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课后作业题

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课后作业题，共21页。试卷主要包含了5实验，8m/s2），00cm，遮光条的宽度d=6，000，117，40 1等内容，欢迎下载使用。
2020-2021学年人教版（2019）必修第二册
8.5实验：验证机械能守恒定律 课时作业3（含解析）


1．某实验小组利用如图装置“验证机械能守恒”。钢球系在轻绳上，竖直，在小球摆到最低点时，细线恰被固定在处的锋利刀刃割断，小球水平飞出。保持释放点不变，多次实验。

(1)钢球球心与点之间距离为；之间距离为；释放点的位置与竖直方向夹角为；钢球质量__________（填“需要”或“不需要”）测量；
(2)多次实验后，落地点位置的确定方法为__________；
(3)测得，验证机械能守恒，需要满足的关系式：__________。
2．如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1>m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。

(1)若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有______________
①物块的质量m1、m2；
②物块A下落的距离h及下落这段距离所用的时间t；
③物块B上升的距离h；
④绳子的长度L。
(2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议∶
①绳的质量要轻；
②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；
③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；
④两个物块的质量之差要尽可能小。
以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_______________。
(3)写出一条上面没有提到的提高实验结果准确程度有益的建议∶_______________。
(4)写出验证机械能守恒的表达式_______________。
3．在《验证机械能守恒定律》的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量出各计数点对应刻度尺上的读数如图所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D分别是每打两个点取出的计数点。

(1)根据以上数据，可知重物由O点运动到B点时。重力势能的减少量ΔEp减=______；
(2)动能的增加量ΔEk增=______；
(3)根据计算的数据可得出结论：______。
4．用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。遮光条的宽度用d表示，用米尺测量遮光条到光电门之间的距离L。钩码质量为m，滑块质量为M。

(1)用游标卡尺测量遮光条的宽度d，游标卡尺的示数如图所示，其读数为______cm；
(2)每次实验时，滑块从同一位置静止释放，测得遮光条的挡光时间为t，用遮光条挡光这段时间内的平均速度______m/s表示遮光条到达光电门的速度，遮光条从静止运动到光电门的过程中系统减少的重力势能与增加的动能若满足______，则机械能守恒（用d、t、m、M、L表示）。
(3)实验中M______m（填“必须远大于”或“无须远大于”）
(4)若实验中绳子与水平面不平行且滑轮端离水平面太高，则系统机械能______守恒。（填“依然”或“不”），此时实验测量出的重力势能的减少量______（选填“大于”、“小于”或“等于”）动能的增加量。
5．某兴趣小组利用图甲所示装置验证机械能守恒定律，其中力的传感器固定在竖直放置的支架上，细绳一端固定在传感器挂钩上，另一端悬挂一个质量为m的小球，悬点到球心距离为l。将小球拉到细线与竖直夹角为θ后由静止释放，力的传感器每隔0.01s显示一次数值，找到拉力的最大值Fm。改变θ角大小，进行多次实验。下表是某同学的实验数据。

组别
θ
cosθ
（N）
1
0
1.000
0.137
2
20°
0.940
0.150
3
30°
0.866
0.171
4
40°
0.766
0.199
5
50°
0.643
0.230
6
60°
0.500
0.269
7
70°
0.342
0.337
8
80°
0.174
0.356
(1)请在图乙上补全第6、7、8组的数据点。并画出Fm-cosθ图线______。

(2)在实验误差允许范围内，若Fm与cosθ的关系满足______（用题中所给符号表示）时，可验证小球摆动过程中机械能守恒。
(3)在绘制图线过程发现第7组数据存在较大误差，则造成该实验误差的原因可能为______。
A．小球下摆过程所受阻力过大
B．小球释放时具有一定的初速度
C．悬点到球心间距测量值偏大
6．学生实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图（a）所示，某组同学在一次实验中，选择DIS以图象方式显示实验的结果，所显示的图象如图（b）所示。图象的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能EP、动能Ek或机械能E，试回答下列问题：

