2025届高考物理一轮复习第6章机械能第8讲实验验证机械能守恒定律练习含答案

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甲
乙
(1)为了减小实验误差,对体积和形状相同的重物,实验时选择密度大的重物的理由是 。
(2)已知交变电流频率为50 Hz,重物质量为200 g,当地重力加速度为9.80 m/s2,则从O点到C点,重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|= J,C点的动能EkC= J。(计算结果均保留3位有效数字)比较EkC与|ΔEp|的大小,出现这一结果的原因可能是 。
A.工作电压偏高
B.存在空气阻力和摩擦力
C.接通电源前释放了纸带
2.某物理兴趣小组在实验室中找到的实验器材有:光电计时器(配两个光电门),铁架台,小钢球,游标卡尺,电磁铁,铅垂线,电源及导线若干。利用这些器材设计如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。
(1)利用铅垂线调整铁架台、光电门等,使电磁铁、光电门1、光电门2的中心在同一竖直线上。
用游标卡尺测量小球的直径,如图乙所示,则小球的直径d= cm。
(2)切断电磁铁的电源,小球由静止自由下落,计时器记录小球通过两个光电门的挡光时间分别为Δt1和Δt2,同时记录小球从光电门1到光电门2
的时间为t。则小球通过光电门1时的速度为 (用题中给出的物理量符号表示)。
(3)当地重力加速度大小为g,若满足关系式 (用题中给出的物理量符号表示),则表明该过程中小球的机械能守恒。
3.(2024广东广州模拟)某同学用图甲所示的实验装置探究线速度与角速度的关系并验证机械能守恒定律。先将两个完全相同的钢球P、Q固定在长为3L的轻质空心纸杆两端,然后在杆长处安装一个阻力非常小的固定转轴O。最后在两个钢球的球心处分别固定一个相同的挡光片,如图乙所示,保证挡光片所在平面和杆垂直。已知重力加速度为g。
实验步骤如下:
(1)该同学将杆抬至水平位置后由静止释放,当P转到最低点时,固定在钢球P、Q球心处的挡光片刚好同时通过光电门1、光电门2;(两个光电门规格相同,均安装在过O点的竖直轴上)
(2)若挡光片通过光电门1、光电门2的时间为tP和tQ,根据该同学的设计,tP∶tQ应为 ;
(3)若要验证“机械能守恒定律”,该同学 (选填“需要”或“不需要”)测量钢球的质量m;
(4)用游标卡尺测量挡光片的宽度,示数如图丙所示,则挡光片宽度d= mm。
丙
(5)在误差允许范围内,关系式 成立,则可验证机械能守恒定律(关系式用g、L、d、tP、tQ表示)。
参考答案
第8讲 实验:验证机械能守恒定律
1.答案 (1)阻力与重力之比更小(或其他合理解释)
(2)0.547 0.588 C
解析 (1)在验证机械能守恒实验时阻力越小越好,密度大的重物阻力与重力之比更小。
(2)OC之间的距离为xOC=27.90cm,因此机械能的减少量为|ΔEp|=mgxOC=0.2×9.8×0.2790J=0.547J,匀变速运动时间中点的速度等于这段时间的平均速度,因此vC=m/s=2.425m/s,因此动能的增加量为EkC=×0.2×2.425×2.425J=0.588J。
工作电压偏高不会引起实验的误差,存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量,只有提前释放了纸带,纸带的初速度不为零,下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量。
2.答案 (1)0.975
(2)
(3)gt=d
解析 (1)由题图乙可知,游标卡尺的主尺读数为0.9cm,游标尺的第15刻度线与主尺的某刻度线对齐,则读数为0.05×15mm=0.75mm=0.075cm,则小球的直径为d=0.9cm+0.075cm=0.975cm。
(2)小球通过光电门1时的速度为v1=。
(3)小球通过光电门2时的速度为v2=,由运动学公式可得小球在t时间内下落的高度h=t=t=,则重力势能的减少量ΔEp=mg,动能的增加量ΔEk=,在误差允许的范围内,若满足关系式ΔEp=ΔEk,整理即为gt=d,则表明该过程中小球的机械能守恒。
3.答案 (2)1∶2 (3)不需要 (4)4.00 (5)2gL=
解析 (2)由圆周运动规律有vP∶vQ=2∶1,又vP∶vQ=,解得tP∶tQ=1∶2。
(3)本实验验证机械能守恒定律时,由于钢球P、Q的质量相等,则验证机械能表达式中质量可以约掉,所以不需要测量钢球的质量。
(4)20分度游标卡尺的精确值为0.05mm,由题图丙可知挡光片宽度为d=4mm+0×0.05mm=4.00mm。
(5)当系统转动过程中满足机械能守恒定律时,有2mgL-mgL=,即2gL=。