高中物理鲁科版 (2019)必修 第二册第1章 功和机械能第5节 科学验证:机械能守恒定律当堂达标检测题

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第二册第1章 功和机械能第5节 科学验证:机械能守恒定律当堂达标检测题，共16页。试卷主要包含了40+21等内容，欢迎下载使用。
第2课时　验证机械能守恒定律基础过关练题组一　实验器材与实验操作1.在做“用落体法验证机械能守恒定律”的实验时,除了铁架台、低压交流电源、刻度尺、纸带等实验器材外,还需要的器材是              (　　)A.秒表　　　B.天平C.打点计时器　　　D.弹簧测力计2.(多选)某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验,下列操作步骤中正确的是              (　　)A.把电磁打点计时器固定在铁架台上,并用导线连接到低压交流电源上B.把连有重锤的纸带穿过限位孔,将纸带和重锤提升到一定高度C.先释放纸带,再接通电源D.更换纸带,重复实验,处理数据题组二　实验原理与数据处理3.(多选)用自由落体运动验证机械能守恒定律就是看m是否等于mghn(n对应打下的第n个点)。关于该实验的下列说法正确的是              (　　)A.打点计时器打第一个点O时,重物的速度为零B.hn是计时点n到第一个点O的距离C.m为重物的质量,需用天平称量D.可以用vn=gtn计算vn,其中tn=(n-1)T(T为打点周期)4.学校实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验时,提出了如图甲、乙所示的两种方案:甲方案为用自由落体运动进行实验;乙方案为用小车在木板斜面上下滑进行实验。(1)组内同学对两种方案进行了讨论分析,最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案,你认为该小组选择的方案很可能是　　　　(选填“甲”或“乙”)。 (2)若该小组采用图甲的装置打出一条纸带,如图所示,相邻两点之间的时间间隔为0.02 s,请根据纸带计算出打下D点时纸带的速度大小为　　　　m/s(结果保留三位有效数字)。 (3)该小组内同学们根据纸带算出了打下各点时纸带的速度,作出v2-h图线,则图线斜率的物理意义是　　　　　　　　　　　　　　。 题组三　实验拓展与创新5.小刚同学用如图所示的实验装置验证“机械能守恒定律”,他进行如下操作:①用天平测出小球的质量为0.50 kg;②用游标卡尺测出小球的直径为10.0 mm;③用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离为82.05 cm;④电磁铁先通电,让小球吸在其下端;⑤电磁铁断电时,小球自由下落;⑥在小球通过光电门时,计时装置记下小球通过光电门所用的时间为2.50×10-3 s,由此可算出小球通过光电门的速度。(1)由以上测量数据可计算出小球下落到光电门处时重力势能的减少量ΔEp=　　　　J,小球动能的变化量ΔEk=　　　　J。(g取9.8 m/s2,结果均保留三位有效数字) (2)从实验结果中发现ΔEp　　　　(选填“稍大于”“稍小于”或“等于”)ΔEk,试分析可能的原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 能力提升练非选择题1.(2019浙江温州“十五校联合体”高一下期中,疑难,★★☆)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。图3(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2.(2021福建福州八县市协作校高一下期中,★★☆)在利用自由落体验证机械能守恒定律的实验中:图1图2(1)下面列举了该实验的几个操作步骤,其中可省略或不正确的操作是　　　　。 A.按照图1所示的装置安装器材B.用天平测量重物和夹子的质量mC.将电磁打点计时器接到“6 V”直流电源上D.先接通电源后再释放纸带,打出一条纸带后,更换纸带,重复多次该步骤E.选择一条理想的纸带,对其进行测量(2)如图2所示是实验中测得的一条纸带,A点之后各点间距分别为x1、x2、x3、x4,各相邻点间的时间间隔为T,则B点的速度表达式为vB=　　　　。 (3)若将B点和D点的速度用vB、vD表示,当地重力加速度为g,要验证重物从B点运动到D点的过程中机械能守恒,则需满足关系　　　　　　　　　　。 (4)若实验中阻力的存在不可忽略,验证时将发现物体重力势能的减少量将　　　　(填“大于”“等于”或“小于”)物体动能的增加量。 3.(2019福建闽侯二中、闽清高中等高一下联考,疑难,★★☆)用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置如图甲所示。甲(1)按照图示的装置安装器件时,应将打点计时器接到电源的　　　　(填“直流”或“交流”)输出端上。 (2)开始打点计时的时候,两个操作步骤“接通电源”和“松开纸带”的顺序应该是:先　　　　,后　　　　。 (3)某同学在使用质量为m的重物来验证“机械能守恒定律”的实验中,在选定的纸带上依次取计数点如图乙所示。纸带上所打的点记录了重物在不同时刻的位置,那么纸带的　　　　(填“左”或“右”)端与重物相连。 乙(4)某同学上交的实验报告显示重物的动能略大于重物的势能,则出现这一问题的原因可能是              (　　)A.重物的质量测量错误B.该同学自编了实验数据C.重物下落时受到的阻力过大4.(2020江西赣州高二下段考,疑难,★★☆)用如图甲实验装置验证A、B组成的系统机械能守恒。