【讲与练】高中物理人教版(2019)必修2：8.5 实验：验证机械能守恒定律提能作业习题

第八章5．实验：验证机械能守恒定律合格考训练1．(多选)在利用自由落体运动“验证机械能守恒定律”的实验中，有关重物质量的说法正确的是(AC)A．应选用质量较大的重物，使重物和纸带所受的重力远大于它们所受的阻力B．应选用质量较小的重物，使重物的惯性小一些，下落时更接近于自由落体运动C．不需要称量重物的质量D．必须称量重物的质量，而且要估读到0.01g解析：本实验的原理是利用重物自由下落验证机械能守恒定律，因此应选用质量较大的重物，使重物和纸带所受的阻力与重物所受的重力相比可以忽略不计，从而保证重物和纸带做自由落体运动，选项A正确，B错误；重物的质量不需要测量，选项C正确，D错误。2．在研究重物自由下落过程中机械能守恒的实验中，得到如图所示的一条纸带，该纸带上最初打出的几个点不清楚，纸带上留下的是后面的一些点。算出打下B、C两点时重物的速度分别是vB、vC，测得B、C两点间的距离为h，那么验证机械能守恒的表达式可写为(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：从B运动到C的过程中，重力势能的减少量为ΔEp＝mgh，动能的增加量为ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)，所以验证机械能守恒的表达式为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)，选项B正确。3．实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图(a)所示，标尺盘中A、B、C、D为摆锤的四个位置，A、B、C三点与最低点D的高度差已由计算机默认。某组同学在实验中，得到的图像如图(b)所示。图像的横轴表示摆锤距D点的高度h，纵轴表示摆锤的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。下列说法错误的是(D)A．光电门传感器要分别放在D、C、B点进行重复操作B．摆锤每次释放的高度要保持不变，且必须保证摆锤能完全遮挡红外发射孔C．图线甲表示摆锤的机械能ED．图线乙表示摆锤的机械能E解析：光电门传感器要分别放在D、C、B点进行重复操作，利用光电门来测量摆锤在各点的瞬时速度，注意摆锤每次释放的高度要保持不变，且必须保证摆锤能完全遮挡红外发射孔，A、B正确；摆锤由静止释放后，重力做正功，重力势能Ep不断减少，动能Ek不断增加，通过观察题图(b)易知：乙表示摆锤的重力势能Ep，丙表示摆锤的动能Ek，甲表示摆锤的机械能E，C正确，D错误。故本题应选D。4．如图甲所示，一同学利用光电计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的高度差为H(H≫d)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则：(1)多次改变H，重复上述实验，作出H随eq\f(1,t2)的变化图像如图乙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式_d2＝2gH0teq\o\al(2,0)__时，可判断小球下落过程中机械能守恒。(2)实验中，因受空气阻力的影响，小球动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，适当降低下落高度后，ΔEp－ΔEk将_减少__(选填“增加”“减少”或“不变”)。解析：(1)若小球减少的重力势能等于增加的动能，可以认为小球的机械能守恒，则有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)由于该过程中有空气阻力做功，而A、B之间高度差越大，空气阻力做功越多，故适当减小下落高度后，ΔEp－ΔEk将减少。等级考训练5．(2023·杭州四中高一期中)下列四个学生实验中，必须要测量质量、时间和位移的是(B)A．探究小车速度随时间变化的规律B．探究加速度与力、质量的关系C．验证机械能守恒定律D．探究平抛运动的特点解析：探究小车速度随时间变化的规律的实验中，不需要测小车的质量，故A错误；探究加速度与力、质量的关系的实验中，需要测小车的质量，需要用时间和位移求加速度，故B正确；验证机械能守恒定律的实验中，不需要测小球的质量，故C错误；探究平抛运动的特点，不需要测小球的质量，故D错误。