8.5　實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律同步練2023-2024學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版（2019）必修第二冊(cè)

新人教版高中物理必修第二冊(cè)PAGEPAGE15實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1.在做“驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒”實(shí)驗(yàn)中：(1)下列儀器需要用到的是________.(2)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列說法正確的是________.A.應(yīng)用手托住重物由靜止釋放B.紙帶與重物相連端的點(diǎn)跡較密C.可以取連續(xù)的幾個(gè)點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)(3)如圖1所示為實(shí)驗(yàn)時(shí)打出的一條紙帶，則A的速度大小為________m/s(保留3位有效數(shù)字，紙帶上相鄰兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔為0.02s).圖1答案(1)CE(2)BC(3)1.34(1.32～1.36均可)解析(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理：mgh＝eq\f(1,2)mv2即gh＝eq\f(1,2)v2，要用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量瞬時(shí)速度和下落高度，所以需要打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和重物，重物要用重錘，而不是砝碼，故C、E正確.(2)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)要使紙帶處于豎直狀態(tài)，用手或者夾子固定紙帶上端，然后靜止釋放，故A錯(cuò)誤；由于紙帶從上往下運(yùn)動(dòng)，所以打點(diǎn)從靠近重物一端開始，故B正確；可以取連續(xù)的幾個(gè)點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)，故C正確.(3)A點(diǎn)的速度等于與A點(diǎn)相鄰的兩點(diǎn)間的平均速度，即vA＝eq\f(12.70－7.35,2×0.02)×10－2m/s≈1.34m/s.2.(2018·遂寧市高一下學(xué)期期末)在利用如圖2所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，圖2(1)下列操作正確的是________.A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接到直流電源上B.先釋放重物，后接通電源C.釋放重物前，重物應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(2)實(shí)驗(yàn)中，某實(shí)驗(yàn)小組得到如圖3所示的一條理想紙帶，在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C，測(cè)得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA、hB、hC.已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T，重物的質(zhì)量為m，從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過程中，重物的重力勢(shì)能變化量ΔEp＝________，動(dòng)能變化量ΔEk＝________.圖3(3)大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，主要原因是________.A.利用公式v＝gt計(jì)算重物速度B.利用公式v＝eq\r(2gh)計(jì)算重物速度C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D.沒有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法答案(1)C(2)mghBeq\f(1,2)m(eq\f(hC－h(huán)A,2T))2(3)C解析(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接到交流電源上，故A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源，后釋放重物，故B錯(cuò)誤；釋放重物前，重物應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，故C正確；(2)重力勢(shì)能減少量ΔEp＝mghB，根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于該過程中的平均速度，則B點(diǎn)的速度為vB＝eq\f(hC－h(huán)A,2T)，故動(dòng)能的增量為：ΔEkB＝eq\f(1,2)mvB2＝eq\f(1,2)m(eq\f(hC－h(huán)A,2T))2；(3)實(shí)驗(yàn)中重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，原因是存在空氣阻力和摩擦阻力的影響，故選C.3.小剛同學(xué)用如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，他進(jìn)行如下操作：①用天平測(cè)出小球的質(zhì)量為0.50kg；②用游標(biāo)卡尺測(cè)出小球的直徑為10.0mm；③電磁鐵先通電，讓小球吸在其下端；④用刻度尺測(cè)出小球球心到光電門的距離為82.05cm；⑤電磁鐵斷電時(shí)，小球自由下落；⑥在小球通過光電門時(shí)，計(jì)時(shí)裝置記下小球通過光電門所用的時(shí)間為2.50×10－3s，由此可算出小球通過光電門的速度.圖4(1)由以上測(cè)量數(shù)據(jù)可計(jì)算出小球重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝________J，小球動(dòng)能的變化量ΔEk＝________J.(g取9.8m/s2，結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)ΔEp________(選填“稍大于”“稍小于”或“等于”)ΔEk，試分析可能的原因：________________________________________________________________________.答案(1)4.024.00(2)稍大于受到空氣阻力的影響解析(1)小球重力勢(shì)能減小量ΔEp＝mgh＝0.5×9.8×0.8205J≈4.02J；小球通過光電門的平均速度為eq\x\to(v)＝eq\f(d,t)＝eq\f(0.01,2.5×10－3)m/s＝4m/s，小球的動(dòng)能變化量ΔEk＝eq\f(1,2)meq\x\to(v)2＝4.00J.(2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)ΔEp稍大于ΔEk，原因是受到空氣阻力的影響.4.(2018·天門、仙桃、潛江市高一下學(xué)期期末聯(lián)考)用如圖5所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，通過電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過程中經(jīng)過光電門B，B與毫秒計(jì)時(shí)器(的激光束.圖5(1)為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，需要測(cè)量或記錄下列哪些物理量________.A.