B从高处由静止开始下落,A上拖着的纸带打出一系列的点,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:0是打下的第一个点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)。已知A的质量为m1=50 g,B的质量为m2=150 g,打点计时器工作频率为50 Hz,则(g取10 m/s2,结果保留两位有效数字)甲(1)纸带上打下计数点5时的速度v=　　　　m/s。 (2)在打计数点0~5的过程中系统动能的增加量ΔEk=　　　　J,系统势能的减少量ΔEp=　　　　J,由此得出的结论是　　　　　　　　　　　　　　。 (3)若某同学作出-h图像如图丙所示,则当地的重力加速度g'=　　　　m/s2。 乙丙5.(2020湖北宜昌高二模拟,疑难,★★☆)某活动小组利用图甲装置验证机械能守恒定律。钢球自由下落过程中,先后通过光电门A、B,计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB。用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度。测出两光电门间的距离为h,当地的重力加速度为g。(1)用游标卡尺测量钢球的直径,读数如图乙所示,钢球直径为D=　　　　cm。 (2)要验证机械能守恒,只要比较　　　　。 A.D2与gh是否相等B.D2与2gh是否相等C.D2与gh是否相等D.D2与2gh是否相等(3)钢球通过光电门的平均速度　　　　(选填“>”或“<”)钢球球心通过光电门的瞬时速度,由此产生的误差　　　　(选填“能”或“不能”)通过增加实验次数减小。 6.(2019山东济南外国语学校高三模拟,疑难,★★☆)某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为6 V的交变电流和直流电,交变电流的频率为50 Hz。重锤从高处由静止开始下落,重锤拖着的纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律。甲(1)他进行了下面几个操作步骤:A.按照图示的装置安装器件;B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;C.用天平测出重锤的质量;D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;E.测量纸带上某些点间的距离;F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能。其中没有必要进行的步骤是　　　　,操作不当的步骤是　　　　。(填选项字母) (2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示,其中O点为起始点,A、B、C、D、E、F为六个计数点。根据纸带上的测量数据,可得出打B点时重锤的速度为　　　　 m/s。(保留3位有效数字) 乙(3)他根据纸带上的数据算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、以h为横轴画出-h图像,应是下列图中的　　　　。 (4)他进一步分析,发现本实验存在较大误差,为此对实验设计进行了改进,用如图丙所示的实验装置来验证机械能守恒定律:通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落,下落过程中经过光电门B时,通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录挡光时间t,用毫米刻度尺测出A、B之间的距离h,用游标卡尺测得小铁球的直径d。重力加速度为g。实验前应调整光电门位置使小铁球下落过程中球心通过光电门中的激光束。小铁球通过光电门时的瞬时速度v=　　　　。如果d、t、h、g满足关系式　　　　,就可验证机械能守恒定律。 丙(5)比较两个方案,改进后的方案相比原方案最主要的优点是 　。 7.(2021山东泰安高一下期中,★★☆)某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系。(1)如图(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测量相应的弹簧长度,部分数据如下表。由数据算得劲度系数k=　　　　N/m。(g取9.80 m/s2) 砝码质量/g50100150弹簧长度/cm8.627.636.66图(a)(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图(b)所示;调整导轨使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小　　　　。 图(b)(3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度v。释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为　　　　　　。 (4)重复(3)中的操作,得到v与x的关系如图(c),由图可知,v与x成　　　　关系。由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的　　　　成正比。 图(c)
