2022届高考物理一轮复习专题46验证机械能守恒定律的实验练习含解析

这是一份2022届高考物理一轮复习专题46验证机械能守恒定律的实验练习含解析，共8页。

(1)纸带________(填“甲”或“乙”)是在“验证机械能守恒定律”的实验中得到的．
(2)任选一条纸带，计算在记录计时点5时，物体运动的速度v5＝________m/s.(结果保留三位有效数字)
2．[2021·贵州凯里联考]某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，在气垫导轨上安装一个光电门，滑块上固定一遮光条．
(1)用天平测得重物的质量为m1，滑块的质量为m2.
(2)用螺旋测微器测遮光条的宽度d，测量结果如图乙所示，则d＝________cm.
(3)按图甲所示组装实验装置，将滑块由静止释放，测得遮光条起始位置到光电门的距离为x，遮光条通过光电门的时间为t.若实验结果表明，重物和滑块运动过程中机械能守恒，则机械能守恒的表达式为m1gx＝________(用已知量相应的字母表示，g为重力加速度).
3．[2021·湖南师大附中联考]如图甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验．有一直径为d、质量为m的金属球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为H(H≫d)，光电计时器记录下金属球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g.则：
(1)如图乙所示，用游标卡尺测得金属球的直径d＝_________________________mm.
(2)多次改变高度H，重复上述实验，作出eq \f(1,t2)随H的变化图像如图丙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及金属球的直径d满足以下表达式：________时，可判断小球下落过程中机械能守恒．
(3)实验中发现动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，增加下落高度后，则ΔEp－ΔEk将________(填“增加”“减小”或“不变”).
4．[2021·石家庄质检]小明同学利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中红外线发射器、接收器可记录小球的挡光时间．小明同学进行了如下操作：
(1)用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径为________mm；
(2)该小球质量为m、直径为d.现使小球从红外线的正上方的高度h处自由下落，记录小球挡光时间t，已知重力加速度为g，则小球下落过程中动能增加量的表达式为________；重力势能减少量的表达式为__________________(用所给字母表示).
(3)改变小球下落高度h，多次重复实验，发现小球动能的增加量总是小于重力势能的减少量，你认为可能的原因是________________________________________________
________________________________________________________________________(至少写出一条).
5．[2021·陕西摸底]某实验小组的同学利用自由落体法验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，该小组的同学完成了如下的操作：
(1)首先利用螺旋测微器测出了小球的直径，其示数如图乙所示，则该小球的直径d＝________cm.
(2)将该小球由光电门1的正上方无初速度释放，测得小球先后通过光电门1和光电门2所用的时间为Δt1和Δt2，则小球通过两光电门的速度分别为v1＝________，v2＝________．(用所测量的物理量符号表示)
(3)该小组的同学测出了两光电门之间的距离为H，重力加速度用g表示，若小球的机械能守恒，则需要验证的关系式为__________________．(用所测量的物理量符号表示)
6．[2021·河北卷]某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系．所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50g的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200g，其上可放钩码)、刻度尺．当地重力加速度为9.80m/s2.实验操作步骤如下：
①安装器材，调整两个光电门距离为50.00cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；
②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；
③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；
④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，如下表所示．
回答下列问题：
(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为________J(保留3位有效数字)；
(2)步骤④中的表格所缺数据为________；
(3)以M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出ΔE－M图像；
若只考虑滑块与木板之间的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为________(保留2位有效数字).
7．[情境创新]某同学利用图示装置，验证以下两个规律：
①两物块通过不可伸长的细绳相连接，沿绳方向分速度大小相等；
②系统机械能守恒．
P、Q、R是三个完全相同的物块，上面固定有相同的遮光片，P、Q用细绳连接，放在水平气垫导轨上．物块R与轻质滑轮连接，放在细绳正中间，三个光电门分别放置于a、b、c处，调整三个光电门的位置，能实现同时遮光．最初细绳水平，现将三个物块由静止释放．(忽略R上的遮光片到轻质滑轮间的距离)
(1)为了能完成实验，除了记录P、Q、R上面三个遮光片的遮光时间t1、t2、t3外，还需测量的物理量有________(多选).
A．P、Q、R的质量M
B．两个定滑轮间的距离d
C．R的遮光片到c的距离H
D．遮光片的宽度x
(2)根据装置可以分析出P、Q的速度大小相等，则验证的表达式为________________．
(3)若要验证物块R沿绳方向分速度与物块P速度大小相等，则验证的表达式为________________．
(4)若已知当地重力加速度g，则验证系统机械能守恒的表达式为________________．
8．某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律．一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条．将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v＝eq \f(d,t)作为钢球经过A点时的速度．记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒．
(1)用ΔEp＝mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到________之间的竖直距离．
A．钢球在A点时的顶端
B．钢球在A点时的球心
C．钢球在A点时的底端
(2)用ΔEk＝eq \f(1,2)mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图乙所示，其读数为________cm.某次测量中，计时器的示数为0.0100s，则钢球的速度为v＝________m/s.
