________。
（4）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，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
7．如图甲所示，用落体法验证机械能守恒定律，打出如图乙所示的一条纸带，已知交流电的周期为0.02s。
（1）根据纸带所给数据，打下C点时重物的速度为________m/s。（结果保留三位有效数字）
（2）某同学选用两个形状相同，质量不同的重物a和b进行实验，测得几组数据，画出图象，并求出图线的斜率k，如图乙丙所示，由图象可知a的质量m1 ________b的质量m2。（选填“大于”或“小于”）
（3）通过分析发现造成k2值偏小的原因是实验中存在各种阻力，已知实验所用重物的质量m2＝0.052 kg，当地重力加速度g＝9.78 m/s2，求出重物所受的平均阻力f ＝______N。（结果保留两位有效数字）
8．如图，气垫导轨上滑块的质量为M，钩码的质量为m，遮光条宽度为d，两光电门间的距离为L，气源开通后滑块在牵引力的作用下先后通过两个光电门的时间为△t1和△t2．当地的重力加速度为g．
（1）用上述装置测量滑块加速度的表达式为______（用已知量表示）；
（2）用上述装置探究滑块加速度a与质量M及拉力F的关系，要使绳中拉力近似等于钩码的重力，则m与M之间的关系应满足_________；
（3）用上述装置探究系统在运动中的机械能关系，滑块从光电门1运动到光电门2的过程中满足关系式_________时（用已知量表示），系统机械能守恒．若测量过程中发现系统动能增量总是大于钩码重力势能的减少量，可能的原因是_________．
9．在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m=1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示。O为打下的第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取连续点中的三个点。已知打点计时器每隔0.02s打一个点，当地的重力加速度为g=9.80m/s2，那么：
（1）根据图上所得的数据，应取图中O点到______点来验证机械能守恒定律。
（2）从O点到（1）问中所取的点，重物重力势能的减少量△Ep=______J，动能增加量△Ek=______J（结果保留三位有效数字）。
（3）测出纸带上所有各点到O点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v及物体下落的高度h，若以为纵轴，以h为横轴，画出的图象如图所示，能否仅凭图象形状判断出重物下落过程中机械能守恒。______（填“能”或“不能”）
10．用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，质量为m=1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点．现选取一条符合实验要求的纸带，如图所示，O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的三个连续点（其它点未画出）．已知打点计时器每隔0.02s打一个点，重力加速度g=9.8m/s2 ． 那么：
①根据图所得数据，应该选取图中O点和________点来验证机械能守恒定律；
②所选取的点的瞬时速度为________?m/s．（结果取三位有效数字）
③从O点到所选取的点，重物的动能增加量△Ek=________J．（结果取三位有效数字）
11．某同学用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”实验，在接通电源、释放纸带之前的情形如图甲所示，已知铁架台置于水平桌面上，打点计时器竖直，图甲是释放纸带瞬间的照片，指出其装置或操作中一处不合理的地方。__________________________________。为完成本实验，除了图甲所示的装置外，还需要图乙中的什么器材________________。(写出器材名称)
12．气垫导轨上安装有两个间距为L的光电传感器A、B，滑块P上固定一遮光条，P与遮光条的总质量为M，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变化的图象。
（1）实验前，按通气源，将滑块（不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的Δt1______Δt2（选填“＞”“＝”或“＜”）时，说明气垫导轨已经水平。
（2）用螺旋测微器测遮光条宽度d，测量结果如图丙所示，则d＝_______mm。
（3）将滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码Q相连，将滑块P由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图象如图乙所示。利用测定的数据，当关系式＝__________成立时，表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。（重力加速度为g，用题中给定的物理量符号表达）
参考答案
1．A C 4.55
【解析】
【详解】
（1）为了记录完整的过程，应该先打开闪频仪再释放钢球，A正确；
（2）天花板到地板的高度约为3m，小球做自由落体运动，从图中可知经过8次闪光到达地面，故有，解得，即，C正确；
（3）游标卡尺的读数为；
（4）到A点的速度为，根据比例关系可知，到A点的实际速度为，因为小球下落实际高度为，代入可得；
2．刻度尺，低压交流电源 点迹清晰，第1、2两点间距离接近2mm
【解析】
【详解】
(1)[1]实验时我们要测和速度，根据原理分析需要的实验器材，除列出的器材外，还要打点计时器的电源：低压交流电源，和测下落高度和位移时需要的：刻度尺；
