高中物理5 实验：验证机械能守恒定律课后作业题

这是一份高中物理5 实验：验证机械能守恒定律课后作业题，共23页。试卷主要包含了5实验，04s闪光一次，8m/s2），等内容，欢迎下载使用。
2020-2021学年人教版（2019）必修第二册
8.5实验：验证机械能守恒定律 课时作业2（含解析）



1．某同学利用如图所示的实验装置验证“系统机械能守恒”。两小球A、B分別固定在一长轻杆的两端，O为穿过轻杆的固定转轴，C为固定在支架上的光电门，初始时使轻杆处于水平状态，重力加速度为g。实验步骤如下：

①测量小球B的直径d，测量球A的质量m1、球B的质量m2；
②由静止释放两小球，当球B通过光电门时，光电门记录光线被球B挡住的时间为∆t；
③该同学取球A、球B和轻杆为一个系统，得出在轻杆由水平转至竖直的过程中，系统动能的增加量∆E、和系统重力势能的减少量∆Ep；
④多次重复步骤②、③，记录下数据；
⑤若在误差允许的范围内∆Ek=∆Ep，系统机械能守恒。
（1）实验中还需要测量的物理量是______。
A．小球A的直径d
B．球A到O点的距离l1
C．球B到O点的距离l2
（2）在轻杆由水平转至竖直的过程中，系统增加的动能△Ek=______系统减少的重力势能∆Ep=______[用已测量的物理量符号和（1）中测出的物理量符号表示]。
2．频闪摄影是研究变速运动常用的实验手段。在暗室中，照相机的快门处于常开状态，O点是小球的释放点，频闪仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光，照亮运动的物体，于是胶片上记录了物体在几个闪光时刻的位置。如图是小球自由下落时的频闪照片示意图，频闪仪每隔0.04s闪光一次。（g取10m/s2）

(1)某同学仔细研究了这幅照片后，经过分析，提出以下说法，你认为正确的是________。
A.OA之间的运动时间等于0.04s
B．由估算OA之间的距离应该约为0.8cm，可能是由于频闪后，过了一定时间小球才开始由静止释放的
C．如果用这幅图来测量重力加速度，应该舍去OA之间的数据，用后面的间距测量
D．小球OD之间减少的重力势能不等于小球在D点的动能（不考虑空气阻力）
(2)根据这幅图像测得小球经过B点时速度的大小为________m/s，小球下落的加速度为______m/s2。（结果均保留两位有效数字）
3．用气垫导轨验证机械能守恒定律，装置如图甲所示，定滑轮下悬挂质量为m的钩码，质量为M的滑块上遮光条宽度为d。实验时，滑块在水平导轨上由静止释放，分别测得遮光条通过光电门1、2的时间为Δt1和Δt2，两光电门中心之间的距离为L。设重力加速度为g。

(1)用游标卡尺测量遮光条宽度，如图乙所示。其读数d=______cm；
(2)若关系式______成立，就可以验证钩码、滑块组成的系统机械能守恒；在钩码从静止释放到滑块经过光电门2时，绳子拉力对滑块做的功为______；（用题目中所给物理量的符号表示）
(3)影响上述实验准确度的因素有：______。
4．某小组同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为8V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50 Hz。重锤从高处由静止开始下落，重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律。

(1)该小组进行了下面几个操作步骤：
A．按照图示的装置安装器件；
B．将打点计时器接到电源的“直流输出”上；
C．用天平测出重锤的质量；
D．先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；
E.测量纸带上某些点间的距离；
F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能。
其中没有必要进行的步骤是______，操作不当的步骤是______；(填选项字母) 
(2)一位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D为连续打出的四个点。根据纸带上的测量数据，可得出打C点时重锤的速度为______m/s；(保留3位有效数字) 
(3)该小组测出多组重物下落的高度h和对应的速度v，并做出－h图像。则做出的图像满足______条件，就能证明重物下落过程机械能守恒；
(4)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，依据实验数据画出－h图像，并求出图线的斜率k，如图丙所示。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Ff＝______N。(结果保留两位有效数字)

5．某实验小组成员用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验。他们在气垫导轨的A位置安装了一个光电门，带有遮光条的滑块与钩码相连，实验时，每次滑块都从B位置由静止释放。

