2020-2021学年5 实验：验证机械能守恒定律同步达标检测题

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1（含解析）

1．某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50Hz，得到如图乙所示的纸带，选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0=19.00cm，点A、C间的距离为s1=8.36cm，点C、E间的距离为s2=9.88cm，g取9.8m/s2，测得重物的质量为m=0.5kg。

(1)下列做法正确的有________

A．图中两限位孔必须在同一竖直线上

B．实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直

C．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源

D．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置

(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J，打下C点时重物的速度大小是________m/s（结果保留三位有效数字）

(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以为纵坐标、以s为横坐标画出的图象应是下面的________

2．某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示。在气垫导轨上（可忽略摩擦力）相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B，滑块P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A、B时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U 随时间t变化的图象。

(1)实验前，调整气垫导轨倾斜角度，使两光电门之间距与导轨高度差为，接通气源；

(2)用游标卡尺测遮光条宽度d，测量结果如图丙所示，则d______mm；

(3)滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码Q相连，将滑块P由图甲所示位置释放，通过计算机得到图像如图乙所示，若和d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______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。

3．某实验小组用如图甲所示装置验证机械能守恒定律。光电门1、光电门2固定在铁架台上，两光电门分别与数字计时器连接。当地的重力加速度为g。

(1)实验前先用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图乙所示，则小球直径为d=______cm；

(2)让小球从光电门1正上方某位置由静止释放，小球通过光电门1和光电门2时，小球的挡光时间分别为t1、t2，则小球通过光电门1时的速度大小为v1=______（用物理量的符号表示）；要验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量是______（写出物理量的名称和符号）；

(3)改变小球在光电门1上方释放的位置，重复实验多次，测得多组通过光电门1和光电门2的挡光时间t1、t2，作-图象，如果图象的斜率为______，图线与纵轴的交点为______（用题目中相关物理量符号表示），则机械能守恒定律得到验证。

4．用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验

(1)释放重物前有以下操作，其中正确的是______

A．将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上

B．手提纸带任意位置

C．提纸带的手要靠近打点计时器

D．先释放纸带，再接通打点计时器

(2)实验桌上已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器，还必须选取的器材是下图中的______

A．    B．    C．    D．

5．如图所示，为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。两个质量各为和（）的小物块A和B分别系在一条跨过定滑轮的轻质软绳两端，用手拉住物块B，使它与地面接触，用米尺测量物块A的底部到地面的高度h，释放物块B，同时用秒表开始计时，当物块A碰到地面时，停止计时，记下物块A下落的时间t。当地的重力加速度为g。在物块A下落的时间t内，物块A、B组成的系统减少的重力势能______，增加的动能______。改变、和h，多次重复上述实验，若在实验误差范围内均成立，则可初步验证机械能守恒定律。

6．如图是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置。（g取9.8m/s2）

（1）选出一条清晰的纸带如图甲所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通过频率为50Hz的交变电流。用分度值为1mm的刻度尺测得OA＝12.41cm，OB＝18.90cm，OC＝27.06cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重锤的质量为1.00kg。甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了______J；此时重锤的动能比开始下落时增加了______J。（结果均保留三位有效数字）

（2）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______。

（3）某同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以v2为纵轴作出了如图乙所示的图线，图线的斜率近似等于______。

A．19.6　　B．9.8　　C．4.90

（4）图线未过原点O的原因是______。

7．某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。（保留3位小数）

(1)打点计时器打出B点时，重锤在B点的速度=________。

(2)从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为_________J。

(3)如果以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图像能验证机械能守恒定律，则图线的斜率表示__________________。

8．图示为验证小球在光滑曲面下滑过程机械能守恒的实验装置图，图中曲面固定，底端B处切线水平，且与桌的右边缘相齐。

(1)完成下列实验步骤

①在木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将木板竖直靠近桌子边缘，让质量为m的小球从曲面上某点A（记录A点位置）由静止释放，撞到木板上并在白纸上留下痕迹O；

②将木板向右移动适当的距离然后固定，再让小球________，撞到木板上得到痕迹P；

③测出OP间的距离y及______和______，查出当地的重力加速度g。

(2)写出验证小球机械能守恒的表达式__________。

9．小华在实验室中用打点计时器验证机械能守恒定律，其实验装置如图所示。

(1)为了完成实验，下列器材中必备的是___________

A．交流电源            B．刻度尺

C．秒表                D．天平

(2)选择好器材后，小华同学通过正确的操作得到了一条实验纸带，如图所示，图中O点是打出的第1个点，计数点A、B、C、D之间分别还有一个点。各计数点与O点之间的距离已测出。已知打点计时器的打点周期为T=0.02s，则打点计时器打下C点时重锤的速度vC=___________m/s。（计算结果保留2位有效数字）

