2022版高考物理一轮复习训练：第5章 实验6 验证机械能守恒定律

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第五章 实验6知识巩固练习1．用下图所示的装置测量弹簧的弹性势能．将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在O点；在O点右侧的B、C位置各安装一个光电门，计时器(图中未画出)与两个光电门相连．先用米尺测得B、C两点间距离s，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A，静止释放，计时器显示遮光片从B到C所用的时间t，用米尺测量A、O之间的距离x.(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是____________．(2)为求出弹簧的弹性势能，还需要测量________．A．弹簧原长　 B．当地重力加速度C．滑块(含遮光片)的质量(3)增大A、O之间的距离x，计时器显示时间t将____________．A．增大　　　　B．减小　　　　C．不变【答案】(1)　(2)C　(3)B【解析】(1)滑块离开弹簧后的运动可视为匀速运动，故可以用BC段的平均速度表示离开时的速度，则有v＝.(2)弹簧的弹性势能等于物体增加的动能，故应求解物体的动能，根据动能表达式可知，应测量滑块的质量，故选C．(3)增大AO间的距离时，滑块被弹出后的速度将增大，故通过两光电门的时间将减小．2．(2021届河北质检)某实验小组利用图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒．甲乙(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，利用现有器材如何判断导轨是否水平？________________________________________________________________________.(2)如图乙所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝__________cm；实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt＝1.2×10－2s，则滑块经过光电门时的瞬时速度为__________m/s.在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、________________________和____________________(文字说明并用相应的字母表示)．(3)本实验通过比较__________和__________在实验误差允许的范围内相等(用测量的物理量符号表示)，从而验证了系统的机械能守恒．【答案】(1)接通电源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的(或轻推滑块，滑块能基本做匀速直线运动)　(2)0.52　 0.43　滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s　滑块的质量M　(3)mgs　(m＋M)2【解析】(1)当气垫导轨接通电源后，导轨可以认为是光滑的，判断是否水平的方法是：接通电源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的(或轻推滑块，滑块能基本做匀速直线运动)．(2)游标卡尺主尺读数为0.5 cm，游标尺上第2个刻度与主尺上某一刻度对齐，则游标读数为2×0.1＝0.2 mm＝0.02 cm，所以最终读数为0.5 cm＋0.02 cm＝0.52 cm；由于遮光条通过光电门的时间极短，因此可以利用平均速度来代替其瞬时速度，即滑块经过光电门时的瞬时速度为v＝≈0.43 m/s；根据实验原理可知，该实验中只要比较重力势能的减小量和动能的增加量是否相等即可判断机械能是否守恒，故还需要测量的物理量为滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s，以及滑块的质量M.(3)以钩码和滑块所组成的系统为研究对象，其重力势能的减小量为mgs，系统动能的增加量为(m＋M)·2，因此只要比较二者是否相等，即可验证系统机械能是否守恒．3．在用“落体法”做“验证机械能守恒定律”的实验时，小明选择了一条较为满意的纸带，如图甲所示，他舍弃前面密集的点，以O为起点，从A点开始选取纸带上连续点A、B、C、…，测出O到A、B、C的距离分别为h1、h2、h3、…，电源的频率为f.(1)为减少阻力对实验的影响，下列操作可行的是________．A．选用铁质重锤B．安装打点计时器时使两限位孔在同一竖直线上C．释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直D．重锤下落时手始终提住纸带上端，保持纸带竖直(2)打B点时，重锤的速度大小vB为________．(3)小明用实验测得数据画出v2－h图像，如图乙所示，图线不过坐标原点的原因是______________________________________________________．(4)另有四位同学在图乙的基础上画出没有阻力时的v2－h图线，并与其比较，其中正确的是_______．A　　　　B　　　　　C　　　　　D【答案】(1)ABC　(2)　(3)打下O点时重锤速度不为零　(4)B【解析】(1)为了减少阻力的影响，重锤选择质量大一些、体积小一些的铁质重锤，故A正确；安装打点计时器时使两限位孔在同一竖直线上，故B正确；释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直，重锤下落时，手不需提着纸带上端，故C正确，D错误．(2)B点的瞬时速度等于AC段的平均速度，则vB＝＝.(3)小明用实验测得数据画出v2－h图像，图线不过坐标原点，即h＝0时，速度不为零，即打下O点时重锤速度不为零．(4)不论有无阻力，释放点的位置相同，即初速度为零时，两图线交于横轴的同一点，故B正确，A、C、D错误．  4．(2021届龙岩质检)用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个打下的点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示．