(1)图（a）所示的实验装置中，传感器K的名称是______。
(2)图（b）的图象中，表示小球的重力势能EP、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是______。（按顺序填“甲、乙、丙”）
(3)在不增加实验器材的情况下，请提出减小实验误差的两个办法：①______；②______。
7．暑假里，小明同学找来部分器材，在家里组装成如图甲所示的装置，将m1、m2用细线挂在一个定滑轮两侧，用手机连拍功能验证m1、m2组成系统的机械能守恒。其中重物m1=100g，m2=300g，所用刻度尺是家里分度值为1cm的木尺，手机设定每隔0.135s拍一张照片。拍出的照片，可以记录不同时刻重物m2的位置，如图乙所示，其中点1是重物m2由静止开始释放时的位置。（g取9.8m/s2）

(1)1、3、5三个位置的刻度分别是h1=0.120m，h3=0.540m，h5=_____m。
(2)拍第3个位置时m2的速度v3=_____m/s（结果保留三位有效数字）。
(3)在拍1到3的过程中，系统动能的增加量为_____J，重力势能的减少量为_____J（结果均保留三位有效数字）。
(4)系统动能的增加量小于重力势能的减少量的原因可能是_______________________。
8．一探究小组设计了如图所示实验装置验证多物体组成的系统机械能守恒。气垫导轨下方有位置标尺，位置标尺的0刻线在左侧。调整气垫导轨使之水平，在导轨左侧某位置固定一光电门，记录下光电门的位置。把轻绳一端固定在点，另一端与滑块相连，钩码通过动滑轮挂在定滑轮与点之间。将滑块放在导轨右侧某位置，记下滑块上遮光条所在的初位置。开通气源，由静止释放滑块，滑块向左运动。已知钩码质量为，滑块连同遮光条总质量为，遮光条的宽度为，遮光条通过光电门的时间，重力加速度为。

(1)当遮光条到达光电门时，钩码的速度_________；
(2)要想验证这一过程中系统机械能守恒，需满足表达式_________；
(3)甲同学通过调节滑块由静止释放的位置，记录遮光条每次所在位置和遮光条每次通过光电门的时间，进行了多次测量，甲同学想用图像法处理数据，因此他应该作出_________图像（选填、、），通过图像中直线的斜率，满足斜率________，则可验证该过程中系统机械能守恒。
9．某同学利用光电门传感器设计了一个研究小物体自由下落时机械能是否守恒的实验，实验装置如图所示，图中A、B两位置分别固定了两个光电门传感器。实验时测得小物体上宽度为d的挡光片通过A的挡光时间为t1，通过B的挡光时间为t2，重力加速度为g，为了证明小物体通过A、B时的机械能相等，还需要进行一些实验测量和列式证明。

(1)下列必要的实验测量步骤是________。
A．用天平测出运动小物体的质量m
B．测出A、B两传感器之间的竖直距离h
C．测出小物体释放时离桌面的高度H
D．用秒表测出运动小物体由传感器A到传感器B所用时间
(2)若该同学用d和、的比值分别来反映小物体经过A、B光电门时的速度，并设想如果能满足________关系式，即能证明在自由落体过程中小物体的机械能是守恒的。
10．用如图甲所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1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。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，每相邻两个计数点之间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示。已知两个物体的质量m1＝100g、m2＝300g，则（g取9.8m/s2）：

（1）在纸带上打下计数点5时的速度v5＝______m/s；
（2）在打点0~5过程中系统动能的增加量ΔEk＝______J，系统重力势能的减少量ΔEp＝______J；（结果保留3位有效数字）
（3）若某同学作出－h图像如图丙所示，则根据图像求得的重力加速度g＝______m/s2。
11．某实验小组用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。将一钢球用细线系住悬挂在铁架台上，钢球静止于A点。在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。在A的正下方固定一光电门。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。记录钢球每次摆下的高度h和计时器示数t，就能验证机械能是否守恒。

(1)用刻度尺测量遮光条宽度，如图乙所示，读数为__________cm。某次测量中，计时器的示数为0.00320s，则钢球经过A时的速度v＝__________m/s。
(2)下表为该实验小组的实验结果：

第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
gh
0.122
0.305
1.034
3.117
5.121
v2
0.135
0.321
1.143
3.125
5.124

从表中发现gh与v2之间存在差异，造成该差异的原因，可能的有__________________。
A．钢球下落过程中存在空气阻力
B．实验中用的是遮光条的速度，比钢球实际速度略大
C．所测钢球摆下高度h为释放时球心到球在A点时底端之间的高度差
D．释放时给了小球一个初速度
12．某同学利用如图所示的气垫导轨装置“验证机械能守恒定律”，在气垫导轨上安装了两个光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连。