(1)关于实验中的要求，不需要的是_____________
A．滑块和遮光条的质量远大于钩码的质量
B．应使细线与气垫导轨平行
C．应该调节气垫导轨水平
D．位置A、B间的距离适当远些
(2)调节气垫导轨水平后，由静止释放滑块，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t，测得滑块质量为M，钩码质量为m，A、B间的距离为L，遮光条宽度为d，在实验误差允许范围内，钩码减小的重力势能mgL与__________（用直接测量的物理量符号表示）相等，则机械能守恒。
(3)多次改变钩码的质量m，滑块每次在位置B由静止释放，记录每次遮光条通过光电门的时间t，作出图像，如果作出的图像是一条直线，图像与纵轴的截距等于______，图像的斜率等于______，则机械能守恒定律同样得到验证。
6．利用拉力传感器验证系统机械能守恒定律，实验装置如图所示，细线端拴一个小球，另一端连接力传感器，固定在铁架台上，传感器可记录小球在摆动过程中细线拉力大小，用量角器量岀释放小球时细线与竖直方向的夹角，用天平测出球的质量为m，重力加速度为g。

（1）将球拉至图示位置，细线与竖直方向夹角为，静止释放球，发现细线拉力在球摆动过程中作周期性变化.为求出球在最低点的速度大小，应读取拉力的______（填“最大值”或“最小值”），其值为F。
（2）球从静止释放运动到最低点过程中，满足机械能守恒的关系式为______（用测定物理量的符号表示）。
（3）关于该实验，下列说法中正确的有______。
A．可以直接用弹簧测力计代替力传感器进行实验
B．细线要选择伸缩性小的
C．球尽量选择密度大的
D．不必测出球的质量和细线的长度
7．利用如图所示的装置“验证机械能守恒定律”。正确进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图所示。图中O点为打点起始点，且速度为零。选取纸带上打出的连续点A、B、C、…，测出其中E、F、G点距打点起始点O的距离分别为h1、h2、h3，已知重锤质量为m，当地重力加速度为g，打点计时器打点周期为T。


（1）为验证从O到F过程中重锤的机械能是否守恒，需要计算出重锤下落过程中重力势能的减少量ΔEp=___________；
（2）计算动能的增加量ΔEk时需要先计算出打点计时器打下F点时重锤的瞬时速度，=___________，这样计算的依据是____________________________________________；
（3）某小组同学利用同一条纸带上的多个数据点进行计算并将计算结果填入下表（为便于比较，表中数据均保留一位小数）。其中不合理的是第_____组数据，判断的依据是____________。

1
2
3
4
5
(×10-2J)
5.0
10.1
14.7
20.0
29.8
(×10-2J)
4.9
9.8
15.1
19.6
29.4

8．某兴趣小组用频闪摄影的方法验证机械能守恒定律实验中将一钢球从与课桌表面等高处的O点自由释放，在频闪仪拍摄的照片上记录了钢球在下落过程中各个时刻的位置。拍到整个下落过程的频闪照片如图所示。

(1)若已知频闪仪的闪光频率为f，重力加速度为g，再结合图中所给下落高度的符号，为验证从O点到A点过程中钢球的机械能守恒成立，需验证的关系式为：2gs7=___________。
(2)结合实际的实验场景，请估算闪光频率f应为___________。（g取10/s2）
A．1Hz B．5Hz
C．20Hz D．100Hz
(3)关于该实验，下列说法正确的是___________。
A．实验开始时，先释放钢球再打开频闪仪
B．若将实验用的钢球改用同样大小的空心塑料球，则该实验将不能较准确地验证机械能守恒定律
C．也可以用计算出A点的速度，并用来验证机械能守恒
D．若已知闪光频率f，该实验方案也可以测出当地重力加速度g的数值
9．某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律，实验的简易示意图如下，当有不透光物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。将挡光效果好、宽度为d＝3.8×10-3m的黑色胶带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门。他测得各段黑色胶带通过光电门的时间图中所示的高度差，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示。（本题g＝9.8m/s2，表格中M为直尺质量）



（10-3s）

（m·s-1）


（m）
Mg
1
1.21
3.13



2
1.15
3.31
0.58M
0.06
0.58M
3
1.00
3.78
2.24M
0.23
2.25M
4
0.95
4.00
3.10M
0.32
3.14M
5
0.90
①
②
0.41
③
(1)将表格中数据填写完整；______
(2)通过实验得出的结论是：___________________；
(3)从表格中数据可知，直尺上黑色胶带通过光电门的瞬时速度是利用求出的，由于d不是足够小，导致的值比真实值______（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
10．在《验证机械能守恒定律》的实验中，质量m为1.0kg的重物自由下落，带动纸带打出一系列的点，如图所示。相邻计数点间的时间间隔为0.02s，距离单位为cm。