(3)下表为该同学的实验结果：
他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的．你是否同意他的观点？请说明理由．
(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议．
专题46 验证机械能守恒定律的实验
1．(1)乙 (2)1.75或2.42
2．(2)0.5500 (3)eq \f(1,2)(m1＋m2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))eq \s\up12(2)
3．(1)7.25 (2)2gH0t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0)) ＝d2 (3)增加
解析：(1)根据游标卡尺读数规则得读数为7mm＋5×0.05mm＝7.25mm.
(2)若要满足机械能守恒，则金属球减小的重力势能等于金属球增加的动能mgH0＝eq \f(1,2)meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t0)))eq \s\up12(2)，化简得2gH0t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(0)) ＝d2.
(3)重力势能的减少量等于动能的增加量和克服阻力做功之和，下落高度增加，则克服阻力做功增加，ΔEp－ΔEk将增加．
4．(1)15.220(15.219～15.221均可) (2)eq \f(1,2)meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))eq \s\up12(2) mgh
(3)阻力做负功 (表述合理，体现出阻力作用，即可)
解析：(1)螺旋测微器要估读，它的读数为主尺读数＋螺旋尺读数，图示读数为15mm＋0.220mm＝15.220mm.
(2)ΔEk＝eq \f(1,2)meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))eq \s\up12(2)－0＝eq \f(1,2)meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,t)))eq \s\up12(2)，ΔEp＝mgh.
(3)小球下落的过程要克服阻力做功，所以小球动能的增加量总是小于重力势能的减少量．
5．(1)0.3800 (2)eq \f(d,Δt1) eq \f(d,Δt2) (3)2gH＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt2)))eq \s\up12(2)－eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt1)))eq \s\up12(2)
6．(1)0.980 (2)0.588 (3)如图所示 0.40
解析：(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量ΔEp＝4mgL＝4×0.05kg×9.80m/s2×0.50m＝0.980J.
(2)根据能量守恒定律得ΔE3＝ΔEp－ΔEk3＝0.980J－0.392J＝0.588J.
(3)根据表格中的数据描点、连线，得到ΔE－M图像如图所示．由功能关系得ΔE＝μMgL＝μgLM，可知k＝μgL＝eq \f(0.79－0.39,0.400－0.200)，解得μ＝0.40.
7．(1)BCD (2)t1＝t2 (3)eq \f(t3,t1)＝eq \f(2H,\r(4H2＋d2)) (4)eq \f(2gH,x2)＝eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(3)) )＋eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2)) )＋eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) )
解析：(1)要证明①，需要测量d和H，通过几何关系可证明沿绳方向分速度大小相等；要证明②，需要测量H和x，通过验证系统重力势能减少量和动能增加量相等来验证机械能守恒，故需要测量的物理量有d、H、x，故BCD三项正确．(2)物块P的速度vP＝eq \f(x,t1)，物块Q的速度vQ＝eq \f(x,t2)，因此要验证P、Q的速度大小相等需要验证t1＝t2.(3)物块R的速度vR＝eq \f(x,t3)，要验证物块R沿绳方向分速度与物块P速度大小相等，则需要验证表达式vRcsθ＝vP，即vR·eq \f(H,\r(H2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,2)))\s\up12(2)))＝vP，代入解得eq \f(t3,t1)＝eq \f(2H,\r(4H2＋d2)).(4)整个系统减少的重力势能是ΔEp＝MgH，增加的动能是ΔEk＝eq \f(1,2)Mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(P)) ＋eq \f(1,2)Mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(Q)) ＋eq \f(1,2)Mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(R)) ，要验证机械能守恒，需验证ΔEp＝ΔEk，即验证表达式eq \f(2gH,x2)＝eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(3)) )＋eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2)) )＋eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) ).
8．解析：(1)钢球下落高度h，应测量释放时的钢球球心到钢球在A点时的球心之间的竖直距离，故选B.
(2)遮光条的宽度d＝1.50cm，钢球的速度v＝eq \f(d,t)＝1.50m/s.
(3)不同意，因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp.
(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算ΔEk时，应找到钢球的速度v′＝eq \f(l,L)v.
M/kg
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
ΔEk/J
0.587
0.490
0.392
0.294
0.195
ΔE/J
0.393
0.490
0.686
0.785
ΔEp(×10－2J)
4.892
9.786
14.69
19.59
29.38
ΔEk(×10－2J)
5.04
10.1
15.1
20.0
29.8