2020年新教材高中物理 8.5 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課堂檢測(cè)（含解析）新人教版必修2

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1、實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 1.某同學(xué)利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 (1)請(qǐng)指出該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作中存在的兩處錯(cuò)誤:?　　　　　　　　___。? (2)若所用交流電的頻率為f,該同學(xué)經(jīng)正確操作得到如圖2所示的紙帶,把第一個(gè)點(diǎn)記作O,另選連續(xù)的3個(gè)點(diǎn)A、B、C作為測(cè)量的點(diǎn),A、B、C各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為s1、s2、s3,重物質(zhì)量為m,重力加速度為g。根據(jù)以上數(shù)據(jù)知,從O點(diǎn)到B點(diǎn),重物的重力勢(shì)能的減少量等于__________________,動(dòng)能的增加量等于__________________。(用所給的符號(hào)表示)? (3)重力勢(shì)能的減少量____________(

2、選填“大于”“等于”或“小于”)動(dòng)能的增加量的原因是_____________________。? 【解析】(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能使用直流電源,應(yīng)使用交流電源。重物開(kāi)始釋放時(shí)應(yīng)緊靠打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,否則打不到點(diǎn)或打的點(diǎn)太少。 (2)重力勢(shì)能減小量ΔEp=mgh=mgs2。 利用勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的推論得: vB==, 動(dòng)能的增加量等于 Ek=m=, (3)由于有空氣阻力和紙帶與限位孔的摩擦存在,重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量。 答案:(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)該接交流電源;開(kāi)始時(shí)重物應(yīng)該靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 (2)mgs2　 (3)大于　　有空氣阻力和紙帶與限位孔的摩擦存在 2.在“驗(yàn)證機(jī)械能守

3、恒定律”實(shí)驗(yàn)中: (1)紙帶將被釋放瞬間的四種情景如圖1照片所示,其中操作最規(guī)范的是____________。? (2)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接交流電頻率為50 Hz,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.80 m/s2,實(shí)驗(yàn)選用的重錘質(zhì)量為0.5 kg,從所打紙帶中選擇一條合適的紙帶,此紙帶第1、2點(diǎn)間的距離應(yīng)接近____________mm,若紙帶上連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D至第1點(diǎn)O的距離如圖2所示,則重錘從O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn),重力勢(shì)能減小____________J,重錘經(jīng)過(guò)C點(diǎn)時(shí)的速度____________m/s,其動(dòng)能增加____________J。(保留三位有效數(shù)字)? (3)大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)

4、果顯示重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量,其原因是___________。? A.利用公式v=gt計(jì)算重物速度 B.利用公式v=計(jì)算重物速度 C.存在空氣阻力和摩擦力阻力的影響 D.沒(méi)有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法 【解析】(1)實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證重錘做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)械能守恒,故要保證紙帶和限位孔在同一豎直面內(nèi)以減小阻力,同時(shí)為了在紙帶上多打點(diǎn),重錘應(yīng)靠近限位孔開(kāi)始下落,故D操作最規(guī)范。 (2)重錘做自由落體運(yùn)動(dòng), 點(diǎn)與點(diǎn)之間時(shí)間間隔為0.02 s, 第1、2點(diǎn)間的距離 h=gt2=×9.8×0.022 m≈2.00 mm; 重錘從O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn),重力勢(shì)能減小 ΔEp=mghOC

5、≈2.75 J 重錘經(jīng)過(guò)C點(diǎn)時(shí)的速度 vC=≈3.30 m/s 故動(dòng)能增加ΔEk=m≈2.72 J (3)重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量,其原因主要是在實(shí)驗(yàn)中存在空氣阻力和摩擦力的影響,故A、B、D錯(cuò)誤,C正確。 答案:(1)D　(2)2.00　2.75　3.30　2.72　(3)C 3.利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌,導(dǎo)軌上有一裝有長(zhǎng)方形擋光片的滑塊,總質(zhì)量為M,滑塊左端由跨過(guò)輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩和一質(zhì)量為m的小球相連。導(dǎo)軌上的B點(diǎn)有一光電門(mén),可以測(cè)量擋光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)的時(shí)間t。實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊由A處?kù)o止釋放,用L表示A、B兩點(diǎn)間的距

6、離,d表示擋光片的寬度。 (1)某次實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌的傾角為θ,設(shè)重力加速度為g,則滑塊從A點(diǎn)到通過(guò)B點(diǎn)時(shí)m和M組成的系統(tǒng)的動(dòng)能增加量ΔEk=__________________,系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量ΔEp=__________________,在誤差允許的范圍內(nèi),若ΔEk=ΔEp,則可認(rèn)為系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。? (2)設(shè)滑塊經(jīng)過(guò)B點(diǎn)的速度為v,某同學(xué)通過(guò)改變A、B間的距離L,測(cè)得傾角θ=37°時(shí)滑塊的v2-L的關(guān)系如圖乙所示,并測(cè)得M=0.5m,則重力加速度g=____________m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。? 【解析】(1)由題意,滑塊經(jīng)過(guò)點(diǎn)B時(shí)速度為:vB= 故系統(tǒng)的動(dòng)能增

