【講與練】高中物理人教版(2019)必修2：8.5 實驗：驗證機械能守恒定律提能作業(yè)習題

第八章5．實驗：驗證機械能守恒定律合格考訓練1．(多選)在利用自由落體運動“驗證機械能守恒定律”的實驗中，有關重物質量的說法正確的是(AC)A．應選用質量較大的重物，使重物和紙帶所受的重力遠大于它們所受的阻力B．應選用質量較小的重物，使重物的慣性小一些，下落時更接近于自由落體運動C．不需要稱量重物的質量D．必須稱量重物的質量，而且要估讀到0.01g解析：本實驗的原理是利用重物自由下落驗證機械能守恒定律，因此應選用質量較大的重物，使重物和紙帶所受的阻力與重物所受的重力相比可以忽略不計，從而保證重物和紙帶做自由落體運動，選項A正確，B錯誤；重物的質量不需要測量，選項C正確，D錯誤。2．在研究重物自由下落過程中機械能守恒的實驗中，得到如圖所示的一條紙帶，該紙帶上最初打出的幾個點不清楚，紙帶上留下的是后面的一些點。算出打下B、C兩點時重物的速度分別是vB、vC，測得B、C兩點間的距離為h，那么驗證機械能守恒的表達式可寫為(B)A．gh＝veq\o\al(2,C)－veq\o\al(2,B) B．gh＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,C)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)C．vC＝vB＋gT D．veq\o\al(2,B)＋veq\o\al(2,C)＝2gh解析：從B運動到C的過程中，重力勢能的減少量為ΔEp＝mgh，動能的增加量為ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)，所以驗證機械能守恒的表達式為mgh＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)，即gh＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,C)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)，選項B正確。3．實驗“用DIS研究機械能守恒定律”的裝置如圖(a)所示，標尺盤中A、B、C、D為擺錘的四個位置，A、B、C三點與最低點D的高度差已由計算機默認。某組同學在實驗中，得到的圖像如圖(b)所示。圖像的橫軸表示擺錘距D點的高度h，縱軸表示擺錘的重力勢能Ep、動能Ek或機械能E。下列說法錯誤的是(D)A．光電門傳感器要分別放在D、C、B點進行重復操作B．擺錘每次釋放的高度要保持不變，且必須保證擺錘能完全遮擋紅外發(fā)射孔C．圖線甲表示擺錘的機械能ED．圖線乙表示擺錘的機械能E解析：光電門傳感器要分別放在D、C、B點進行重復操作，利用光電門來測量擺錘在各點的瞬時速度，注意擺錘每次釋放的高度要保持不變，且必須保證擺錘能完全遮擋紅外發(fā)射孔，A、B正確；擺錘由靜止釋放后，重力做正功，重力勢能Ep不斷減少，動能Ek不斷增加，通過觀察題圖(b)易知：乙表示擺錘的重力勢能Ep，丙表示擺錘的動能Ek，甲表示擺錘的機械能E，C正確，D錯誤。故本題應選D。4．如圖甲所示，一同學利用光電計時器等器材做驗證機械能守恒定律的實驗。有一直徑為d、質量為m的金屬小球從A處由靜止釋放，下落過程中能通過A處正下方、固定于B處的光電門，測得A、B間的高度差為H(H?d)，光電計時器記錄下小球通過光電門的時間為t，當?shù)氐闹亓铀俣葹間。則：(1)多次改變H，重復上述實驗，作出H隨eq\f(1,t2)的變化圖像如圖乙所示，當圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿足表達式_d2＝2gH0teq\o\al(2,0)__時，可判斷小球下落過程中機械能守恒。(2)實驗中，因受空氣阻力的影響，小球動能增加量ΔEk總是稍小于重力勢能減少量ΔEp，適當降低下落高度后，ΔEp－ΔEk將_減少__(選填“增加”“減少”或“不變”)。解析：(1)若小球減少的重力勢能等于增加的動能，可以認為小球的機械能守恒，則有mgH＝eq\f(1,2)mv2，即2gH0＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t0)))2，解得H0＝eq\f(d2,2g)·eq\f(1,t\o\al(2,0))。(2)由于該過程中有空氣阻力做功，而A、B之間高度差越大，空氣阻力做功越多，故適當減小下落高度后，ΔEp－ΔEk將減少。等級考訓練5．(2023·杭州四中高一期中)下列四個學生實驗中，必須要測量質量、時間和位移的是(B)A．探究小車速度隨時間變化的規(guī)律B．探究加速度與力、質量的關系C．驗證機械能守恒定律D．