故选B。6．(2022·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)下列情况下可能增大实验误差的是(D)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<MC．遮光条宽度较小D．两光电门间距过小解析：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误差不会产生影响，故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，故B错误；遮光条宽度较小，经过光电门的时间变小，经过光电门时的平均速度越接近瞬时速度，有利于减小实验误差，故C错误；两光电门间距过小，在测量两个光电门之间的距离时测量误差会增大，故D正确。故选D。7．(2023·阜宁中学高三期中)利用如图所示的实验装置探究相关的力学实验，下列说法正确的是(C)A．探究“功和速度变化关系”的实验中，不需要平衡摩擦力B．探究“加速度和力、质量的关系”实验中，不需要平衡摩擦力C．探究“速度随时间变化规律”的实验中，不需要平衡摩擦力D．利用该实验装置，只要平衡好摩擦力，就可以用来做“探究机械能守恒定律”实验解析：探究“功和速度变化关系”的实验中，由于功是合力所做的功，需要平衡摩擦力，故A错误；探究“加速度和力、质量的关系”实验中，力也是合力，需要平衡摩擦力，故B错误；探究“速度随时间变化规律”的实验中，不需要平衡摩擦力，故C正确；虽然平衡了摩擦力，但摩擦力并没有消失，在物块运动的过程中有摩擦力做功，故系统机械能不守恒，所以不能用此装置做“探究机械能守恒定律”实验，故D错误。故选C。8．(2023·苏州中学高一开学考试)如图1所示，阿特伍德机(Atwood'smachine)是由英国物理学家的乔治·阿特伍德(GeorgcAtwood)在1784年发表的《关于物体的直线运动和转动》一文中提出的，用于测量重力加速度及验证牛顿运动定律的著名的力学实验装置。某实验小组将阿特伍德机简化改装后，如图2所示，绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的重锤A和B，在B下面再挂重物C时，由于速度变化不太快，测量运动学物理量比较方便。(1)实验过程中，下列操作正确的是(B)A．固定打点计器时，应将重锤A与打点计时器距离尽量远一些B．开始时纸带应尽量竖直下垂并与系重锤A的细线在同一竖直线上C．应先松开重锤A，然后再接通打点计时器电源D．打点结束后先将纸带取下，再关闭打点计时器电源(2)某次实验结束后，打出的纸带如图3所示，E、F、G、H、J连续几个点对应刻度尺读数分别为0.69cm、2.21cm、4.00cm、6.12cm、8.51cm。已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz，则重锤A运动拖动纸带时的平均加速度为7.50m/s2(结果保留三位有效数字)；(3)如果本实验室电源频率小于50Hz，但参与实验的同学不知道，则瞬时速度的测量值大于真实值(填“大于”“等于”或“小于”)；(4)若重锤A和B的质量均为M，重锤B下面挂质量为m的重物C。通过打点计时器得到A的加速度为a，则由以上几个物理量，推导重力加速度的公式g＝eq\f(2M＋m,m)a；(5)已知重锤A和B的质量均为M＝2.00kg，某小组在重锤B下面挂质量为m的重物C。某次实验中从纸带上测量重锤A由静止上升不同高度h时对应的速度v，描点作图后得到如图4所示图像，重力加速度g取9.80m/s2，则重物C质量m＝1.03kg(结果保留三位有效数字)。解析：(1)固定打点计时器时，应将重锤A与打点计时器距离尽量近一些，充分利用纸带，故A错误；开始时纸带应尽量竖直下垂并与系重锤A的细线在同一竖直线上，可以减小纸带所受阻力对实验产生的影响，故B正确；应先接通打点计时器电源，打点稳定后，再松开重锤A，故C错误；打点结束后先关闭打点计时器电源，再将纸带取下，故D错误。故选B。(2)打点计时器的打点周期为T＝eq\f(1,f)＝0.02s，由逐差法可知，重锤A运动拖动纸带时的平均加速度为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)如果本实验室电源频率小于50Hz，则实际打点周期大于测量计算所用周期，根据v＝eq\f(Δx,Δt)，可知，瞬时速度的测量值大于真实值。(