高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律综合训练题

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律综合训练题，共15页。试卷主要包含了前提条件，研究对象举例，速度的测量，测距离，实验等内容，欢迎下载使用。

知识结构导图
核心素养目标
科学思维：掌握实验原理和方法，掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律，能对实验结果进行讨论及误差简单分析
科学探究：验证机械能守恒定律，熟悉瞬时速度的测量方法．
科学态度与责任：通过实验验证，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观
知识点一 实验思路
阅读教材第95页“实验思路”部分．
1．前提条件：机械能守恒的前提是“只有________或________做功”，因此研究过程一定要满足这一条件．
2．研究对象举例
(1)自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件．
(2)物体沿光滑斜面下滑过程，满足________的条件．
(3)用细线悬挂的小球摆动的过程满足________的条件．
知识点二 物理量的测量
阅读教材第3～4页“物体做曲线运动的条件”部分．
需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量．
1．实验时，其实可以不测量物体的质量．
2．高度的测量
物体所处位置的高度用米尺(毫米刻度尺)测量．
3．速度的测量
①用打点计时器打下的纸带测量：测出打n点前、后相邻两段相等时间T内物体运动的距离xn和xn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝eq \f(xn＋xn＋1,2T)(或vn＝eq \f(hn＋1－hn－1,2T))即可得到打n点时物体的瞬时速度，如图所示．
②用光电门测量：遮光条通过光电门时的瞬时速度等于遮光条通过光电门时的平均速度，则根据遮光条的宽度l和遮光时间Δt，可以算出物体经过光电门时的速度v＝eq \f(l,Δt).
知识点三 数据分析
阅读教材第96页“数据分析”部分．
方法1： 计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足eq \f(1,2)mveq \\al(2,2)＋mgh2＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,1)＋mgh1①
方法2： 计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足eq \f(1,2)mveq \\al(2,2)－eq \f(1,2)mveq \\al(2,1)＝mgh1－mgh2②
若在误差允许范围内，等式①(或②)满足，即可验证机械能守恒．
要点一 探究过程·获取数据
操作过程
1．安装置：将打点计时器固定在铁架台上，并用导线将打点计时器与交流电源相连接
2．打纸带：把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近，接通电源，待打点稳定后松开纸带，让重物自由下落．重复几次，打下3～5条纸带
3．选纸带：选取点迹清晰的纸带，在第一个点及距离第一个点较远的点上依次标上0、1、2、3
4．测距离：测出0到点1、点2、点3、…的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3…
注意事项
1．打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力．
2．重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．
3．一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落．
4．测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝eq \f(hn＋1－hn－1,2T)，不能用vn＝eq \r(2ghn)或vn＝gt来计算．
【例1】 在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz，依次打出的点为0、1、2、…、n.则：
(1)如果用打出的点2到点6之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为________、________、________，必须计算出的物理量为________、________，验证的表达式为________．
(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是________(填写步骤前面的字母)．
A．将打点计时器竖直安装在铁架台上
B．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落
C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验
D．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带
E．选择一条纸带，用刻度尺测出重物下落的高度h1、h2、h3、…、hn，计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3、…、vn
F．分别算出eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)和mghn，在实验误差范围内看是否相等
练1 如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律．
(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是________．
A．重物选用质量和密度较大的金属锤
B．两限位孔在同一竖直面内上下对正
C．精确测量出重物的质量
D．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示，纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点．重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________．
A．OA、AD和EG的长度 B．OC、BC和CD的长度
C．BD、CF和EG和长度 D．AC、BD和EG的长度
要点二 实验数据处理与分析
数据处理
方案一 利用起始点和第n点计算，代入ghn和eq \f(1,2)veq \\al(2,n)，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝eq \f(1,2)veq \\al(2,n)，则验证了机械能守恒定律．
方案二 任取两点计算．
(1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB.