小鐵球的直徑dB.A點(diǎn)與B點(diǎn)間的距離hC.小鐵球的質(zhì)量mD.小鐵球經(jīng)過光電門的擋光時(shí)間t(即毫秒計(jì)時(shí)器的讀數(shù))(2)利用(1)中的物理量和重力加速度g，寫出驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為____________.(3)為直觀判斷小球下落過程中機(jī)械能是否守恒，應(yīng)作下列哪一個(gè)圖像？______；圖像的斜率k＝________.A.h－t圖像 B.h－eq\f(1,t)圖像C.h－t2圖像 D.h－eq\f(1,t2)圖像(4)經(jīng)正確的實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)小球動(dòng)能增加量總是稍小于重力勢(shì)能減少量，原因是__________________________.答案(1)ABD(2)gh＝eq\f(d2,2t2)(3)Deq\f(d2,2g)(4)有空氣阻力解析(1)小球重力勢(shì)能的減少量為mgh，動(dòng)能的增加量為eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)m(eq\f(d,t))2，質(zhì)量可以約去，不需要測(cè)量小鐵球的質(zhì)量，需要測(cè)量小鐵球的直徑d，A、B兩點(diǎn)間的高度h，小鐵球經(jīng)過光電門的擋光時(shí)間t，故選A、B、D.(2)根據(jù)mgh＝eq\f(1,2)m(eq\f(d,t))2得，驗(yàn)證機(jī)械能守恒的表達(dá)式為：gh＝eq\f(d2,2t2).(3)根據(jù)gh＝eq\f(d2,2t2)知，h＝eq\f(d2,2gt2)，為了直觀判斷小球下落過程中機(jī)械能是否守恒，應(yīng)作h－eq\f(1,t2)圖線，故選D；圖線的斜率k＝eq\f(d2,2g).(4)經(jīng)正確的實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)小球動(dòng)能增加量總是稍小于重力勢(shì)能減少量，原因是有空氣阻力.5.如圖6所示，某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”.頻閃儀每隔0.05s閃光一次，用毫米刻度尺測(cè)得相鄰兩個(gè)時(shí)刻小球上升的高度分別為h1＝26.3cm，h2＝23.68cm，h3＝21.16cm，h4＝18.66cm，h5＝16.04cm，該同學(xué)通過計(jì)算得到不同時(shí)刻的速度如下表所示(當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝9.80m/s2，小球質(zhì)量m＝0.10kg)：圖6時(shí)刻t2t3t4t5速度(m/s)4.483.983.47(1)上面測(cè)量高度的五個(gè)數(shù)據(jù)中不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是______段，應(yīng)記作________cm.(2)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計(jì)算t2時(shí)刻小球的速度v2＝______m/s.(計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(3)從t2到t5時(shí)間內(nèi)，重力勢(shì)能增量ΔEp＝________J，動(dòng)能減少量ΔEk＝________J.(計(jì)算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(4)在誤差允許的范圍內(nèi)，若ΔEp與ΔEk近似相等，從而驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.由上述計(jì)算所得ΔEp________ΔEk(選填“>”“<”或“＝”)，造成這種結(jié)果的主要原因是___________________________________________________.答案(1)h126.30(2)5.00(3)0.6220.648(4)<上升過程中有空氣阻力做負(fù)功(或受到空氣阻力)解析(1)從題中可得測(cè)量工具是毫米刻度尺，所以h1在有效數(shù)字讀數(shù)要求上有錯(cuò)誤，應(yīng)記作26.30cm.(2)勻變速直線運(yùn)動(dòng)過程中中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于該過程中的平均速度，所以有：v2＝eq\f(h1＋h2,2T)≈5.00m/s.(3)根據(jù)重力做功和重力勢(shì)能的關(guān)系有：ΔEp＝mg(h2＋h3＋h4)≈0.622JΔEk＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv52≈0.648J.(4)因上升過程中有空氣阻力做負(fù)功，故ΔEp<ΔEk6.(2018·大慶實(shí)驗(yàn)中學(xué)高一下學(xué)期期末)為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)利用透明直尺和光電計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，如圖7所示.當(dāng)有不透光物體從光電門間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示物體的擋光時(shí)間，所用的光電門可測(cè)的最短時(shí)間為0.01ms，將具有很好擋光效果的寬度為d＝3.8×10－3m的黑色磁帶水平貼在透明直尺上.實(shí)驗(yàn)時(shí)，將直尺從一定高度由靜止釋放，并使其豎直通過光電門.某同學(xué)測(cè)得各段黑色磁帶通過光電門的時(shí)間Δti與圖中所示的高度差Δhi，并將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果如下表所示(表格中M為直尺質(zhì)量，g取9.8m/s2).圖7Δti(10－3s)vi＝eq\f(d,Δti)(m·s－1)ΔEki＝eq\f(1,2)Mvi2－eq\f(1,2)Mv12Δhi(m)MgΔhi11.213.1421.153.300.52M0.060.59M31.003.802.29M0.242.35M40.954.003.07M0.323.14M50.904.22①________0.41②______(1)從表格中數(shù)據(jù)可知，直尺上磁帶通過光電門的瞬時(shí)速度是利用vi＝eq\f(d,Δti)求出的，請(qǐng)你簡(jiǎn)要分析該同學(xué)這樣做的理由是____________________________.(2)請(qǐng)將表格中的第5點(diǎn)數(shù)據(jù)填寫完整：①__________，②__________.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(3)通過實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是____________________________________________________.(4)根據(jù)該實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)你判斷下列ΔEk－Δh圖像中正確的是________.答案(1)瞬時(shí)速度等于極短時(shí)間或極短位移內(nèi)的平均速度，或者說，當(dāng)時(shí)間很短時(shí)，平均速度近似等于瞬時(shí)速度(2)①3.97M②4.02M(3)在誤差允許的范圍內(nèi)，重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量(或者說，在誤差允許范圍內(nèi)，機(jī)械能是守恒的)(4)C解析(1)瞬時(shí)速度等于極短時(shí)間或極短位移內(nèi)的平均速度，故直尺上