已知m1＝50 g、m2＝150 g，则(计算结果保留2位有效数字)：甲乙(1)在纸带上打下记数点5时的速度v＝______m/s；(2)从记数点0到点5过程中系统动能的增量ΔEk＝________J，为了简化计算，设g＝10 m/s2，则系统势能的减小量ΔEp＝__________J；丙(3)在本实验中，若某同学作出了v2－h图像，如图丙，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.【答案】(1)2.4　(2)0.58　0.60　(3)9.7  5．(2021届湖北名校月考)图甲所示为某同学用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置，计时器打点周期为0.02 s.甲(1)释放重物时，重物应______(填“靠近”或“远离”)打点计时器．(2)实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上．这样做可以______(填“消除”“减小”或“增大”)纸带与限位孔之间的摩擦．(3)若选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计时点位置对应刻度尺上的读数如图乙所示，图中O是打点计时器打的第一个点，A、B、C、D、E分别是连续的计时点．若重锤质量为0.10 kg，取g＝9.8 m/s2，则重锤由初始位置O到打下计时点C的过程中，减小的重力势能为______J，打C点时重锤的速度为______m/s.(得出的结果均取2位有效数字)(4)算出重锤下落不同高度h时对应的速度v，为了能直观地反映v随h变化的关系，应作出______图像．(填“v－h”或“v2－h”)【答案】(1)靠近　(2)减小　(3)0.48　3.1　(4)v2－h【解析】(1)为了提高纸带的利用率，重物应靠近打点计时器．(2)两个限位孔在同一竖直线上可以减小纸带与限位孔的摩擦阻力．(3)从O到C过程减小的重力势能为mghOC＝0.10×9.8×0.492 J≈0.48 J，C点的速度vC＝BD＝＝ m/s≈3.1 m/s.(4)从理论角度看，物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出mgh＝mv2，即v2＝2gh，为了能直观地反映v变化与h的关系，应作出v2－h图像．综合提升练习6．现准备通过以下实验验证动能定理，物体A放在带滑轮的固定水平粗糙长板上，用跨过滑轮(滑轮的大小可不计)的细线将A与另一个物体B相连．开始时B离地面高度为h，A离长板右端距离也为h，从静止释放B后，B会带动A做加速运动，当B落地时A正好离开长木板，最后A也落地(A在空中运动时细线始终处于松弛状态，A、B落地后均不会反弹)．A与木板间摩擦因数为μ，重力加速度为g，测量工具仅有刻度尺和天平．(1)欲通过该实验验证A、B两物块组成的系统满足动能定理．需要测量物体A的质量mA，物体B的质量mB，还需要测量的物理量为___________________________ _____________________________________________．(2)该系统动能定理表达式为___________________________________________ _____________________________．(3)为了实现上述运动过程，应该满足条件为______．【答案】(1)A、B落地点的距离x，长板离地高度H(2)mBgh－μmAgh＝　(3)μ<【解析】(1)(2)以系统作为研究对象，根据动能定理知mBgh－μmAgh＝(mA＋mB)v2，A离开木板后做平抛运动，根据H＝gt2，x＝vt知，A做平抛运动的初速度v＝x，则系统动能定理表达式为mBgh－μmAgh＝，所以还需要测量的物理量为A、B落地点的距离x，长板离地高度H.(3)为了满足上述的运动过程，B的重力应大于A的滑动摩擦力，则mBg＞μmAg，即μ<.7．(2021届铜仁检测)某同学用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时由计时器测出，取v＝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．甲　　　　　　　　　　　乙(1)根据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＝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0.01 s，则钢球的速度v＝________m/s.(3)下表为该同学的实验结果：ΔEp/(×10－2 J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/(×10－2 J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由空气阻力造成的．你是否同意他的观点？请说明理由：__________________________________________________________.(4)请你提出一条减少上述差异的改进建议．________________________________________________________________________.【答案】(1)B　(2)1.50　1.50　(3)不同意，如果是空气的阻力造成的，则ΔEk要小于ΔEp，与数据不符，所以误差不是由空气阻力造成的　(4)分别测出小球的球心到悬点的距离和光电门到悬点的距离l和L，在计算小球的动能时，使用的速度为v球＝v【解析】(1)小球落下的高度h是初末位置球心之间的高度差，所以要选B．(2)刻度尺读数的方法，需估读一位，所以读数为1.50 cm；某次测量中，计时器的示数为0.01 s，则钢球的速度为：v＝＝ m/s＝1.50 m/s.(3)从表中的数据可知，小球动能的增加量大于小球的重力势能的减小量；若这是由空气阻力造成的，则ΔEk要小于ΔEp，因此误差不是由空气阻力造成的．(4)由图可知，在该实验中所求的速度是遮光条的速度，而不是小球的速度，二者之间的速度略有差别．由于小球与遮光条都做圆周运动，它们具有相等的角速度ω，根据角速度与线速度之间的关系v＝ωr可知，小球的速度与遮光条的速度之间的关系为＝，l和L分别是小球的球心到悬点的距离和光电门到悬点的距离，所以在计算小球的动能时，使用的速度为v球＝v.