（1）某次实验测得光电门1、2间的距离L=145.00cm，遮光条的宽度d=6.20mm，滑块和遮光条的总质量M=180g，钩码质量m=20g，遮光条通过光电门1、2的时间t1=6.20×10-3s、t2=3.10×10-3s。已知g=9.80m/s2，则滑块从光电门1运动到光电门2的过程中系统势能的减少量△Ep=______J，系统动能的增量△Ek=______J。（计算结果均保留三位有效数字）
（2）实验后发现，系统增加的动能明显大于钩码减小的重力势能，原因是______。
13．做“验证机械能守恒定律”的实验：
(1)除带夹子的重锤、铁架台（含铁夹）、交流电源、打点计时器、纸带、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是________。
A．天平（含砝码） B．停表 C．刻度尺
(2)进行实验时，为保证重物下落时初速度为零，应________。
A．先释放纸带，再接通电源
B．先接通电源，再释放纸带
(3)实验中，先接通电源，再释放纸带，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC．已知打点周期为T，当地重力加速度为g。设重锤质量为m，从打O点到打B点的过程中，重锤的重力势能减小量ΔEp＝______，动能增加量ΔEk＝________。

(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________。
A．用公式v＝gt计算重锤速度 B．用公式v＝计算重锤速度
C．空气阻力和摩擦力的影响 D．没有采用多次实验取平均值
14．某实验小组用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。将一钢球用细线系住悬挂在铁架台上，钢球静止于A点。在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。在A的正下方固定一光电门。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，取作为钢球经过A点时的瞬时速度。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点之间重力势能的变化大小与动能的变化大小，就能验证机械能是否守恒。

(1)用计算钢球动能变化量的大小，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，则钢球经过A时的速度_________ m/s（保留三位有效数字）。
(2)下表为该实验小组的实验结果：

从表中发现△Ep与△Ek之间存在差异，可能造成该差异的原因是_________。
A．用计算钢球重力势能的变化大小时，钢球下落高度为测量释放时钢球球心到球在A点时底端之间的竖直距离
B．钢球下落过程中存在空气阻力
C．实验中所求速度是遮光条的速度，比钢球速度略大
15．用如图1实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。图3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个打下的点（图中未标出），计数点间的距离如图3所示。已知、，则（计算结果保留两位有效数字）

(1)在纸带上打下记数点5时的速度v=_____m/s；
(2)这个实验需要验证机械能守恒的公式为：______；
(3)在记数点0-5过程中系统动能的增量______J，为了简化计算，设g取10m/s2，则系统势能的减少量______J；
(4)在本实验中，若某同学作出了图像如图2，h为从起点量起的长度，则据此得到当地的重力加速度g=______m/s2。

参考答案
1．不需要 在落地点做小圆，圆心位置为
【详解】
(1)[1]若小球下摆的过程中机械能守恒，有

小球做平抛运动，有得

则小球平抛运动的初速度为

则有

由此可知，质量可消去，则钢球质量不用测量
(2)[2]多次实验后，落地点位置的确定方法为，在落地点做小圆，圆心位置为
(3)[3]由(1)可得

2．①② ①③ “对同一高度进行多次测量取平均值”、“选取受力后相对伸长量尽量小的绳”等 （m1-m2）gt2=2（m1+m2）h
【详解】
(1)[1] 通过连接在一起的A、B两物体验证机械能守恒定律，即验证系统的势能变化与动能变化是否相等，A、B连接在一起，A下降的距离一定等于B上升的距离；A、B的速度大小总是相等的，故不需要测量绳子的长度和B上升的距离及时间．故选①②
(2)[2] 如果绳子较重，系统的重力势能就会有一部分转化为绳子的动能，造成实验误差；绳子不宜太长，长了形变对实验的影响越大；m1、m2相差越大，整体所受阻力相对于合力对运动的影响越小．物体末速度v是根据匀变速直线运动求出的，故要保证物体在竖直方向运动．这些都是减小系统误差，提高实验准确程度的做法．故选①③。
(3)[3] 提到的提高实验结果准确程度有益的建议: “对同一高度进行多次测量取平均值”、“选取受力后相对伸长量尽量小的绳”等。
(4)[4] A下降s的同时，B上升s，它们的重力势能的变化
△EP=（m1-m2）gh ①
A与B动能的变化
②
根据匀变速运动规律，可知A、B速度为
③
由①②③式得，验证机械能守恒的表达式
（m1-m2）gt2=2（m1+m2）h
3． 在实验误差允许的范围内，重锤减少的重力势能等于其动能的增加，机械能守恒。
【分析】
该实验为验证性实验，是在知道原理的情况下进行验证，因此求出物体下落时重力势能的减小量和动能的增加量是否相等即可验证，但是由于存在误差，物体下落时克服阻力做功，因此重力势能的减小量略大于动能的增加量。
【详解】
(1)[1]重锤由O点下落到B点时重力势能的减小量为

