2022届高考物理二轮复习 物理实验专项练习（6）验证机械能守恒定律

这是一份2022届高考物理二轮复习 物理实验专项练习（6）验证机械能守恒定律，共16页。试卷主要包含了实验题等内容，欢迎下载使用。
（6）验证机械能守恒定律
一、实验题1.某兴趣小组的同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，轻绳一端固定在光滑固定转轴O处，另一端系一小球。已知当地的重力加速度为g。
 （1）小明同学在小球运动的最低点和最高点附近分别放置了一组光电门，用螺旋测微器测出了小球的直径，如图乙所示，则小球的直径__________mm。使小球在竖直面内做圆周运动，测出小球经过最高点的挡光时间为，经过最低点的挡光时间为。
（2）如果要验证小球从最低点运动到最高点的过程中机械能是否守恒，小明同学还需要测量的物理量有__________（选填字母代号）。A.小球运行一周所需要的时间T B.小球的质量m C.轻绳的长度l（3）根据小明同学的思路，请你写出验证小球从最低点运动到最高点的过程中机械能守恒的表达式：________（用题中的物理量的字母表示）。2.某同学用如图甲所示的实验装置验证质量分别为和的重物组成的系统机械能守恒，已知由静止释放，A拖着纸带运动，打点计时器在纸带上打出一系列点，通过对纸带上的点进行测量分析，即可验证机械能守恒定律。已知，某次实验打出的纸带如图乙所示，O是打下的第一个点，然后每隔4个点取一个计数点，分别标记为，并测出各计数点到O点的距离，其中点到O点的距离已经标出，打点计时器所使用交流电电压为220 V，频率为50 Hz，重力加速度g取。
 （1）下列操作或要求能够提高实验结果准确性的有_________。A.细绳的质量要轻 B.要远远大于C.定滑轮的质量要轻 D.保证重物在下落中不晃动（2）纸带上打下D点时的速度为__________m/s（结果保留3位有效数字）。
 （3）从打下O点到打下D点的过程中，经过分析计算A的机械能增加了，则B的机械能_________（选填“增加”或“减少”）了。（4）在误差允许的范围内，和近似相等，从而验证了系统的机械能守恒，上述计算结果表明A和B组成的系统机械能有所损失，损失的机械能除因摩擦转化为内能外，还转化为_________（具体到物体和能量，写出其中一条即可）。3.为了“验证机械能守恒定律”，某学生想到用气垫导轨和光电门及质量为m的小车来进行实验，如图所示，他将长为L、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高H，在导轨上的两点处分别安装光电门A和B，然后将小车从导轨上端由静止释放在小车下滑过程中，小车上的挡光片经过光电门的时间分别为、，用游标卡尺测得挡光片宽度为d，当地的重力加速度为g。（1）要验证小车在运动过程中机械能守恒，还必须测出________。（2）写出本实验验证机械能守恒定律的表达式_______（用上面已知测量量和还必须测出的物理量符号表示）。（3）实验所用小车的质量，其他数据，，，两个光电门间的距离为50 cm，则实验中小车重力势能的减少量为______J。（4）如果气垫导轨左端垫高的高度H可调，此实验还可以探究“在质量不变时，物体的加速度与合力的关系”，回答下列问题：①小车的加速度________；小车所受合力________。（均用上面已知量和测量量的符号表示）②要改变小车受到的合力，只需改变________，作加速度一合力图像时，横轴可用________代替。（均用已知量和测量量的符号表示）4.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。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器，滑块P上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出一定电压，两光电传感器与计算机相连，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U随时间t变化的图像。（1）实验前，接通气源，将滑块（不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的_______（填“>”“=”或“<”）时，说明气垫导轨已经水平。（2）用螺旋测微器测遮光条的宽度d，测量结果如图丙所示，则_______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，通过计算机得到的图像如图乙所示。若、和d已知，重力加速度为g，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的距离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。5.用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。（1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含夹子）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还需要使用的组器材是_______。