(1)纸带的__________端与重物相连；（填左或右）
(2)打点计时器打下计数点B时，物体的速度vB=_______m/s；（计算结果保留两位有效数字）
(3)从起点O到打下计数点B的过程中物体的动能增加量，△Ek=___J，势能减少量△EP=____J（g=9.8m/s2）（全部计算结果保留两位有效数字），
(4)通过计算，数值上△Ek______△EP（填“大于”，“等于”或“小于”），这是因为_____________；
(5)实验的结论______________。
11．甲、乙两位同学想在家里进行验证机械能守恒定律的实验操作，他们找来了一根米尺、一个质量为m=0.1kg的金属小球、一个具有连拍功能的手机。甲同学负责将米尺竖直放置，并将金属小球从米尺顶端自由释放，乙同学负责在小球自由下落的过程中拍照，得到了如图所示的连拍照片。已知手机每间隔T=0.1s拍一幅照片，当地重力加速度的大小为g=9.8m/s2.

(1)小球下落到B点位置时的速度大小vB=______(结果用字母S1、S2、T表示)，则小球从B点位置下落到D点位置增加的动能为______(结果用字母m、S1、S2，S3、S4、T表示)。小球从B点位置下落到D点位置减少的重力势能为______(结果用字母m、g、S2，S3表示)。若小球增加的动能和减少的重力势能在误差允许的范围内相等，则该实验验证了机械能守恒定律。
(2)已测得图中数据S1=9.8cm，S2=19.3cm，S3=29.1cm，S4=38.8cm，由此可计算出小球下落的加速度的大小a=______m/s2(结果保留两位有效数字)，该加速度略______当地重力加速度(填“大于”“等于”或者“小于”)，主要原因是______。
12．某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。电磁铁固定在铁架台的顶端，光电门固定在电磁铁的正下方，当地重力加速度为g。

(1)实验前先用螺旋测微器测出小球的直径，示数如图乙所示，则小球的直径为d=______cm；
(2)断开电磁铁电源，小球下落通过光电门，光电计时器记录小球的挡光时间为t，测得小铁被电磁铁吸住时离光电门的高度h，若表达式______在误差允许的范围内成立，则机械能守恒定律得到验证；
(3)多次改变光电门位置，测得多组小铁球被电磁铁吸住时离光电门的高度h及对应的小球释放后通过光电门的时间t，该同学想用图像处理数据，为了能直观地反映t随h的变化，应该作填_______（“－h”、“t2－h”、“”、“”）图像，若图像是过原点的一条倾斜直线，且直线的斜率为______，则机械能守恒定律得到验证。若实验中描点作图时，发现有一个点的纵坐标数值明显偏大。可能原因是______。
13．如图甲，实验装置可验证、组成的系统机械能守恒。从高处由静止开始下落，上拖着纸带，打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙。已知打点计时器频率为，、，若不计空气阻力，结果保留两位有效数字。则：
（1）在纸带上打下的第5个点时，和的速度_____________；
（2）在打点0～5过程中系统动能的增量___________，系统势能的减少量__________，由此得出的结论是__________（g取）
（3）若一同学作出图象（如图丙），可以计算当地重力加速度___。


14．（1）某同学用如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律，进行如下操作。

①用天平测定小钢球的质量为m=10.0g；
②用游标卡尺测出小钢球的直径为d=10.0mm；
③用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离为h=81.00cm；
④电磁铁先通电，让小钢球吸在下端；
⑤电磁铁断电，小钢球自由下落；
⑥在小钢球经过光电门的时间内，计时装置记下小钢球经过光电门所用时间为t=2.50×10-3s，由此可计算出小钢球经过光电门时的速度为____ m/s；
⑦计算此过程中小钢球重力势能的减少量为_____J，小钢球动能的增加量为____J（g取10m/s2，结果保留2位有效数字）。
⑧可得到结论：___________。
（2）另一同学用上述实验装置通过改变光电门的位置，用h表示小钢球到光电门时的下落距离，用v表示小钢球通过光电门的速度，根据实验数据作出了如图乙所示的v2-h图像，则当地的实际重力加速度为g=________m/s2。

15．如图所示装置可用来验证摆锤A的机械能守恒。摆锤A系在长为的轻绳一端，另一端固定在点，在A右边缘上放一个小铁片，现将摆锤拉起，当绳与竖直方向成角时由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板阻挡而停止运动，之后铁片将飞离摆锤而做平抛运动。

(1)为了验证摆锤在运动中机械能守恒，除了偏角和绳长之外，实验中还需要测量下列哪些物理量__________
A．小铁片质量
B．摆锤的质量
C．释放摆锤到停止运动的时间
D．小铁片飞离摆锤时离地面的高度
E．小铁片平抛运动过程中在水平方向的距离
(2)根据已知的和测得的物理量，写出能验证摆锤在运动中机械能守恒的表达式__________。