(2)[2]B点时的速度为
；
增加的动能为

(3)[3]根据计算结果可以得出该实验的实验结论：在允许的范围内，重物减小的重力势能等于其动能的增加，验证了机械能守恒定律。
4． 无须远大于 依然 小于
【详解】
(1)[1]游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数，不需估读，读数为

(2)[2]遮光条的宽度很小，通过光电门的时间很短，在这么短的时间里可以把遮光条的速度当作不变，速度为

[3]系统重力势能的减少量为

系统动能的增加量为

若重力势能的减少量等于动能的增加量，即

说明机械能守恒。
(3)[4]本实验验证的是系统的机械能守恒，只要阻力足够小，也就是在动能与重力势能的相互转化过程中，转化为其他形式的能量可忽略不计，系统的机械能就是守恒的，这与两个物体的质量大小无关，所以无须M远大于m。
(4)[5][6]若实验中绳子与水平面不平行且滑轮端离水平面太高，系统机械能仍旧守恒，因为只要阻力足够小就符合机械能守恒的条件。但是测得的系统动能的增加量要比重力势能的减小量大，因为绳子与水平面不平行，会使钩码的实际速度要比小车的速度小，但是在计算时，仍把钩码的速度等于小车的速度代入，这样计算得的系统动能就偏大了，也就比减小的重力势能大。
5． Fm = 3mg – 2mgcosθ B
【详解】
(1)[1]在图乙上补全第6、7、8组的数据点后，画出Fm-cosθ图线，如图所示

(2)[2]设小球在最低点的速度为v，由机械能守恒定律得

设小球在最低点时绳的拉力为Fm，在最低点由牛顿第二定律得

解得

(3)[3]A．若小球下摆过程所受阻力过大，机械能损失过大，小球达到最低点的速度偏小，最低点绳的拉力将偏小，第7组数据的点应该在图线的下方，不能在图线的上方，A错误；
B．若小球释放时具有一定的初速度，到达最低点时的速度偏大，绳的拉力偏大，点在图线的上方，B正确；
C．从验证机械能守恒定律的表达式可以看出，实验不需要测量悬点到球心距离为l，C错误。
故选B。
6．光电门传感器（或光电门、光电传感器） 乙、丙、甲 要保证小球运动的初速度为零 适当减小遮光片的宽度d
【详解】
(1)[1] 实验中要用DIS测出小球在各点时的动能，故应用到光电门传感器（或光电门、光电传感器），而小球充当遮光片的作用。
(2)[2] 小球高度下降，小球的重力势能减小，动能增大，但总机械能不变，故乙图表示重力势能的变化，丙图表示动能的变化，甲图表示机械能的变化。
(3)[3] 要保证小球运动的初速度为零；
[4] 适当减小遮光片的宽度d，或者让光电门与小球运动的方向垂直等（任写两条）。
7．1.200 2.00 0.800 0.840 物体运动过程中受到阻力的作用（答案合理就给满分）
【详解】
(1)[1]由图可知，木尺的示数为：，由于木尺需要估读，因此读数为：；
(2)[2] 拍第3个位置时m2的速度为


(3)[3] 在拍1到3的过程中，系统动能的增加量为

[4]重力势能的减少量为

(4)[5] 系统动能的增加量小于重力势能的减少量的原因可能是物体运动过程中受到阻力的作用或打点计时器与纸带间存在摩擦或其他合理原因；
8． （化简后：或者）
【详解】
(1)[1]当遮光条到达光电门时，滑块的速度