7、加量為:ΔEk=(m+M)=; 系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量為:ΔEp=mgL-MgLsinθ (2)m和M組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,有: mgL-MgLsinθ=(m+M)v2 整理得:v2=L 結(jié)合圖像可得:= 得:g=9.6 m/s2 答案:(1)　mgL-MgLsinθ　(2)9.6 4.如圖甲所示為阿特武德機(jī)的示意圖,它是早期測(cè)量重力加速度的器械,由英國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿特武德于1784年制成。他將質(zhì)量均為M的兩個(gè)重物用不可伸長(zhǎng)的輕繩連接后,放在光滑的輕質(zhì)滑輪上,處于靜止?fàn)顟B(tài)。再在一個(gè)重物上附加一質(zhì)量為m的小物塊,這時(shí),由于小物塊的重力而使系統(tǒng)做初速度為零的緩慢加速運(yùn)動(dòng)并測(cè)出加速

8、度,完成一次實(shí)驗(yàn)后,換用不同質(zhì)量的小物塊,重復(fù)實(shí)驗(yàn),測(cè)出不同m時(shí)系統(tǒng)的加速度。 (1)所產(chǎn)生的微小加速度可表示為a=____________(用M、m、重力加速度g表示);? (2)若選定如圖甲所示左側(cè)重物從靜止開(kāi)始下落的過(guò)程進(jìn)行測(cè)量,想要求出重物的質(zhì)量M,則需要測(cè)量的物理量有____________。? A.小物塊的質(zhì)量m B.重物下落的距離及下落這段距離所用的時(shí)間 C.繩子的長(zhǎng)度 D.滑輪半徑 (3)經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),得到多組a、m數(shù)據(jù),作出-圖像,如圖乙所示,已知該圖像斜率為k,縱軸截距為b,則可求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=__________________,并可求出每

9、個(gè)重物質(zhì)量M=__________________。? 【解析】(1)對(duì)整體分析,根據(jù)牛頓第二定律得, mg=(2M+m)a 解得:a= (2)根據(jù)h=at2,解得:a= 因?yàn)閍= 所以= 得M=-m 根據(jù)上式知,需要測(cè)量的物理量有:小重物的質(zhì)量m,重物下落的距離及下落這段距離所用的時(shí)間。故A、B正確。 (3)因?yàn)閍=,則==·+, 知圖線(xiàn)斜率k=,b= 解得:g=,M=。 答案:(1)　(2)A、B　(3)　 5.用“落體法”驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí),利用了如圖1所示的裝置,完成了如下操作: 將連接重物的紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔,接通電源,待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后

10、,釋放紙帶,重復(fù)多次操作,從其中挑選出一條打點(diǎn)比較清晰的紙帶,如圖2所示。在紙帶上選取一系列的計(jì)數(shù)點(diǎn)O、1、2、…、6,已知兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有一個(gè)點(diǎn),并用刻度尺依次測(cè)出相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離為h1、h2、h3、h4、h5、h6,重力加速度用g表示。 (1)根據(jù)所學(xué)的知識(shí)分析下列選項(xiàng),其中符合事實(shí)的為_(kāi)____________。? A.圖1中的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源為頻率為50 Hz的交流電 B.接通電源前,應(yīng)使重物遠(yuǎn)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并保持紙帶豎直 C.由于紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間存在摩擦力,因此為了減少摩擦力所做的功,應(yīng)選取較短的紙帶 D.在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),必須測(cè)出重物的質(zhì)量 E.實(shí)驗(yàn)時(shí)

11、應(yīng)選用體積較小、密度較大的重物 (2)如果重物的質(zhì)量用m表示,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率用f表示,則打點(diǎn)計(jì)時(shí)器從打下計(jì)數(shù)點(diǎn)1到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5的過(guò)程中,重物動(dòng)能的增加量為_(kāi)____________　______________,重力勢(shì)能的減少量為_(kāi)____________________。(用以上測(cè)量數(shù)據(jù)或已知的物理量表示)? (3)假設(shè)以O(shè)點(diǎn)所在的水平面為重力勢(shì)能的零勢(shì)能面,求出打下1、2、3、4、5、6點(diǎn)時(shí)重物的重力勢(shì)能的和動(dòng)能的值,以重力勢(shì)能的減少量和動(dòng)能的增加量為縱坐標(biāo),以重物下落的高度為橫坐標(biāo),在圖3中描繪出的圖線(xiàn)為A、B,則動(dòng)能的增加量與下落高度的關(guān)系圖線(xiàn)為_(kāi)___________(選填

12、“A”或“B”)。兩圖線(xiàn)沒(méi)有重合的原因是___?　　　　　　　___。? 【解析】(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源為頻率為50 Hz的交流電,故A正確;接通電源前,應(yīng)使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并保持紙帶豎直,故B錯(cuò)誤;由于紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間存在摩擦力,因此為了減少摩擦力所做的功,應(yīng)將紙帶豎直,而不是選取較短的紙帶,故C錯(cuò)誤;等式ΔEp=ΔEk兩邊的質(zhì)量可以約去,則不需要測(cè)量重物的質(zhì)量,故D錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)中為了減小阻力的影響,應(yīng)選用體積較小,密度較大的重物,故E正確。 (2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器從打下計(jì)數(shù)點(diǎn)1到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5的過(guò)程中,重力勢(shì)能的減小量等于重力所做功的大小,因此有: W=ΔEP=mgh=mg(h