(2)算出eq \f(1,2)veq \\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \\al(2,A)的值．
(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝eq \f(1,2)veq \\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \\al(2,A)，则验证了机械能守恒定律．
方案三 图像法．从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以eq \f(1,2)v2为纵轴，以h为横轴，绘出eq \f(1,2)v2 ­ h图线，若是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．
误差分析
【例2】 某实验小组利用如图甲所示的实验装置，完成“验证机械能守恒定律”的实验，请根据实验原理和步骤完成下列问题：
(1)在实验操作中，释放纸带瞬间的四种情景如乙图照片所示，你认为最合理的是( )
(2)如图丙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起始点，选取纸带上连接的点A、B、C、D、E、F作为计数点，并测出各计数点到O点的距离依次为27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm，已知打点计时器所用的电源是50 Hz的交流电，重物的质量为0.5 kg，则从计时器打下点O到打下点D的过程中，重物减小的重力势能ΔEp＝________ J，重物增加的动能ΔEk＝________ J，两者不完全相等的主要原因是________(重力加速度g取9.8 m/s2，计算结果保留三位有效数字)．
练2 某实验小组的同学用如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律，他们的主要实验步骤如下：
A．按图示安装好器材
B．将电火花计时器接到电源上
C．接通电源后释放纸带，打出一条纸带
D．换用另外的纸带，重复步骤C
E．选取点迹清晰的纸带，测量所选纸带上一系列测量点距初位置的距离
F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能和它增加的动能，比较二者是否相等
请回答下列问题：
(1)为完成此实验，除了图中所给器材外，下列各项中，还必需的器材有________(填正确选项前的字母)．
A．停表 B．毫米刻度尺
C．4～6 V的交流电源 D．220 V的交流电源
(2)实验中，夹子与重物的质量m＝250 g，如图乙所示为选取的一条符合实验要求的纸带，O为打下的第一个点，A、B、C为打下的三个连续的点．已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，当地的重力加速度g＝9.8 m/s2，选取OB段来验证机械能守恒定律，则重物重力势能的减少量ΔEp＝________J，打B点时重物的瞬时速度vB＝________m/s.(结果均保留3位有效数字)
(3)若纸带上某点距初位置的距离为h，计算出对应的速度为v.以h为横轴，v2为纵轴，画出的图线如图丙所示，图线的斜率为k，则当地的重力加速度为________．(不计一切阻力)
要点三 实验方法的迁移与拓展
1．方案一
如图甲所示，用光滑斜面和小车验证机械能守恒定律，在打出的小车拖动的纸带上取两点A、B，分别求出它们对应的速度vA、vB，测出斜面的高度h、长度L及A、B之间的距离L0.只需要验证关系式gL0eq \f(h,L)＝eq \f(1,2)veq \\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \\al(2,A)成立，即可验证小车沿光滑斜面下滑的过程中机械能是守恒的．
2．方案二
如图乙所示，用斜槽、钢球等器材验证钢球从斜槽滚下过程中的机械能守恒，从斜槽某高度处固定点A由静止开始释放钢球，重复多次，找出平均落地点P，测量A点到桌面的高度h1，斜槽末端到O点的高度h2，O点到P点的距离x.由平抛运动知识可知x＝v0t及h2＝eq \f(1,2)gt2，得钢球做平抛运动的初速度v0＝xeq \r(\f(g,2h2))，以桌面为零势能面，则钢球在A点的重力势能Ep＝mgh1，钢球在平抛运动起始点的动能Ek＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,0).若Ep＝Ek，得h1＝eq \f(x2,4h2).即只要h1＝eq \f(x2,4h2)，那么机械能就守恒．
3．方案三
利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图丙所示，从与光电门连接的数字计时器上读出遮光条通过光电门1和光电门2的时间Δt1、Δt2，用天平测量出滑块和遮光条的总质量M及托盘和砝码的总质量m，用刻度尺测量出遮光条宽度l，从导轨标尺上读出两光电门之间的距离L，则滑块通过光电门1、2时系统的总动能分别为Ek1＝eq \f(1,2)(m＋M)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(l,Δt1)))2，Ek2＝eq \f(1,2)(m＋M)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(l,Δt2)))2，而系统重力势能的减少量ΔEp＝mgL，如果ΔEp＝Ek2－Ek1，则验证了机械能守恒定律．