(3)小华通过纸带得到OC的距离h及C点的速度vC，当两者间的关系式满足___________时，说明下落过程中重锤的机械能守恒（已知重力加速度为g）。

10．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，丙同学准备做研究匀变速直线运动速度与时间关系实验

(1)甲同学用电磁打点计时器与学生电源相接，需要连接的电压是______（填字母编号）；

A．交流    B．交流

(2)关于甲、乙两同学的实验下列说法正确的是______（填字母编号）

A．甲同学可以利用纸带上任意两计数点的距离求所需速度

B．甲同学实验时，通过改变小车的释放位置来探究做功与速度变化关系

C．乙同学可以利用求出某计数点的瞬时速度

D．乙同学实验时使重物靠近打点计时器释放的目的是为了获取更多的计数点

(3)三个同学实验正确作后各自获得了一条纸带，如图是丙同学实验中打出的一条纸带的一部分（单位：），纸带上标出了连续的6个计数点，相邻计数点之间还有4个点没有画出，打点计时打“3”点时，小车的速度为______（结果保留两位有效数字）。

11．利用如图所示装置，可以完成实验一“探究小车速度随时间变化规律”，实验二“探究加速度与力、质量的关系”，实验三“探究功与速度变化的关系”。

（1）三个实验中____________

A．都必须平衡摩擦力

B．都需要用天平来称小车质量

C．都需要调节滑轮高度使细线水平

D．都不需要使用学生电源

（2）在图中的（a）（b）（c）分别为三个实验中所作的图象，下列说法正确的是____________

A．图（a）：轴的截距就是小车开始运动时的速率

B．图（b）：由图线可知小车的加速度与其质量成反比

C．图（c）：仅通过一条纸带上的数据就可以作出该图线

（3）如图所示是实验二中打出的一条纸带，O、A、B、C、D是纸带上所选的计数点，量出相邻计数点之间的距离分别为：，，，。由此可得小车运动的加速度_________；（结果保留两位有效数字）

（4）在图所示的装置中，平衡摩擦力后，能否可用于“验证机械能守恒定律”？________________（填“能”或“否”）

12．在“落体法验证机械能守恒定律"的实验中

(1)实验室提供了铁架台、夹子、导线、纸带、电源等器材。为完成此实验，除了所给的器才，从下图还必须选取的实验器材是______ 。(填字母代号,F为重锤)

(2)完成实验后，小明用刻度尺测量纸带距离时如图(乙)，已知打点计时器每0.02s打一个点，则B点对应的速度vB=____m/s。若H点对应的速度为vH,重物下落的高度为h,重物质量为m,当地重力加速度为g，为得出实验结论完成实验，需要比较mgh与_的大小关系____(用题中字母表示)。

(3)某同学若选择起始点A点到H点过程进行验证，发现实验结果总显示重物的动能变化量略大于重力势能变化量，出现这一问题的原因可能是____(填字母)

A、重物的质量测量错误

B、起始点A点速度可能不为零

C、交流电源的频率小于50Hz

D、重物下落时受到阻力

13．某同学设计出如图所示的实验装置来“验证机械能守恒定律”，有一直径为d，质量为m的小球由A处静止释放，下落过程中能通过A点正下方、固定于B点的光电门。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。

(1)本实验中，小球应选择______；

A．木球     B．钢球     C．塑料球

(2)小球通过光电门时的瞬时速度v=______ （用题中所给的物理量表示）；

(3)调整AB之间距离H，多次重复上述过程，作出随H的变化图象如图所示，当小球下落过程中机械能守恒时，该直线斜率k0=______ （用题中所给的物理量表示）；

(4)在实验中根据数据实际绘出－H图象的直线斜率为k（k<k0），则实验过程中所受的平均阻力f与小球重力mg的比值＝______ （用k、t表示）。

14．某同学用图（a）所示的实验装置完成“验证机械能守恒定律”的实验，图（b）是用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取，若重锤的质量为1kg（计算结果保留两位有效数字）。

(1)打点计时器打出B点时，重锤下落的速度_______m/s，重锤的动能_______J。

(2)从起点O到打下B点过程中，重锤的重力势能的减小量为_______J。

(3)根据(1)、(2)计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是_______。

15．下图为一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。

主要实验步骤如下：

A．将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平；

B．测出遮光条的宽度；

C．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离；

D．释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间；

E．用天平称出托盘和砝码的总质量；

F．……

(1)为验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量_________

A．滑块的长度

B．遮光条运动到光电门处所用的时间

C．滑块和遮光条的总质量

(2)若某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度并正确读数得，由此可知该同学所用的游标卡尺是__________；

