【物理】2020二轮复习实验与研究精解集汇验证机械能守恒定律（解析版）

【物理】2020二轮复习实验与研究精解集汇验证机械能守恒定律（解析版）

验证机械能守恒定律 ‎1、若“验证机械能守恒”实验中所用重锤质量为1kg,所用交流电的频率为50Hz,打出的纸带如图所示,其中O为第一个点,是依次打下的点。已知当地重力加速度为,则打下C点时,重锤的动能_________J,从开始下落至C点,重锤的重力势能减少量为__________J,实验中发现重锤增加的动能_________(填“略大于”“略小于”或“等于”)重锤减少的重力势能,其主要原因是__________________________________。(结果保留三位有效数字)‎ ‎2、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的小金属球从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)，光电计时器记录下小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，用游标卡尺测得小球的直径d＝________mm.‎ ‎(2)多次改变高度H，重复上述实验，作出随H的变化图象如图丙所示，当图中已知和重力加速度g及金属球的直径d满足表达式________________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总是稍小于重力势能减少量，增加下落高度后，则将 __________________(填“增加”、“减小”或“不变”)．‎ ‎3、用如图甲所示的实验装置验证组成的系统机械能守恒。从高处由静止开始下落,‎ 上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,即町验证机械能守恒定律。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带:0是打下的第1个点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),所用电源的频率为50Hz,计数点间的距离如乙所示。已知,,则:(结果均保留两位有效数字)‎ ‎(1)在纸带上打下计数点5时的速度_________m/s;‎ ‎(2)在打下第0点到打下第5点的过程中系统动能的增量________J,系统重力势能的减少量________J;(取当地的重力加速度)‎ ‎(3)若某同学作出图像如图丙所示,则当地的重力加速度________。‎ ‎4、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点之间的势能变化大小,与动能变化大小,就能验证机械能是否守恒。‎ ‎(1)用计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度h是指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点时的速度为_________m/s。‎ ‎5、气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器、,滑块上固定一遮光条,若光线被遮光条遮挡,光电传感器会输出高电压,两光电传感器采集数据后与计算机相连。滑块在细线的牵引下向左加速运动,遮光条经过光电传感器、时,通过计算机可以得到如图乙所示的电压随时间变化的图象。‎ ‎1.实验前,按通气源,将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上,轻推滑块,当图乙中的__________ (选填“>”、“=”或“<”)时,说明气垫导轨已经水平。‎ ‎2.用螺旋测微器测遮光条宽度d测量结果如图丙所示，则d=___________mm 3.将滑块用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为的钩码相连,将滑块 由图甲所示位置释放,通过计算机得到的图象如图乙所示,若、、和已知,要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒,还应测出两光电门间距离L和__________(写出物理量的名称及符号)。 4.若上述物理量间满足关系式__________,则表明在上述过程中,滑块和钩码组成的系统机械能守恒。(重力加速度为)‎ ‎6、某同学利用图示装置来验证机械能守恒定律。是质量均为m的小物块,C是质量为M的重物,间由轻弹簧相连,间由轻质细绳相连。在物块B下放置一压力传感器,重物C下放置一速度传感器,压力传感器与速度传感器相连。整个实验中弹簧均处于弹性限度内,重力加速度大小为g。实验操作如下:‎ a.开始时,系统在一外力作用下保持静止,细绳拉直但张力为零。现释放C,使其向下运动,当压力传感器示数为零时,速度传感器测出C的速度为v。‎ b.在实验中保持质量不变,改变C的质量M,多次重复步骤a。回答下列问题:‎ ‎(1)该实验中,M和m大小关系必满足填M___________m(“小于”“等于”或“大于”)。‎ ‎(2)为便于研究速度v与质量M的关系,每次测C的速度时,C已下降的高度应_____________(选填“相同”或“不同”)。‎ ‎(3)根据所测数据,为更直观地验证机械能守恒定律,应作出_______________(选项“”“”或“”)图线。‎ ‎(4)根据3中的图线,若图线在纵轴上的截距为b,则弹簧的劲度系数为____________(用题给的已知量表示)‎ ‎7、某同学在做“验证机械能守恒定律”的实验时,实验装置如图甲所示.‎ ‎1.该同学开始实验时的情形如图乙所示,接通电源释放纸带开始实验.