【例3】 甲同学准备做“探究功与物体速度变化的关系”实验。乙同学准备做“验证机械能守恒定律”实验。
(1)图1为实验室提供的部分器材，甲、乙均要使用的器材是________(填字母代号)．
(2)用一条纸带穿过打点计时器的限位孔，发现有图2的两种穿法，两同学犹豫不决．你认为________(选填“A”或“B”)的穿法更合理．
(3)图3是甲、乙两同学在实验中得到的两条纸带①、②，打点计时器的工作频率为50 Hz，纸带①中b点的速度为________ m/s，其中纸带________(填“①”或“②”)是验证机械能守恒定律实验得到的．
(4)关于这两个实验下列说法正确的是__________(填字母代号)．
A．甲同学可以利用纸带上任意两点间的距离求所需速度
B．甲同学实验时长木板倾斜的目的是使橡皮筋所做的功等于合力所做的功
C．乙同学可以取纸带上任意2个计时点进行数据处理
D．乙同学实验时使重物靠近打点计时器释放是为了获取更多的计时点
练3 在如图甲所示的光电计时器中，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．现利用图乙所示装置验证机械能守恒定律．图中PQ是固定的光滑斜面，斜面的倾角为θ＝30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出，让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00×10－2s和2.00×10－2s.已知滑块质量为m＝2.00 kg，滑块沿斜面方向的宽度为d＝5.00 cm，光电门1和2之间的距离为L＝0.540 m，g＝9.80 m/s2，设滑块经过光电门时的速度为其平均速度．
(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．由此可得出的结论是________________．
1.
利用如图所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h，某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案．
A．用刻度尺测出重物下落高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度v.
B．用刻度尺测出重物下落的高度h，并通过v＝eq \r(2gh)计算出瞬时速度v.
C．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过h＝eq \f(v2,2g)计算出高度h.
D．用刻度尺测出重物下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v.
(1)以上方案中只有一种最合理，最合理的是________．(填入上述方案相应的字母)
(2)要使该实验误差尽量小，下列注意点正确的是________．(填入相应的字母)
A．使重物的质量越大越好，但悬挂时不能拉断纸带
B．选用电火花计时器比电磁打点计时器更好，可减小阻力的影响
C．测长度时保持纸带悬挂状态，刻度尺的读数更准确
D．纸带上留下的点越大越好
E．纸带越长越好
2．在用落体法验证机械能守恒定律实验中：
(1)下列图中释放纸带的操作正确的是( )
(2)甲同学按照正确的步骤操作，利用纸带算出的重物重力势能的减少量ΔEp，往往略大于动能的增加量ΔEk，这是因为________________；
(3)
乙同学设计了如图所示的实验装置验证机械能守恒定律：通过电磁铁控制一小铁球从A点自由下落，铁球下落过程中经过光电门B时，计时器(图中未画出)记录挡光时间t，用刻度尺测出A、B之间的距离h，已知小铁球的直径为d，当地重力加速度为g，当题中所给的d、t、h、g满足关系式________________，即可验证小铁球下落过程中机械能守恒．
3.
某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律．频闪仪每隔0.05 s闪光一次，图中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度g取9.8 m/s2，小球质量m＝0.2 kg，计算结果保留三位有效数字)：
(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝______m/s.
(2)从t2到t5时间内，重力势能增加量ΔEp＝________ J，动能减少量ΔEk＝________J.
(3)在误差允许的范围内，ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔEp________ΔEk(选填“>”“