A．十分度的游标卡尺    B．二十分度的游标卡尺    C．五十分度的游标卡尺

(3)遮光条通过光电门时的速率为_________；若要符合机械能守恒定律的结论，以上测得的物理量应该满足的关系是__________（用直接测量的物理量的字母表示）

参考答案

1．AB    1.34    2.28    C   

【详解】

(1)[1]A．为了减小纸带与限位孔之间的摩擦图甲中两限位孔必须在同一竖直线，故A正确；

B．为了保证纸带在竖直方向做自由落体，实验前，手应提住纸带上端，并使纸带竖直，故B正确；

C．为了充分利用纸带和打点稳定，应先通电再释放纸带，故C错误；

D．为了减小测量数据h的相对误差，数据处理时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，故D错误。

故选AB

(2)[2]重物减少的重力势能为

[3]打下C点时的速度

(3)[4]由机械能守恒定律得

整理得

与s成正比

故选C

2．    两光电门之间的距离L    滑块的质量M       

【详解】

(2)[1]由游标卡尺的读数规则可知，示数为

(3)[2][3]滑块经过两光电门时的速度分别为

要验证的关系为

则为了计算出滑块、钩码的重力势能的减少量，还需测量出两光电门之间的距离L，滑块的质量M；

(4)[4]对滑块、钩码组成的系统，由机械能守恒定律

3．0.3290（0.3290～0.3292均可得分）        两个光电门的高度差h    1       

【详解】

(1)[1]螺旋测微器的固定刻度为3mm，可动刻度读数为0.01×29.0mm=0.290mm，所以最终读数为3.290mm=0.3290cm；

(2)[2]小球通过光电门1的速度为

[3]要验证机械能守恒定律，即验证

是否成立，因此还需要测量两个光电门的高度差；

(3)[4][5]由上可得

得到：，因此如果图象的斜率为1，图线与纵轴的交点为，则机械能守恒定律得到验证。

4．A    BD   

【详解】

（1）[1] A．将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上，可以减小纸带运动过程中的摩擦力，A正确；

BC．手提纸带应使重物靠近打点计时器，可以提高纸带使用率，BC错误；

D．先通打点计时器，稳定后再释放纸带，D错误。

故选A。

（2）[2] 验证机械能守恒，即验证重物重力势能的减小量和动能的增加量是否相等，所以需要重物，点迹间的时间间隔可以通过打点计时器直接得出，不需要秒表，实验中需要刻度尺测量点迹间的距离，从而得出下降的高度以及瞬时速度的大小。

故选BD。

5．       

【详解】

[1]在物块A下落的时间t内，物块A、B组成的系统减少的重力势能为

[2]在下落过程中，根据运动学公式

解得落地速度为

那么在物块A下落的时间t内，物块A、B组成的系统增加的动能为

6．1.85    1.67    见解析    B    先释放了纸带，再合上打点计时器的开关   

【详解】

（1）[1]当打点计时器打到B点时，重锤的重力势能减少量

打B点时重锤的速度

[2]此时重锤的动能增加量

（2）[3]由于纸带在下落过程中，重锤和空气之间存在阻力，纸带和打点计时器之间存在摩擦力，所以减小的重力势能部分转化为动能，还有部分要克服空气阻力和摩擦力阻力做功，故重力势能的減少量大于动能的增加量

（3）[4]由机械能守恒定有

可得

由此可知图线的斜率近似等于重力加速度g，故选B；

（4）[5]由图线可知，h=0时，重锤的速度不等于零，原因是该同学做实验时先释放了纸带，然后才合上打点计时器的开关。

7．1.175m/s    0.691    重力加速度   

【详解】

(1)[1] 打点计时器打出B点时，重锤的速度为

(2)[2] 重锤的重力势能减小量为

(3)[3]机械能守恒有

整理可得

则图像的斜率为g，即重力加速度

8．从曲面上A点由静止释放    竖直木板向右移动的距离x    A、B两点间的高度差h       

【详解】

(1)[1]为了使小球每次平抛初速度相同，小球应该从曲面上A点由静止释放。

[2][3]小球从A点运动到B点，如果机械能守恒则减小的重力势能全部转化为了动能。本实验需要根据平抛运动的规律求出小球平抛的初速度，求出小球在B点的动能，故需要测出竖直木板向右移动的距离x；要求减小的重力势能，必须测出A、B两点间的高度差h。

