人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行精品课时练习

这是一份人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行精品课时练习，共8页。试卷主要包含了实验步骤和数据处理，创新实验设计等内容，欢迎下载使用。
1. 如图所示为用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置。
(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列物理量中要用工具测量和通过计算得到的有（ ）
A.重锤的质量
B.重力加速度
C.重锤下落的高度
D.与重锤下落高度对应的重锤瞬时速度
(2)有同学按以下步骤进行实验操作：
A.用天平称出重锤和夹子的质量；
B．固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器；
C．松开纸带，接通电源，开始打点。并如此重复多次，以得到几条打点纸带；
D．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较近处选择连续几个计数点（或计时点），并计算出各点的速度值；
E．测出各点到O点的距离，即得到重锤下落的高度。
F.计算出mghn和，看两者是否相等。
在以上步骤中，不必要的步骤是___________；有错误或不妥的步骤是___________（填写代表字母）；更正情况是
①___________，
②___________，
③___________，
④___________。
(3)实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，这样做可以___________（选填“消除”“减小”或“增大”）纸带与限位孔之间的摩擦。
(4)在实际测量中，重物减少的重力势能通常会___________（选填“略大于”“等于”或“略小于”）增加的动能。
2. 在利用重锤下落验证机械能守恒定律的实验中：
（1）有下列器材可供选用：重锤，铁架台，天平，秒表，电磁打点计时器，复写纸，纸
带，低压直流电源．其中不必要的器材有____________；缺少的器材是_______________。实验中用打点计时器打出的纸带如下图所示，
其中，A为打下的第1个点，C、D、E、F为距A较远的连续选取的四个点（其他点未标出）．用刻度尺量出C、D、E、F到A的距离分别为s1=20.06cm，s2=24.20cm，s3=28.66cm，s4=33.60cm．重锤的质量为m=1.00kg；打点周期为T=0.02s；实验地点的重力加速度为g=9.80m/s2．为了验证打下A点到打下D点过程中重锤的机械能守恒，应计算出：打下D点时重锤的速度v=________（ 用题予字符表达）=___________m/s，重锤重力势能的减少量ΔEp=_______=（ 用题予字符表达）____J，重锤动能的增加量=___________ （ 用题予字符表达）=_____J．（小数点后保留2位有效数字）
【课堂练习】
3. 现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”。图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的数字计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的数字计时器显示的挡光时间分别为5.00 × 10 - 2s、2.00 × 10 - 2s。已知滑块质量为2.00kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00cm，光电门1和2之间的距离为0.54m，g取9.80m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度。（结果均保留三位有效数字）
（1）滑块通过光电门1时的速度v1= ________m/s，通过光电门2时的速度v2= ________m/s。
（2）滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为______J，重力势能的减少量为________J。
（3）实验可以得出的结论：________。
二、创新实验设计
4. 某同学利用如图所示装置验证机械能守恒定律：光滑圆弧轨道竖直放置，轨道边缘标有表示圆心角的刻度，轨道最低点装有压力传感器。现将小球置于轨道上θ刻度处由静止释放，当其通过最低位置时，读出压力传感器的示数F，已知当地重力加速度为g。
(1)为验证小球在沿轨道下滑过程中机械能守恒，实验中还必须测量的物理量有___________。
A．轨道的半径R
B.小球的质量m
C.每次小球释放点离地面的高度h
D.每次小球在轨道上运动的时间t
(2)根据实验测得的物理量，写出小球在运动过程中机械能守恒应满足的关系式为F=___________。
(3)写出一条提高实验精确度的建议：___________。
5. 用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，物块2从高处由静止开始下落，物块1上拖着的纸带打出了一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即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，其中0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个计时点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示。已知物块1、2的质量分别为m1= 50g、m2= 150g。（电源频率为50Hz，结果均保留两位有效数字）
（1）在纸带上打下计数点5时的速度v5= ________m/s。
（2）在打点0 ~ 5过程中，系统动能的增加量ΔEk= ______J，系统重力势能的减少量ΔEp= ________J。（g取10m/s2）
（3）若某同学作出的v2—h图像如图丙所示，则当地的实际重力加速度g = ________m/s2。