参考答案
1．BC
【详解】
（1）要验证两球组成的系统机械能守恒，必须知道两球重力势能的变化，故需要测出两球重心高度的变化，即球A到O点的距离l1和球B到O点的距离l2；小球直径不需要测量。
故选BC。
（2）[2]在轻杆由水平转至竖直的过程中，最终球B的速度为

根据两球的角速度相等得

解得球B的速度为

则系统增加的动能

[3]A球的重力势能增加，B球的重力势能减少，系统重力势能的减少量为

2．BC 0.79 9.7
【详解】
(1)[1]AB．由估算OA之间的距离应该约为0.8cm，原因应该是由于频闪后，过了一定时间小球才开始由静止释放的，所以小球在OA之间的运动时间应该小于0.04s，选项A错误，B正确；
C．由于OA之间运动时间小于0.04s，测量重力加速度，应该舍去OA之间的数据，用后面的间距测量，选项C正确，
D．O点是释放点，速度为零，不考虑空气阻力时机械能是守恒的，所以小球OD之间减少的重力势能等于小球在D点的动能，选项D错误。
故选BC。
(2)[2]B点的速度

[3]小车加速度

3．0.860 滑轮质量、细绳质量、绳与滑轮之间的摩擦、遮光条太宽
【详解】
(1)[1] 游标卡尺的读数为

(2)[2]滑块通过光电门1的速度为

滑块通过光电门2的速度为

则滑块从光电门1到光电门2过程中，若关系式

成立，就可以验证钩码、滑块组成的系统机械能守恒；
[3] 在钩码从静止释放到滑块经过光电门2时，由动能定理可得，则绳子拉力做的功为

(3)[4] 影响上述实验准确度的因素有：滑轮质量、细绳质量、绳与滑轮之间的摩擦、遮光条太宽
4．C B 2.25 图像是一条过原点的倾斜直线 0.031
【详解】
（1）[1]因为我们是比较的是 和是否相等，即

故m可约去，不需要用天平，故C没有必要。
[2] 将打点计时器接到电源的“直流输出”上，操作不当，应接到交流输出上，B操作不当。
（2）[3]两个相邻计数点的时间间隔为

C点时重锤的速度

（3）[4]根据

得出

做出图像，图像是一条过原点的倾斜直线，就能证明重物下落过程机械能守恒。
（4）[5] 根据动能定理知

则有

可知

解得

5．A
【详解】
(1)[1]验证系统机械能守恒，应将气垫导轨调至水平，使细线与气垫导轨平行，为了减小误差，A与B位置的距离适当大一些。根据机械能守恒表达式可知，实验中不需要满足钩码重力等于绳子的拉力，则不需要使钩码质量远小于滑块和遮光条的总质量
故选A
(2)[2]滑块和钩码的速度为

增加的动能为

当系统减少的重力势能与增加的动能相等时，机械能守恒即

(3)[3][4]由

得

则图像的纵轴截距为，斜率为，则机械能守恒。
6．最大值 BC
【详解】
（1）[1]小球在最低点由牛顿第二定律可得

由此可知，应读出小球在最低时绳的拉力即最大值。
（2）[2]由机械能守恒定律可得

整理得

（3）[3]A．由于弹簧的弹力属于渐变，所以小球摆到最低点瞬间，弹力的测量不准确，A错误；
B．为了减小小球做圆周运动的半径的变化，所以细线要选择伸缩性小的，B正确；
C．为了减小阻力的影响，球尽量选择密度大的体积小的，C正确；
D．球从静止释放运动到最低点过程中，满足机械能守恒的关系式为

可知应测出小球的质量，而不用测出细线的长度，D错误。
故选BC。
7．mgh2 匀变速直线运动中某段时间中点的瞬时速度等于这段时间的平均速度 3 由于阻力的影响，重物下落过程中重力势能的减少量应当略大于重物动能的增加量
【详解】
(1)[1] 从O到F过程中重锤重力势能的减少量为

(2)[2][3]由匀变速直线运动规律可知，匀变速直线运动中某段时间中点的瞬时速度等于这段时间的平均速度，即

故有

(3)[4][5]在此实验中，由于阻力的影响，重物下落过程中重力势能的减少量应当略大于重物动能的增加量，即有，因此第3组数据不合理。
8． C BD
【详解】
(1)A点的速度为

据需要验证的原理公式

可得需要验证的关系式为

(2)课桌表面到地面的高度约为0.8m，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T=0.05s
即