(2)[4]根据平抛运动规律有

验证机械能守恒，即验证减小的重力势能全部转化为动能，有

联立以上几式得

9．AB    3.1       

【详解】

（1）[1]用打点计时器验证机械能守恒定律，必备的器材是交流电源和刻度尺，因为打点计时器自带计时功能，所以不需要秒表，不需要称质量，所以不需要天平。故选AB。

（2）[2]根据公式可求得

（3）[3]根据机械能守恒定律可知，是重力势能转化为动能

即满足如下关系

10．A    D    0.23   

【详解】

(1)[1]电磁打点计时器使用低压交流电源，电压为4V～6V

故选A

(2)[2]A．探究功与物体速度变化的关系的实验中，合外力做的功等于物体动能的变化，所以需选取纸带上相邻的两点距离最大且近似相等的点进行测量，不能是纸带上任意两计时点的距离求所需速度，故A错误；

B．在探究功与物体速度变化的关系的实验中，由于探究的过程中，要求每一条橡皮筋做的功都相等，所以小车的释放位置不能变化，故B错误；

C．乙同学做“验证机械能守恒定律”实验，不能使用v=gt求速度，故C错误；

D．乙同学实验时使重物靠近打点计时器释放的目的是为了获取更多的计时点，提高纸带的使用率，故D正确。

故选D

(3)[3]计算纸带点3的速度，24间距为

故点3速度为

11．D    C        否   

【详解】

（1）[1]A．“探究小车速度随时间变化规律”不用平衡摩擦力，故A错误；   

B．“探究小车速度随时间变化规律”和 “探究功与速度变化的关系”不要用天平来称小车质量，故B错误；

C．都需要调节滑轮高度使细线与长木板平行，如果要平衡摩擦力，长木板不是水平的，此时，细张也不水平，故C错误；

D．本实验打点计时器用的是电火花打点计时器，工作电压是220V，所以都不需要使用学生电源，故D正确。

故选D。

（2）[2]A．图（a）：轴的截距是打计数点“0”时的速率，不是小车开始运动时的速率，故A错误；

B．图（b）：由图线无法判断小车的加速度与其质量成反比，故B错误；

C．拉力恒定，根据动能定理可知， 是一条过原点的倾斜直线，所以图（c）：仅通过一条纸带上的数据就可以作出该图线，故C正确；

故选C。

（3）[3]根据逐差法可知，小车运动的加速度

（4）[4] 在图甲所示的装置中，平衡摩擦力后，不可能用于“验证机械能守恒定律”，因为尽管平衡摩擦力，但摩擦力也要做功，一部分机械能会转化内能。

12．AEF    1.35        BC   

【详解】

(1)[1]下图还必须选取的实验器材是电火花打点计时器、重锤和刻度尺，故选AEF。

(2)[2][3]B点对应的速度

为得出实验结论完成实验，需要比较mgh与从B点到H点的动能增加量，即比较mgh与的大小关系；

(3)[4]A．因为动能的增加量和重力势能的减小量表达式中都含有质量，可以约去，可知质量不影响测量的误差。故A错误。
B．起始点A点速度可能不为零，若按照0来计算，则动能增量会偏大，故B正确
C．若交流电的频率小于50Hz，则计算时用的时间偏小，速度偏大，动能偏大，故C正确
D．重物下落时所受阻力大会引起能量损失，则动能的增量要小于重力势能的变化量，故D错误
故选BC。

13．B               

【详解】

(1)[1] 本实验中，小球应选择质量大、体积小即密度大的小球，以尽可能避免空气阻力对实验结果的影响，故选B。

(2)[2] 小球通过光电门时的瞬时速度为

(3)[3]由匀变速直线运动的规律可得

同时

联立可得

因此，该直线斜率为

(4)[4] 直线斜率为k，设此时小球的加速度为，则有

①

由牛顿第二定律可得

②

同时

③

联立①②③可得：；

14．1.2m/s    0.72J（0.70-0.73均可）    0.74J    机械能守恒   

【详解】

(1)[1]重锤下落的速度为

[2]重锤的动能为

(2)[3]重锤的重力势能的减小量为

(3)[4]根据(1)、(2)计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是：机械能守恒。

15．C    B           

【详解】

(1)[1]为验证机械能守恒定律，需计算出系统增加的动能，因为滑块和挡光条在此过程中动能增加，因此必须包含在所计算的总动能中，所以还需要测量的物理量是滑块和遮光条的总质量M。

故选C。

(2)[2]该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度并正确读数得，该游标卡尺精确到0.05mm，由此可知该同学所用的游标卡尺是二十分度的游标卡尺。

故选B。

(3)[3]遮光条通过光电门时的速率为

[4]为验证机械能守恒定律，需满足重力势能的减小量等于系统动能的增加量，即