探究平拋運動的特點解析：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律的實驗中，不需要測小車的質量，故A錯誤；探究加速度與力、質量的關系的實驗中，需要測小車的質量，需要用時間和位移求加速度，故B正確；驗證機械能守恒定律的實驗中，不需要測小球的質量，故C錯誤；探究平拋運動的特點，不需要測小球的質量，故D錯誤。故選B。6．(2022·鹽城高一期末)如圖所示，某實驗小組在實驗室中利用水平氣墊導軌和兩個光電門計時器A和B驗證質量為M的滑塊(含遮光條)和質量為m的鉤碼組成的系統(tǒng)機械能守恒。已知遮光條的寬度為d，先后通過A、B光電門的時間分別為Δt1、Δt2，光電門A、B之間的距離為s?；瑝K運動通過光電門B時，鉤碼未落地。(重力加速度為g)下列情況下可能增大實驗誤差的是(D)A．滑塊在光電門A右側釋放時有微小的初速度B．滑塊質量M和鉤碼質量m不滿足m<MC．遮光條寬度較小D．兩光電門間距過小解析：實驗是驗證滑塊經過A、B光電門時滑塊和鉤碼總的動能增加量是否等于鉤碼重力勢能的減少量，滑塊在光電門A右側釋放時有微小的初速度對實驗誤差不會產生影響，故A錯誤；滑塊質量M和鉤碼質量m是否滿足m<M，對該實驗沒有影響，不會增大實驗誤差，故B錯誤；遮光條寬度較小，經過光電門的時間變小，經過光電門時的平均速度越接近瞬時速度，有利于減小實驗誤差，故C錯誤；兩光電門間距過小，在測量兩個光電門之間的距離時測量誤差會增大，故D正確。故選D。7．(2023·阜寧中學高三期中)利用如圖所示的實驗裝置探究相關的力學實驗，下列說法正確的是(C)A．探究“功和速度變化關系”的實驗中，不需要平衡摩擦力B．探究“加速度和力、質量的關系”實驗中，不需要平衡摩擦力C．探究“速度隨時間變化規(guī)律”的實驗中，不需要平衡摩擦力D．利用該實驗裝置，只要平衡好摩擦力，就可以用來做“探究機械能守恒定律”實驗解析：探究“功和速度變化關系”的實驗中，由于功是合力所做的功，需要平衡摩擦力，故A錯誤；探究“加速度和力、質量的關系”實驗中，力也是合力，需要平衡摩擦力，故B錯誤；探究“速度隨時間變化規(guī)律”的實驗中，不需要平衡摩擦力，故C正確；雖然平衡了摩擦力，但摩擦力并沒有消失，在物塊運動的過程中有摩擦力做功，故系統(tǒng)機械能不守恒，所以不能用此裝置做“探究機械能守恒定律”實驗，故D錯誤。故選C。8．(2023·蘇州中學高一開學考試)如圖1所示，阿特伍德機(Atwood'smachine)是由英國物理學家的喬治·阿特伍德(GeorgcAtwood)在1784年發(fā)表的《關于物體的直線運動和轉動》一文中提出的，用于測量重力加速度及驗證牛頓運動定律的著名的力學實驗裝置。某實驗小組將阿特伍德機簡化改裝后，如圖2所示，繞過定滑輪的細線上懸掛質量相等的重錘A和B，在B下面再掛重物C時，由于速度變化不太快，測量運動學物理量比較方便。(1)實驗過程中，下列操作正確的是(B)A．固定打點計器時，應將重錘A與打點計時器距離盡量遠一些B．開始時紙帶應盡量豎直下垂并與系重錘A的細線在同一豎直線上C．應先松開重錘A，然后再接通打點計時器電源D．打點結束后先將紙帶取下，再關閉打點計時器電源(2)某次實驗結束后，打出的紙帶如圖3所示，E、F、G、H、J連續(xù)幾個點對應刻度尺讀數(shù)分別為0.69cm、2.21cm、4.00cm、6.12cm、8.51cm。已知打點計時器所用交流電源的頻率為50Hz，則重錘A運動拖動紙帶時的平均加速度為7.50m/s2(結果保留三位有效數(shù)字)；(3)如果本實驗室電源頻率小于50Hz，但參與實驗的同學不知道，則瞬時速度的測量值大于真實值(填“大于”“等于”或“小于”)；(4)若重錘A和B的質量均為M，重錘B下面掛質量為m的重物C。通過打點計時器得到A的加速度為a，則由以上幾個物理量，推導重力加速度的公式g＝eq\f(2M＋m,m)a；(5)已知重錘A和B的質量均為M＝2.00kg，某小組在重錘B下面掛質量為m的重物C。某次實驗中從紙帶上測量重錘A由靜止上升不同高度h時對應的速度v，描點作圖后得到如圖4所示圖像，重力加速度g取9.80m/s2，則重物C質量m＝1.03kg(結果保留三位有效數(shù)字)。解析：(1)固定打點計時器時，應將重錘A與打點計時器距離盡量近一些，充分利用紙帶，故A錯誤；開始時紙帶應盡量豎直下垂并與系重錘A的細線在同一豎直線上，可以減小紙帶所受阻力對實驗產生的影響，故B正確；應先接通打點計時器電源，打點穩(wěn)定后，再松開重錘A，故C錯誤；打點結束后先關閉打點計時器電源，再將紙帶取下，故D錯誤。故選B。(2)打點計時器的打點周期為T＝eq\f(1,f)＝0.02s，由逐差法可知，重錘A運動拖動紙帶時的平均加速度為a＝eq\f(GJ－EG,4T2)＝eq\f(8.51－4.00－4.00－0.69,4×0.022)×10－2m/s2＝7.50m/s2。(3)如果本實驗室電源頻率小于50Hz，則實際打點周期大于測量計算所用周期，根據(jù)v＝eq\f(Δx,Δt)，可知，瞬時速度的測量值大于真實值。(