课时梯级训练(24) 实验：验证机械能守恒定律（Word练习）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理必修第二册（人教版2019）

课时梯级训练(24)　实验：验证机械能守恒定律 1．某同学用图甲所示的装置来验证机械能守恒定律，该装置比图乙的装置好些，正确的理由是(　　) 甲 乙 A．减小了空气阻力对实验的影响 B．电火花计时器的工作电压约8 V C．可以节省纸带，让点迹更为密集 D．保证重物从静止释放，避免因纸带抖动而造成摩擦增大 D　解析：用题图甲所示装置不能减小空气阻力对实验的影响，A错误；电火花计时器的工作电压为220 V，B错误；点迹过于密集不利于长度的测量，会增大误差，C错误；用题图甲所示装置可以保证重物从静止释放，避免因纸带抖动而造成摩擦增大，D正确。 2．(2024·江苏盐城高一期末)如图所示，某实验小组在实验室中利用水平气垫导轨和两个光电门计时器A和B验证质量为M的滑块(含遮光条)和质量为m的钩码组成的系统机械能是否守恒。已知遮光条的宽度为d，先后通过A、B光电门的时间分别为Δt1、Δt2，光电门A、B之间的距离为s。滑块运动通过光电门B时，钩码未落地。(重力加速度为g) 下列情况中可能增大实验误差的是______。 A．滑块在光电门A右侧释放时有微小的初速度 B．滑块质量M和钩码质量m不满足m<M C．遮光条宽度较小 D．两个光电门间距过小 D　解析：实验是验证滑块经过A、B光电门时滑块和钩码总的动能增加量是否等于钩码重力势能的减少量，滑块在光电门A右侧释放时有微小的初速度对实验不会产生影响，A错误；滑块质量M和钩码质量m是否满足m<M，对该实验没有影响，不会增大实验误差，B错误；遮光条宽度较小，经过光电门的时间变短，经过光电门时的平均速度更接近瞬时速度，有利于减小实验误差，C错误；两个光电门间距过小，在测量两个光电门之间的距离时测量误差会增大，D正确。 3．(2024·福建永春高一期末)用图甲数字化机械能守恒实验器验证机械能守恒定律。N为内置了光电门的摆锤，通过白色轻质杆悬挂于转轴M处，仪器上嵌有10个相同的白色圆柱体。当摆锤通过某个白色圆柱体时，光电门能测出通过该圆柱体所用的时间(即圆柱体遮光的时间)，将轻杆拉至水平，由静止开始释放摆锤，记录摆锤通过①～⑩圆柱体所用的时间t，分别为t1、t2、…t10，用左侧刻度尺测出①～⑩圆柱体与摆锤释放点间的高度差h分别为h1、h2、…h10。测得圆柱体的直径d为0.620 cm，重力加速度为g。 (1)关于该实验，下列说法正确的是______。 A．实验中还需要测出摆锤的质量m B．实验时应使左侧刻度尺处于竖直位置 C．白色圆柱体应沿圆弧等距均匀分布 D．若未从静止释放摆锤，将不能验证机械能守恒定律 (2)若关系式______________________________________________________ (用题中所给字母表示)成立，则可验证摆锤从②运动到⑧的过程机械能守恒。 (3)实验中发现摆锤重力势能的减小量ΔEp略大于摆锤动能的增加量ΔEk，则可能的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)由实验数据，通过描点作出了如图乙所示的线性图像，图像的纵坐标应为______(选填“”“t2”或“”)，根据图像说明机械能守恒的依据是_______________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)B　(2)2g(h8－h2)＝－　(3)实验中存在阻力(其他答案合理即可)　(4)　图像的斜率在误差允许范围内等于 解析：(1)根据机械能守恒定律，重力势能的减少量与动能增加量中均含有m，所以可以约掉，此实验可以不测质量，A错误；实验时应使左侧刻度尺处于竖直位置，这样便于测量摆锤运动过程中的高度差，B正确；为方便计算圆柱体与摆锤初始位置的高度差，各圆柱体可以等高分布，而不是沿圆弧等距均匀分布，C错误；若释放摆锤时有初速度，可以选择其通过各圆柱体之间的过程来进行验证，D错误。 (2)若摆锤从②运动到⑧的过程机械能守恒，则应有 mg(h8－h2)＝m－m，简化得 2g＝－。 (3)摆锤往下摆动过程中，空气阻力对其做负功，机械能有损失，因此减少的重力势能并没有完全转化为动能。 (4)若满足mgh＝m，得＝h，知-h图像是一条过原点的倾斜直线，故图像纵坐标应为。如果-h图像的斜率在误差允许的范围内等于，机械能守恒定律得到验证。 4．如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置(g取9.80 m/s2)。 (1)选出一条清晰的纸带如图乙所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以频率为50 Hz的交变电流。