13、2+h3+h4+h5); 根據(jù)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中時(shí)間中點(diǎn)的瞬時(shí)速度大小等于該過(guò)程的平均速度大小,因此有:v1==f 同理,v5=f 動(dòng)能的增加量為: ΔEk=m-m=[(h5+h6)2-(h1+h2)2]; (3)以重力勢(shì)能的減少量和動(dòng)能的增加量為縱坐標(biāo),以重物下落的高度為橫坐標(biāo),在圖3中描繪出的圖線(xiàn)為A、B,由(2)可知,重力勢(shì)能的減少量>動(dòng)能的增加量,原因是紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間有摩擦阻力且存在空氣阻力。則動(dòng)能的增加量與下落高度的關(guān)系圖線(xiàn)為B。 答案:(1)A、E (2)[(h5+h6)2-(h1+h2)2]　mg(h2+h3+h4+h5) (3)B　紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間有摩擦阻力

14、且存在空氣阻力 6.為了探究機(jī)械能守恒定律,某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置,并提供了如下的實(shí)驗(yàn)器材: A.小車(chē)　B.鉤碼　C.一端帶滑輪的木板　D.細(xì)線(xiàn)　E.電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器　F.紙帶　G.毫米刻度尺　H.低壓交流電源 I.220 V的交流電源　J.天平　K.秒表 (1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置,你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中不需要的器材是____________、____________。(填寫(xiě)器材序號(hào))? (2)實(shí)驗(yàn)中得到了一條紙帶如圖乙所示,選擇點(diǎn)跡清晰且便于測(cè)量的連續(xù)7個(gè)點(diǎn)(標(biāo)號(hào)0～6),測(cè)出0到1、2、3、4、5、6點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3、d4、d5、d6,打點(diǎn)周期為T(mén)。則打點(diǎn)2時(shí)小

15、車(chē)的速度v2=____________。? (3)若測(cè)得小車(chē)質(zhì)量為M、鉤碼質(zhì)量為m,打點(diǎn)1和點(diǎn)5時(shí)小車(chē)的速度分別用v1、v5表示,已知重力加速度為g,則驗(yàn)證點(diǎn)1與點(diǎn)5間系統(tǒng)的機(jī)械能守恒的關(guān)系式可表示為_(kāi)_______________________。? (4)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí),如果以為縱軸,以d為橫軸,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出圖像,其圖線(xiàn)斜率的表達(dá)式為_(kāi)___________。? 【解析】(1)實(shí)驗(yàn)中,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以直接記錄時(shí)間,所以不需要秒表,電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要220 V的交流電源,不需要低壓交流電源,所以不需要的器材為:H、K。 (2)點(diǎn)2的瞬時(shí)速度為:v2=或者v2=; (3)從點(diǎn)1

16、到點(diǎn)5,動(dòng)能的增加量為(M+m)(-), 則需要驗(yàn)證的表達(dá)式為: mg(d5-d1)=(M+m)(-)。 (4)根據(jù)動(dòng)能定理得:mgd=(M+m)v2, 解得:v2=d,則圖線(xiàn)的斜率為:k= 答案:(1)H　K　(2)(或) (3)mg(d5-d1)=(M+m)(-) 　(4) 【補(bǔ)償訓(xùn)練】 　　在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,使質(zhì)量為m=1.00 kg的重物自由下落,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn),選取一條符合實(shí)驗(yàn)要求的紙帶如圖所示。O為第一個(gè)點(diǎn),A、B、C為從合適位置開(kāi)始選取連續(xù)點(diǎn)中的三個(gè)點(diǎn)。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn),當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間=9.80

17、 m/s2,那么: (1)根據(jù)圖上所得的數(shù)據(jù),應(yīng)取圖中O點(diǎn)到____________點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。? (2)從O點(diǎn)到(1)問(wèn)中所取的點(diǎn),重物重力勢(shì)能的減少量ΔEp=____________J,動(dòng)能增加量ΔEk=____________J(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。? (3)若測(cè)出紙帶上所有各點(diǎn)到O點(diǎn)之間的距離,根據(jù)紙帶算出各點(diǎn)的速度v及物體下落的高度h,則以為縱軸,以h為橫軸畫(huà)出的圖像是圖中的____________。? 【解析】(1)因計(jì)算B點(diǎn)的速度誤差相對(duì)較小,故應(yīng)取圖中O點(diǎn)到B點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒。 (2)ΔEp=mg·hOB=1.00×9.80×0.1920 J≈1.88 J 打B點(diǎn)的瞬時(shí)速度vB==1.92 m/s 故ΔEk=m=×1.00×(1.92)2 J≈1.84 J (3)由機(jī)械能守恒定律可知mgh=mv2,故有=gh,選項(xiàng)A正確。 答案:(1)B　 (2)1.88　1.84　 (3)A - 10 -