6. 如图所示的装置可用来验证机械能守恒定律，摆锤A拴在长为L的轻绳一端，轻绳另一端固定在O点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起，使绳与竖直方向成θ角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P的阻挡而停止运动，之后铁块将飞离摆锤做平抛运动．
(1)为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度．为了求出这一速度，还应测量的物理量有__________．
(2)用测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v＝__________．
(3)用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为______．
参考答案
1．CD；A；BCDF ；B中手应抓住纸带末端让重锤尽量靠近打点计时器；C中应先接通电源再松开纸带；D中应选取离O点较远的点；F中应计算ghn和的值；减小；略大于
【详解】
(1)通过实验原理可知，重锤下落高度要用毫米刻度尺直接量出，下落这一高度时对应的瞬时速度用相邻两点间的平均速度求出，故需用工具测量的是C，通过计算得到的是D。
(2)因本实验是通过比较重力势能的减少量ΔEp是否等于动能的增加量ΔEk来验证机械能守恒的，由
可得
即只需验证ghn与是否相等即可，不需要知道动能的具体数值，因而不需要测出重物（含重锤和夹子）的质量，故步骤A是不必要的。
有错误或不妥的步骤是B、C、D、F。原因和更正办法分别是：
①B中“让手尽量靠近打点计时器”应改为“让重锤尽量靠近打点计时器”。因打点计时器应从与重锤靠近的纸带处开始打点，不致留下过长的空白纸带，纸带也不宜过长，约40 cm即可。
②C中应先接通电源，后松开纸带。因为只有当打点计时器工作正常后再让重锤下落，才可保证打第一个点时重锤的初速度为零，并且使纸带上的第一个点是清晰的小点。
③D中应将“距离O点较近处”改为“距离O点较远处”。因为所取的各计数点应尽量是重锤自由下落运动的真实记录，而打点计时器接通电源开始工作后不一定很快就能达到稳定状态，同时开始的几个点比较密集，会增加长度测量的误差。
④F中应将“mghn和”改为“ghn和”。因本实验中是通过比较重锤的重力势能减少量mghn和动能增加量的大小来达到验证的目的，对于同一个研究对象（重锤）来说，质量是一定的，故只需比较ghn和就能达到目的。
(3)打点计时器的两个限位孔如果不在同一竖直线上，纸带运动中就会与限位孔之间有摩擦，重物下落时要克服这个阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，实验存在误差，纸带与限位孔之间的摩擦是无法避免的，这样做只能减小纸带与限位孔之间的摩擦。
(4)实际实验中，重锤要受到空气阻力，纸带和打点计时器的振针和限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，有一小部分转化为内能，故重物减少的重力势能通常会略大于增加的动能。
2．天平；秒表；低压直流电源；刻度尺；低压交流电源； ；2.15；mgs2 ；2.37； ；2.31
【详解】
（1）实验过程中可以将等式两边的质量消去，所以不需要天平测量质量，打点计时器本身是一个计时的工具，所以不需要秒表，因为高中阶段的两种打点计时器都是使用的交流电，不需要低压直流电源，电磁打点计时器需要4-6V的低压交流电源，需要刻度尺测量纸带上两点间的距离，
（2）由匀变速直线运动的推论得
从起点O到打下点D的过程中，重力势能的减少量
重锤动能的增加量
3．1.00；2.50；5.25；5.29；在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒
【详解】
（1）滑块通过光电门1时的速度为
v1 = = m/s = 1.00m/s
滑块通过光电门2时的速度
v2 = = m/s = 2.50m/s
（2）动能增加量
ΔEk = mv22 - mv12 = 5.25J
重力势能的减少量
ΔEp = mgssin30° ≈ 5.29J
（3）在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒。
4．B ；3mg-2mgsinθ；多次测量取平均值
【详解】
(1)小球沿轨道下滑过程中，只有重力做功，重力势能转化为小球的动能，根据机械能守恒定律得
mgR（1-sinθ)=mv2
在轨道最低位置处根据牛顿第二定律得
F-mg=m
联立可得
mgR（1-sinθ)= R（F-mg）
整理得
mg（1-sinθ)= （F-mg）
由此可知，要验证小球沿轨道下滑过程中机械能守恒，实验中还必须测量小球的质量。
故选B。
(2)将前面求得表达式
mg（1-sinθ)= （F-mg）
变形可得
F=3mg-2mgsinθ
(3)为提高实验精确度，可以多次测量取平均值，或者是减小空气阻力的影响（减小小球体积或增大其密度等）。
5．2.4； 0.58； 0.60；9.7
【详解】
（1）物块做匀变速直线运动，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，可知在纸带上打下计数点5时的速度
v5= = m/s = 2.4m/s
（2）在打点0 ~ 5过程中，系统动能的增量
ΔEk= (m1 + m2)v52 ≈ 0.58J
系统重力势能的减少量
ΔEp= (m2 - m1)gh5= 0.60J
（3）根据机械能守恒定律得
(m1 + m2)v2= (m2 - m1)gh
则有
v2= gh = gh
所以v2—h图像的斜率
k = g = m/s2= 4.85m/s2
故
g = 9.7m/s2
6．遇到挡板之后铁片的水平位移s和坚直下落高度h；；
【详解】
①铁片在最低点飞出时做平抛运动,平抛的初速度即为铁片在最低点的速度,
根据平抛运动规律可以知道因此要想求出平抛的初速度,应该测量遇到挡板后铁片的水平位移x和竖直下落高度h.
②根据铁片做平抛运动有: 联立得出:
③下落到最低点过程中,摆锤重力势能的减小量等于其重力做功,因此有:
动能的增量为: ，根据得机械能守恒的关系式为