(2)[2]处理数据时，本实验需要验证，因为初速度为零，加速度为的匀加速直线运动，在0.02s内的位移为2mm，所以选用点迹清晰，第一、二两点间的距离接近2mm的纸带来处理数据；
(3)[3]根据匀变速直线运动特点可知：
因此其动能的增加量为：
[4]重力势能的减小量：
[5]需要验证了机械能守恒定律，则需要验证重力势能的减小量与动能的增加量相等，即需要等式成立．
3．BC D 2.39
【解析】
【详解】
（1）[1]．A、天平是测量质量的仪器。故A错误；B、电磁式打点计时器是测量时间的仪器。故B正确；C、电火花打点计时器是测量时间的仪器。故C正确；D、刻度尺是测量长度的仪器。故D错误。
（2）[2]．研究平抛运动利用了等效替代的思想，探究求合力的方法用到了等效替代的思想，探究功与速度变化的关系用到了等效替代的思想，探究探究加速度与力、质量的关系实验中，采用了控制变量法的思想，故D正确，ABC错误。
（3）[3]．C点的速度为：
4． mgL—MgLsin 9.6
【解析】
【详解】
(1)[1]根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知滑块通过B点的瞬时速度：
滑块从A处到达B处时m和M组成的系统的动能的增加量可表示为：
[2]系统的重力势能的减少量可表示为：
(2)[3]根据机械能守恒得:
则：
可以知道图线的斜率：
又因为：
M=0.5m
计算得出
5．2.2 g
【解析】
【详解】
(1) [1]挡光片的宽度:
(2)[2][3]由胡克定律可得：
；,
联立可得：
，
(3)[4]物体B质量较大，B带动A一起运动，若系统机械能守恒则有：
……①
由于挡光片的宽度较小，则可得，物体通过挡光片时的速度大小为：
，
代入①可得：
化简可得：
(4)[4] 物体B质量较大，B带动A一起运动，对于A、B系统有：

则加速度：
保持物体A的质量mA不变，不断增大物体B的质量mB，当mB远大于mA时，
，
则加速度a的值会趋向于g。
6．A AB ΔEp＝－mghB ΔE＝m2 C
【解析】
【详解】
（1）[1]．验证机械能守恒定律原理是看减少的重力势能和增加的动能是否相等，所以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，故选A；（2）[2]．电磁打点计时器使用低压交流电源；需选用刻度尺测出纸带上任意连点见得距离，表示重锤下落的高度；等式两边都含有相同的质量，所以不需要天平秤质量；故选AB；（3）[3][4]．根据功能关系，重物的重力势能变化量的大小等于重力做的功的多少，打B点时的重力势能减小量：
△Ep=-mghB
B点的速度为：
所以动能变化量为：
；
（4）[5]．由于纸带在下落过程中，重锤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，还有一部分要克服空气阻力和摩擦力阻力做功，故重力势能的减少量大于动能的增加量，故C选项正确；
7．2.25 大于 0.031
【解析】
【详解】
第一空.C点的瞬时速度等于BD段的平均速度，则有：
第二空.根据动能定理得：（mg-f）h=mv2则有：，知图线的斜率为：，b的斜率小，知b的质量小，所以a的质量m1大于b的质量m2。第三空.根据动能定理知：（m2g-f）h=mv2则有：
可知：
代入数据解得：f=0.031N。
8． M>>m 导轨不水平，右端高
【解析】
【详解】
（1）根据遮光板通过光电门的速度可以用平均速度代替得：滑块通过第一个光电门时的速度：；滑块通过第二个光电门时的速度：；滑块的加速度：
（2）当滑块质量M远大于钩码质量m 时，细线中拉力近似等于钩码重力．
（3）实验原理是：求出通过光电门1时的速度v1，通过光电门2时的速度v2，测出两光电门间的距离L，在这个过程中，减少的重力势能能：△Ep=mgL，增加的动能为：（M+m）v22-（M+m）v12
我们验证的是：△Ep与△Ek的关系，即验证：△Ep=△Ek代入得：
mgL=（M+m）v22-（M+m）v12
即
将气垫导轨倾斜后，由于滑块的重力势能的增加或减少没有记入，故增加的动能和减少的重力势能不相等：若右侧高，系统动能增加量大于重力势能减少量．
9．B 1.88 1.84 不能
【解析】
【详解】
（1）[1]．验证机械能守恒时，我们验证的是减少的重力势能△Ep=mgh和增加的动能△Ek=mv2之间的关系，所以我们要选择能够测h和v的数据。故选B点。
（2）[2][3]．减少的重力势能为：
△Ep=mgh=1×9.8×19.2×10-2=1.88J
B点的速度为：
vB===1.92m/s
所以动能增加量为：
△EK=mv2=×1×1.922=1.84J
（3）[4]．根据机械能守恒可知：mgh=mv2，得出=gh，因此-h图线是一条通过坐标原点的倾斜直线，若要以凭此图象形状判断重物下落过程中能否机械能守恒，不能的，原因是无法知道此图象斜率是否等于重力加速度。
10．B； 1.92；1.84
【解析】
【详解】
①验证机械能守恒时，我们验证的是减少的重力势能和增加的动能之间的关系，所以我们要选择能够测h和v的数据，选B点；
②减少的重力势能为：；B点的瞬时速度等于AC段的平均速度；由图可知，；，；则B点的瞬时速度为③，则可知，增加的动能．
11．)重锤未靠近打点计时器或重锤与桌面的距离太小或手应该抓住纸带的上端并使纸带竖直(填一项即可) 刻度尺
【解析】
【详解】
[1] ．重锤未靠近打点计时器或重锤与桌面的距离太小或手应该抓住纸带的上端并使纸带竖直；
[2] ．除了图甲所示的装置外，还需要图乙中的刻度尺。
12．＝ 8.475
【解析】
【详解】
（1）[1]轻推滑块，当图乙中的t1＝t2时，说明滑块经过两光电门的速度相等，则气垫导轨已经水平。
（2）[2]螺旋测微器的固定刻度读数为8mm，可动刻度读数为
0.01×47.5mm＝0.475mm
由读数规则可得
d ＝8mm+0.01mm×47.5＝8.475mm
（3）[3]滑块经过两光电门时的速度分别为：
；
若机械能守恒则满足：
即满足。