答案全解全析基础过关练1.C　本实验需要测量物体下落的高度来计算重力势能,测定速度来计算物体动能增加量,故还需要用打点计时器。2.ABD　在做“验证机械能守恒定律”的实验时,应先接通电源,后释放纸带,以保证打第一个点时纸带的速度为0,故选项C错误,A、B、D均正确。3.AB　实验的原理就是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律,因此打点计时器打第一个点时,重物运动的速度应为零。hn与vn分别表示打第n个点时重物下落的高度和对应的瞬时速度,vn应利用纸带上的数据求出,若用vn=gtn求vn则已默认机械能守恒了,验证实验也就变得无意义了。本实验中,不需要测量重物的质量,因为公式mghn=m的两边都有m,故只要ghn=成立,则mghn=m就成立,机械能守恒定律也就被验证了,故选项A、B正确,C、D错误。4.答案　(1)甲　(2)1.75　(3)当地重力加速度的两倍解析　(1)一般情况下,甲方案中,重物带动纸带下降,摩擦阻力相对重物的重力较小可以忽略,因此误差较小。乙方案中,摩擦阻力相对重力沿斜面方向的分力不可忽略,因此误差较大。(2)vD===1.75 m/s。(3)由mgh=mv2,整理得v2=2gh,图线斜率为2g,即图线斜率的物理意义为当地重力加速度的2倍。5.答案　(1)4.02　4.00　(2)稍大于　空气阻力的影响或高度测量中忽略了小球的尺度等解析　(1)小球重力势能减少量ΔEp=mgh=0.5×9.8×0.820 5 J=4.02 J;小球通过光电门的平均速度为v== m/s=4 m/s,小球的动能变化量ΔEk=mv2=4.00 J。(2)从实验结果中发现ΔEp稍大于ΔEk,原因是空气阻力的影响或高度测量中忽略了小球的尺度等。能力提升练非选择题1.答案　(1)D　(2)B　(3)0.70(0.68~0.72)　②　(4)BD解析　(1)两实验均需用打点计时器,故填D。(2)纸带应放在复写纸下面,故填B。(3)vb==0.70 m/s纸带②的速度越来越大,是验证机械能守恒定律得到的。(4)根据实验原理可知选项B、D正确。2.答案　(1)BC　(2)　(3)mg(x2+x3)=m(-)(4)大于解析　(1)按照图1所示的装置安装器材,A正确,不符合题意;动能的增加量及重力势能的减少量表达式中均包含质量,故不用测量重物和夹子的质量,B错误,符合题意;电磁打点计时器使用的是交流电源,C错误,符合题意;先接通电源后再释放纸带,打出一条纸带后,更换纸带,重复多次该步骤,D正确,不符合题意;选择一条理想的纸带,对其进行测量,E正确,不符合题意。(2)B点的速度表达式为vB=。(3)若重物从B点运动到D点的过程机械能守恒,则减小的重力势能等于增大的动能,即mg(x2+x3)=m(-)。(4)由于空气阻力及摩擦阻力的作用,物体重力势能的减少量大于动能的增加量。3.答案　(1)交流　(2)接通电源　松开纸带　(3)左　(4)B解析　(1)打点计时器需接交流电源;(2)开始打点时应先接通电源后松开纸带;(3)由纸带可看出左端与重物相连;(4)由于存在摩擦阻力,重锤的势能应略大于动能,不可能存在动能大于势能的情况,故选B。4.答案　(1)2.4　(2)0.58　0.60　在误差允许的范围内,A、B组成的系统机械能守恒　(3)9.7解析　(1)纸带上打下计数点5时的速度大小为v==×10-2 m/s=2.4 m/s(2)                在打点0~5过程中系统动能的增加量为ΔEk=m1v2+m2v2-0=×50×10-3×2.42 J+×150×10-3×2.42 J-0≈0.58 J系统重力势能的减少量为ΔEp=m2gh05-m1gh05=150×10-3×10×(38.40+21.60)×10-2 J-50×10-3×10×(38.40+21.60)×10-2 J=0.60 J实验结果表明,在误差允许的范围内,A、B组成的系统重力势能的减少量等于动能的增加量,即系统的机械能守恒。(3)A、B组成的系统机械能守恒,则m2g'h-m1g'h=m2v2+m1v2-0,整理得v2=g'h可见,重力加速度g'大小等于-h图像斜率的2倍,则g'= m/s2=9.7 m/s2。5.答案　(1)0.850　(2)D　(3)<　不能解析　(1)游标卡尺的主尺读数为0.8 cm,游标尺上第10个刻度和主尺上某一刻度对齐,所以游标尺读数为0.05×10 mm=0.50 mm,所以最终读数为0.850 cm。(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度,故:v=,以光电门B所在水平面为参考平面,根据机械能守恒的表达式有:mgh=mD2即要验证机械能守恒,只要比较D2与2gh是否相等,故选D。(3)根据匀变速直线运动的规律得钢球通过光电门的平均速度等于这个过程中中间时刻速度,所以钢球通过光电门的平均速度小于钢球球心通过光电门的瞬时速度,由此产生的误差不能通过增加实验次数减小。6.答案　(1)C　B　(2)1.84　(3)C　(4)　d2=2ght2　(5)消除了纸带与打点计时器间的摩擦影响,提高了测量的精确度,从而减小了实验误差解析　(1)要验证机械能守恒定律,需要验证mv2=mgh,则只需验证v2=2gh即可,故不需要测出重锤的质量,所以没有必要进行的步骤是C,打点计时器只能使用交流电源,故操作不当的步骤是B。(2)由运动学公式可知,B点的速度vB==×10-2 m/s≈1.84 m/s。(3)由关系式v2=2gh可知,-h图像应是过原点的倾斜直线,故选C。(4)小铁球通过光电门的时间很短,故可用小铁球经过光电门的平均速度近似求出小铁球通过光电门的瞬时速度,即v=,代入v2=2gh可得d2=2ght2。(5)原方案产生误差的原因是空气阻力和纸带与限位孔之间的摩擦力影响,因此实验进行改进后的主要优点是没有纸带与打点计时器间的摩擦影响,实验误差减小了。7.答案　(1)50　(2)相等　(3)滑块的动能　(4)正比　压缩量的二次方解析　(1)由k== N/m=50 N/m。(2)要调整气垫导轨水平,使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小相等。(3)根据机械能守恒定律,释放滑块后,弹簧的弹性势能转化为滑块的动能。(4)由题图可知,x与v成正比,即v=kx,由Ep=Ek=mv2=mk2x2,因此弹簧的弹性势能与弹簧的压缩量的二次方成正比。