第6章　机械能 第8讲　实验 验证机械能守恒定律-【人教版】2025新教材高考物理一轮基础练习

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1.在“验证机械能守恒定律”实验中,小王用如图甲所示的装置,让重物从静止开始下落,打出一条清晰的纸带,其中的一部分如图乙所示。O点是打下的第一个点,A、B、C和D为另外4个连续打下的点。
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.(2023湖南长沙二模)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桌面等高处的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 m/s2)。
A.1 HzB.5 Hz
C.20 HzD.100 Hz
3.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。
4.(2023四川成都模拟)某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律,他将质量分别为mA、mB的A、B两小球用轻质无弹性细绳连接并跨过轻质定滑轮,mA>mB,在B上端分布有两个光电门,光电门中心间距是h,重力加速度为g。实验步骤如下:
(1)用游标卡尺测出小球直径d,如图乙所示,则d= mm。
(2)将A球由静止释放,记录B小球依次通过光电门1和光电门2的遮光时间t1和t2。
(3)计算从光电门1到光电门2过程中系统动能的增量ΔEk= ,系统势能的减少量ΔEp= 。(用题中给出的物理量d,t1,t2,mA,mB,h,g表示)
(4)改变小球B位置,重复实验,并得出结论。
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=27.90 cm,因此机械能的减少量为|ΔEp|=mgxOC=0.2×9.8×0.279 0 J=0.547 J,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=xBD2T=0.330-0.2332×0.02 m/s=2.425 m/s,因此动能的增加量为EkC=12mvC2=12×0.2×2.425×2.425 J=0.588 J。
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)14f2(s8-s6)2
(2)C
解析 (1)A点的速度为vA=s8-s62T=(s8-s6)f2,需要验证的原理公式为mgh=12mv2,可得2gs7=14f2(s8-s6)2。
(2)课桌桌面到地面的高度约为0.8 m,小球做自由落体运动,由图中可知经过8次闪光到达地面,故有12g×(8T)2=0.8 m,解得T=0.05 s,即f=1T=20 Hz,故选C。
3.答案 (1)0.975
(2)dΔt1
(3)gt=dΔt1-Δt2Δt1Δt2
解析 (1)由题图乙可知,游标卡尺的主尺读数为0.9 cm,游标尺的第15刻度线与主尺的某刻度线对齐,则读数为0.05×15 mm=0.75 mm=0.075 cm,则小球的直径为d=0.9 cm+0.075 cm=0.975 cm。
(2)小球通过光电门1时的速度为v1=dΔt1。
(3)小球通过光电门2时的速度为v2=dΔt2,由运动学公式可得小球在t时间内下落的高度h=v1+v22t=dΔt1+dΔt22t=dt(Δt1+Δt2)2Δt1Δt2,则重力势能的减少量ΔEp=mgdt(Δt1+Δt2)2Δt1Δt2,动能的增加量ΔEk=12mv22−12mv12=12mdΔt22−12mdΔt12,在误差允许的范围内,若满足关系式ΔEp=ΔEk,整理即为gt=dΔt1-Δt2Δt1Δt2,则表明该过程中小球的机械能守恒。
4.答案 (1)17.5
(3)(mA+mB)d221t22-1t12
(mA-mB)gh
解析 (1)游标卡尺主尺的读数为17 mm,第5条刻线和主尺刻线对齐,游标尺读数为5×0.1 mm=0.5 mm,游标卡尺读数为17 mm+0.5 mm=17.5 mm。
(3)B球经过光电门1的速度为v1=dt1,B球经过光电门2的速度为v2=dt2,从光电门1到光电门2过程中系统动能的增量为ΔEk=12(mA+mB)v22−12(mA+mB)v12=(mA+mB)d221t22−1t12,系统势能的减少量为ΔEp=(mA-mB)gh。