故C正确。
(3)A．实验开始时，应先打开频闪仪再释放钢球，故A错误；
B．若将实验用的钢球改用同样大小的空心塑料球，空气阻力对空心塑料球的阻力不能忽略，小球下落过程中机械能将有较大损失，从而不能较准确地验证机械能守恒定律，故B正确；
C．用计算出A点的速度等效于已经确定钢球下落过程中机械能守恒了，再去验证将无意义，在本实验中A点的速度需用平均速度法求出，故C错误；
D．若已知闪光频率f，运用逐差法通过该实验方案可以测出当地重力加速度g的数值，故D正确。
故选BD。
9．4.22，4.00M或4.01M，4.01M或4.02M 在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量 偏大
【详解】
(1)[1]表格中数据如下



(2)[2]通过实验得出的结论是：在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量。
(3)[3]实际测量的平均速度等于时间中点的瞬时速度，实际速度应该是位移中点的瞬时速度，由速度图像可知，时间中点的瞬时速度小于位移中点的瞬时速度，所以动能的测量值都偏小，随着速度的增加，速度的误差越来越小，越来越接近实际速度，动能也越来越接近实际的动能，因此两次的动能差增大，导致动能增量比实际偏大。
10．左 0.98m/s 0.48J 0.49J 小于 实验中有空气阻力和摩擦阻力 在实验误差范围内，重力势能的减少量与动能的增加量相等，机械能守恒
【详解】
（1）[1] 与重物相连的纸带一端应该先打出点，先打出点的速度较小，从纸带图上可以看出是左端。
（2）[2] 物体的速度

（3）[3] 从起点O到打下计数点B的过程中物体的动能增加量

[4] 重力势能减小量

（4）[5] 通过计算，数值上

[6] 实验中有空气阻力和摩擦阻力。
（5）[7] 在误差允许的范围内，重力势能的减小量与动能的增加量相等，知物体在下落过程中机械能守恒。
11． 9.7 小于 小球下落过程中受到空气阻力的作用
【详解】
(1)[1]由题意可知，匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于相邻两侧的平均速度，则B点的瞬时速度为

[2]D点的瞬时速度为

则小球从B点位置下落到D点位置增加的动能为

[3] 小球从B点位置下落到D点位置减少的重力势能为

(2)[4] 小球下落的加速度的大小为

[5]与重力加速度相比较，小球下落的加速度小于重力加速度。
[6]小球在下落的过程中，由于受到空气阻力的影响，导致小球下落加速度小于重力加速度。
12．0.3290 小球挡光宽度明显小于小球的直径
【详解】
(1)[1]螺旋测微器的固定刻度为，可动刻度读数为，所以最终读数为。
(2)[2]若成立，即

成立，则机械能守恒定律得到验证。
(3)[3]为了能直观地反映t随h的变化，图像应该是一条直线，由得到

因此应该作图像。
[4]当图像的斜率为

时，机械能守恒定律得到验证。
[5]若实验中描点作图时，发现有一个点的纵坐标数值明显偏大，即挡光时间明显偏小，则可能原因是小球挡光宽度明显小于小球的直径。
13．2.4 0.58 0.60 在误差允许的范围内，m1、m2 组成的系统机械能守恒 9.7
【详解】
(1)[1]根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度，可知打第5个点时的速度为

(2)[2]物体的初速度为零，所以动能的增加量为

[3]重力势能的减小量等于物体重力做功，故

[4]在误差允许的范围内，m1、m2 组成的系统机械能守恒。
(3)[5]本题中根据机械能守恒可知

即有

所以作出的图象中，斜率表示重力加速度，由图可知斜率

故当地的实际重力加速度

14．4 8.1×10-2 8.0×10-2 在误差允许范围内，小钢球自由下落过程中机械能守恒 9.7
【详解】
（1）[1] 小钢球经过光电门时的速度

[2] 小钢球重力势能的减少量

[3] 小球动能的增加量

[4] 在误差允许范围内，小钢球自由下落过程中机械能守恒。
（2）[5] 小球下落过程只有重力做功，机械能守恒，由机械能守恒定律得

整理得

由图示 图像可知，图像的斜率

重力加速度

15．DE
【详解】
(1)[1]为了验证摆锤在运动中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度。铁片在最低点飞出时做平抛运动，铁片平抛的初速度即为摆锤在最低点的速度，根据平抛运动规律可得


联立求得

因此要想求出平抛运动的初速度，应该测量遇到挡板后铁片的水平位移x和竖直下落的高度h。故选DE。
(2)[2]重锤下落过程中机械能守恒，则有

又因为
，
联立解得