钩码的速度

(2)[2]由能量关系可知，系统重力势能减小量为

系统动能增加量

要验证的关系是

或者

(3)[3]由表达式

可得

因此他应该作出图像；
[4]通过图像中直线的斜率，满足斜率

则可验证该过程中系统机械能守恒。
9．B
【详解】
(1)[1]该实验验证A、B两点的机械能守恒，可以取B点作为重力势能的零势点，则A点的机械能为

B点的机械能为

要验证这两点的机械能守恒，需要测量A、B两点的速度以及A、B间的距离即可。
故选B。
(2)[2]要证明小物体在自由落体运动过程中机械能是守恒的，只需要验证

即可，其中
，
代入可得，只需要验证

10．2.40 1.15 1.18 9.60
【详解】
（1）[1] 根据匀变速直线运动的推论得，打第5个点时的速度为

（2）[2] 物体的初速度为零，0~5过程中系统动能的增加量为

[3] 系统减少的重力势能为

（3）[4] 由机械能守恒定律得

整理得

图像的斜率为

则有

11．0.80 2.50 BD
【详解】
(1)[1]用刻度尺测量遮光条宽度，读数为0.80cm。某次测量中，计时器的示数为0.00320s，则钢球经过A时的速度

(2)[2]由表格数据可知，gh比v2偏小，则：
A．若钢球下落过程中存在空气阻力，则会使gh比v2偏大，选项A错误；
B．实验中用的是遮光条的速度，比钢球实际速度略大，造成v2比gh偏大，选项B正确；
C．若所测钢球摆下高度h为释放时球心到球在A点时底端之间的高度差，则h测量值偏大，会造成gh比v2偏大，选项C错误；
D．释放时给了小球一个初速度，则会造成v2比gh偏大，选项D正确；
故选BD。
12．0.284 0.300 气垫导轨右端偏高，滑块的重力势能减小
【详解】
（1）[1]系统势能的减少量即钩码重力势能的减少量，由题知

解得；
[2]滑块经过光电门1时的速度

滑块经过光电门2时的速度

故系统动能的增加量

解得=0.300J。
（2）[2]系统增加的动能明显大于钩码减小的重力势能，说明滑块的重力势能也减小了，故气垫导轨不水平，右端偏高。
13．C B mghB C
【详解】
(1)[1]打点计时器使用交流电源，实验中需要测量点迹间的距离，从而得出瞬时速度和下降的高度，所以需要刻度尺。实验中验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，质量可以约去，不需要测量质量，则不需要天平。故选C。
(2)[2]如果先释放纸带，再接通电源，就会出现打第一个点时速度不为零，故选B。
(3)[3]从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减小量

[4]B点的速度

则动能的增加量为

(4)[5] 重力势能的减少量小于动能的增加量，是存在空气阻力和摩擦阻力的影响，故C正确。
故选C。
【点睛】
解决本题的关键掌握实验的原理，会通过原理确定器材，以及掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度的大小，关键是匀变速直线运动推论的运用。
14．1.50 1.50 C
【详解】
(1)[1][2]．刻度尺的最小分度值为1mm，需估读一位，所以读数为1.50cm；
钢球经过A的速度为

(2)[3]．表中的△Ep与△Ek之间存在差异，且有△Ek＞△EP；
A．钢球下落高度h为测量释放时钢球球心到球在A点时底端之间的竖直距离，测量的高度h偏大则△EP偏大，故A错误；
B．若钢球下落过程中存在空气阻力，则有重力势能减少量大于钢球的动能增加量，即△EP＞△Ek，故B错误；
C．实验中所求速度是遮光条的速度，比钢球速度略大，导致△Ek＞△EP，故C正确。
故选C。
15．2.4 0.58 0.60 9.7
【详解】
(1)[1]在纸带上打下记数点5时的速度

(2)[2]这个实验通过测量和计算m1、m2组成的系统，重力势能的减小量是否等于系统动能的增加量，如果等于，则该系统机械能守恒，故需要验证机械能守恒的公式为

(3)[3][4]在记数点0~5过程中系统动能的增量为

系统势能的减少量

(4)[5]由机械能守恒可得

解得

由题图可求得直线的斜率为

由数形结合，可得

代入解得