用分度值为1 mm的刻度尺测得OA＝12.41 cm，OB＝18.90 cm，OC＝27.06 cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重锤的质量为1.00 kg。根据以上数据算出：当打点计时器打下B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了______J；此时重锤的速度vB＝______m/s，此时重锤的动能比开始下落时增加了________J。(结果均保留3位有效数字) 　　 (2)利用实验时打出的纸带，测量出各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以v2为纵轴作出如图丙所示的图线，图线的斜率近似等于________。 A．19.6 B．9.80 C．4.90 图线未过原点O的原因是___________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：(1)1.85　1.83　1.67　(2)B　先释放了纸带，再接通了打点计时器的电源 解析：(1)当打点计时器打下B点时，重锤的重力势能减小了ΔEp＝mg·OB≈1.85 J；打B点时重锤的速度vB＝≈1.83 m/s，此时重锤的动能增加了ΔEk＝mv≈1.67 J。 (2)由机械能守恒定律有mv2＝mgh，可得v2＝gh，由此可知题图丙图线的斜率近似等于重力加速度g，B正确。由图线可知，h＝0时，重锤的速度不等于零，原因是做实验时先释放了纸带，再接通了打点计时器的电源。 5．某同学利用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，所用器材包括：安装“phyphox”软件的智能手机、铁球、刻度尺、钢尺等。实验过程如下： (1)一把钢尺伸出水平桌面少许，将质量为m的铁球放在钢尺末端，用刻度尺测出钢尺上表面与地板间的高度差h＝78.00 cm。 (2)运行智能手机中的声音“振幅”(声音传感器)项目。 (3)迅速敲击钢尺侧面，铁球自由下落。传感器记录下声音振幅随时间变化的曲线，如图乙所示，第一、第二个尖峰的横坐标分别对应铁球开始下落和落地时刻。测得这两个尖峰的时间间隔为t＝0.40 s。 (4)若铁球下落过程中机械能守恒，则应满足等式： ________________________________________________________________________ (请用物理量符号m、g、h、t表示)。 (5)若已知铁球质量为50 g，g取9.80 m/s2，则下落过程中减少的重力势能ΔEp＝0.382 J，增加的动能ΔEk＝______J(保留3位小数)。相对误差η＝×100%＝______%<5%，据此可以得到的实验结论：在误差允许的范围内，铁球在自由下落过程中机械能守恒。 (6)敲击钢尺侧面时若铁球获得一个较小的水平速度，对实验测量结果______(选填“有”或“没有”)影响。 答案：(4)mgh＝m (5)0.380　0.5　(6)没有 解析：(4)铁球下落时间时的速度为v＝ 根据初速度为0的匀变速直线运动的公式有 v＝a，v＝at 解得铁球下落t时间时的速度为v＝ 若铁球下落过程中机械能守恒，则应满足等式 mgh＝mv2 代入数据得mgh＝m或gh＝2。 (5)下落过程中增加的动能 ΔEk＝mv2＝m×＝0.380 J 相对误差η＝×100%＝0.5%。 (6)根据运动的独立性，敲击钢尺侧面时若铁球获得一个较小的水平速度，不影响铁球竖直方向的运动，对实验测量结果没有影响。 6．(2023·天津卷)验证机械能守恒的实验 如图放置实验器材，接通电源，连接遮光片、小车与托盘砝码的绳子应与桌面平行，遮光片与小车位于气垫导轨上(视为无摩擦力)，这里没有画出。释放托盘与砝码，并测得： a．遮光片长度d b．遮光片与小车到光电门长度l c．遮光片与小车通过光电门时间Δt d．托盘与砝码质量m1，小车与遮光片质量m2 (1)小车通过光电门时的速度为________。 (2)从释放到小车经过光电门，这一过程中，系统重力势能减少量为____________，动能增加量为____________。 (3)改变l，做多组实验，作出如图以l为横坐标、以()2为纵坐标的图像，若机械能守恒成立，则图像斜率为________。 答案：(1)　(2)m1gl　(m1＋m2)()2　(3) 解析：(1)小车通过光电门时的速度为v＝。 (2)从释放到小车经过光电门，这一过程中，系统重力势能减少量为ΔEp ＝ m1gl 从释放到小车经过光电门，这一过程中，系统动能增加量为 ΔEk＝(m1＋m2)()2。 (3)改变l，做多组实验，作出以l为横坐标、以()2为纵坐标的图像，若机械能守恒成立有 m1gl＝(m1＋m2)()2 整理有()2＝·l 则图像斜率为。 学科网（北京）股份有限公司 $$