请指出该同学在实验操作中存在的两处明显错误或不当的地方是:①__________;②__________。‎ ‎2.根据纸带算出相关各点的速度v,量出下落距离h,以 为纵轴,画出的图像应是图中的(   ).‎ A. B. C. D. 3.将错误或不当的地方改正后,打点计时器所用交流电的频率为50Hz,该同学选取如图丙所示的一段纸带,O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),各计数点到O点的距离如图所示,他对OC段进行研究.在重物下落高度hoc的过程中,重物减小的重力势能__________J,增加的动能__________J (m=0.50kg,重力加速度g=10m/s2,结果保留3位有效数字).‎ ‎8、某同学用两个光电门验证机械能守恒定律,装置如图1所示,让细线悬吊的质量分布均匀的小圆柱体绕悬点O在竖直面内做圆周运动,将光电门1固定在小圆柱体运动轨迹的最低点,调整光电门2的位置,使小圆柱体在运动过程中阻挡光电门发出的光。记录小圆柱体通过光电门1、2的时间t1,t2,当地的重力加速度为g。‎ ‎1.要验证机械能守恒,除了要测量两个光电门间的高度差h,还需要测量的物理量有______________ (写出物理量名称及符号),要验证机械能守恒,只要验证等式___________(用已知量和测量量表示)成立即可。‎ ‎2.由于两个光电门间的高度差比较难测量,该同学又改进了实验方法。‎ ‎① 如图2所示,将光电门1放于光电夕;水平长木板的两侧,适当调节 光电心细线悬点O的位置,使小圆柱体通过最低点时恰好与长木板相碰,光电门的光束与小圆柱体静止悬挂时的重心在同一高度;‎ ‎② 将刻度尺竖直立于长木板上,让细线悬吊着的小圆柱体刚好与刻度尺接触,由刻度尺测出小圆柱体此时重心离长木板的高度h1,将小圆柱体由静止释放,测出小圆柱体经过光电门1的时间t;‎ ‎③ 将刻度尺右移,重复步骤②多次,测出小圆柱体在不同位置释放时重心离长木板的高度h1,记录不同高度释放后小圆柱体通过光电门1的时间t;‎ ‎④ 测出小圆柱体的长L,算出每次小圆柱体实际下落的高度h'= _________,作出图象,作出的图象应是__________;如果求得图线的斜率在误差允许的范围内等于________,则机械能守恒定律得到验证。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 答案以及解析 ‎1答案及解析：‎ 答案：2.53;2.60;略小于;重锤及纸带在下落时受到阻力 解析：打下C点时,重锤的速度,重锤的动能;从开始下落至C点,重锤的重力势能减少量;实验中发现重锤增加的动能略小于重锤减少的重力势能,其主要原因是重锤及纸带在下落时受到阻力。‎ ‎ ‎ ‎2答案及解析：‎ 答案：(1) 7.15　(2)　(3)增加 解析：‎ ‎(1)根据游标卡尺读数规则得读数为：‎ ‎7 mm＋3×0.05 mm＝7.15 mm；‎ ‎(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：‎ ‎，整理可以得到：；‎ ‎(3)由于该过程中有阻力做功，而高度越高，阻力做功越多，故增加下落高度后，则将增加．‎ ‎ ‎ ‎3答案及解析：‎ 答案：(1)2.4 (2)0.58;0.60 (3)9.7‎ 解析：(1)。‎ ‎(2)‎ ‎。‎ ‎(3)由知 即图线的斜率 解得。‎ ‎ ‎ ‎4答案及解析：‎ 答案：(1)B (2)1.50;1.50‎ 解析：(1)钢球下落的高度h是初、末位置球心之间的高度差,B正确。‎ ‎(2)刻度尺的读数为1.50cm;计时器的示数为0.0100s,根据该段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出在最低点钢球的速度,故钢球的速度为。‎ ‎ ‎ ‎5答案及解析：‎ 答案：1.=; 2. 8.476（在8.475-8.477之间） 3.滑块质量M; 4. ‎ 解析：1.在气垫导轨水平时,滑块在水平方向上受力平衡,做匀速直线运动,所以 ‎2.螺旋测微器的读数为: 。 4.系统的机械能守恒,则钩码减小的重力势能等于钩码与滑块的动能增加量,所以有,其中,,带入可得 ‎ ‎ ‎6答案及解析：‎ 答案：(1)大于 (1)相同 (3) (4)‎ 解析：(1)实验过程中需要测定压力传感器示数为零时,C向下运动的速度v,所以必须满足。‎ ‎(2)因刚开始时弹簧被压缩,弹力大小为,而压 力传感器示数为零时,弹簧被拉伸,弹力大小 仍为,弹簧的形变量,不论C的质量如何,测C的速度时,C已下降的高度相同,为。‎ ‎(3)弹性势能在始末状态相同,为此只需验证,化简得,所以应作图线。‎ ‎(4)由题意知,而,联立得。‎ ‎ ‎ ‎7答案及解析：‎ 答案：1.打点计时器接的直流电源; 重物离打点计时器太远 2.C; 3.2.19; 2.12‎ 解析：1.本实验要求采用打电计时器,而打点计时器采用的是交流电源,而本实验中采用了直流电源;同时,由于加速度较大,故纸带应在1米左右,且应让重物紧靠打点计时器,而本实验中离打点计时器太远,故错误为:①打点计时器接了直流电源;②重物离打点计时器太远; 2.利用 图线处理数据,从理论角度物体自由下落过程中机械能守恒可以得出: ,即,所以以为纵轴,以h为横轴画出的图线应是过原点的倾斜直线,也就是图中的C. 3.重力势能的减小量为: .C点的瞬时速度为: , 则动能的增加量为: ‎ ‎ ‎ ‎8答案及解析：‎ 答案：1.小圆柱体戴面的直径d; 2. ;过原点的一条倾斜直线; ‎ 解析：1.要验证机械能守恒定律,选取小圆柱体从光电门2运动到光电门1的过程,要验证机械能守恒,即验证小圆柱体的重力势能减少量等于动能变化量 ‎,即验证,因此还需要测量小圆柱体截面的直径d. 2.小圆柱体实际下落高度,若满足,得图象是一条过原点的斜线,即图象的斜率在误差允许的范围内等于,机械能守恒.‎ ‎ ‎