A.直流电源、天平（含砝码） B.直流电源、刻度尺C.交流电源、天平（含砝码） D.交流电源、刻度尺（2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图乙所示的一条纸带。在纸带上选取连续打出的5个点，测得三个点到起始点O的距离分别为、、。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m，则从打下O点到打下D点的过程中，重物的重力势能减少量为________，动能增加量为_________。（用上述测量量和已知量的符号表示）（3）对于上述实验，有的同学提出研究的运动过程的起点必须选择在O点，你同意这种看法吗？如果同意请你说明理由；如果不同意，请你给出当起点不在O点时，实验中验证机械能守恒的方法：_________。（4）机械能包括动能、重力势能和弹性势能，为了在三种能量相互转化的情况下再次验证机械能守恒定律，实验小组设计了如图丙所示的实验装置。力传感器一端固定在铁架台的横梁上，另一端与轻弹簧相连，轻弹簧下端悬挂着下表面水平的重物，在重物正下方放置着上表面水平的运动传感器，两个传感器再通过数据采集器和电脑相连（图未画出）。实验过程中保持铁架台固定，弹簧始终在弹性限度内，重物只在竖直方向上下运动，没有转动。他们首先用天平测得重物的质量为m，然后：①用运动传感器实时记录重物的速度，继而得到重物的动能；②选择运动传感器的上表面所在位置为重力势能零点，用运动传感器实时记录重物下表面到运动传感器上表面的距离，继而得到重物的重力势能；③将弹簧处于原长时重物下表面到运动传感器上表面间的距离，与重物运动过程中这两个表面间的实时距离之差作为弹簧形变量，结合力传感器测得的弹力大小F，通过计算得到了弹簧在每个时刻的弹性势能。分析上述三种能量之和E随时间的变化情况，如果在误差允许的范围内，E随时间保持不变，则可认为重物（包括地球）和弹簧组成的系统机械能守恒。已知实验得到的图像如图丁所示，则下列图像中可能正确的是________。A.  B.C.  D.6.某中学实验小组的同学设计了如图甲所示的实验装置，利用平抛运动验证机械能守恒定律。其中曲面轨道与水平桌面相切，已知水平桌面距离水平地面的高度为H，现将一质量为m的小球由距离水平桌面h高度的位置无初速度放下，经过一段时间小球从桌面的末端沿水平方向离开，经测量可知小球的落地点距离桌面边缘的水平距离为s。则：
 （1）假设曲面轨道与小球间的摩擦力可忽略不计，则关于h的表达式为_____（用题中的物理量表示）；
（2）如果该小组的同学重复多次操作后，将得到的实验数据记录如下：2.003.004.005.006.002.623.895.206.537.78在图乙中将表中的数据点描绘在坐标系中，并作出相应的函数图线；

（3）将该同学作出的函数图线与图乙中的理论值相比较，得出小球离开水平桌面的速度大小比理论值_________（选填“小”或“大”），并分析造成这一实验结果的原因：_________。7.用如图所示装置可验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量相等的物体，物体B上放一金属片C，铁架台上固定一金属圆环，圆环处在物体B的正下方。系统静止时，金属片C与圆环间的高度为h，将B由静止释放，系统开始运动。当物体B穿过圆环时，金属片C被搁置在圆环上，两光电门固定在铁架台处，通过数字计时器可测出物体B通过这段距离的时间。
 （1）若测得之间的距离为d，物体B通过这段距离的时间为t，则物体B刚穿过圆环后的速度_________。
（2）若物体的质量均用M表示，金属片C的质量用m表示，该实验中验证了下面哪个等式成立，即可验证机械能守恒定律，正确的选项为_______。A. B. C. D.（3）本实验中的测量仪器除了刻度尺、光电门、数字计时器外，还需要_____。
（4）改变物体B的初始位置，使物体B由不同的高度落下穿过圆环，记录各次的高度h，以及物体B通过这段距离的时间t，以h为纵轴，以________（填“”或“”）为横轴，通过描点作出的图线是一条过原点的直线，该直线的斜率_________。（用表示）8.为了验证机械能守恒定律，小明设计了如图甲所示的实验，将一长为L的气垫导轨固定在一平台上，将一宽度为b的遮光条固定在滑块上，经测量可知遮光条和滑块的总质量为M，气垫导轨的顶端到平台的高度为h，将一质量为m的钩码通过质量不计的细线与滑块相连，并跨过图甲中的摩擦不计的定滑轮；将一光电门固定在气垫导轨上，光电门到顶端的距离为x。将滑块由气垫导轨的顶端静止释放，滑块沿气垫导轨下滑，经测量遮光条的挡光时间为t，重力加速度用g表示。请回答下列问题：
 （1）上述过程中滑块和钩码的重力势能减少了________，滑块和钩码的动能增加了_________，如果在误差允许的范围内系统的机械能守恒，则关于x的表达式为_________；
（2）小明进行了多次操作，并将每次测量的实验数据记录在表中： 123450.6000.8001.0001.2001.4001.481.952.412.923.39建立如图乙所示的坐标系，请根据图表中的数据作出相应的函数图线，并由图像求出该直线斜率的大小为________。（保留3位有效数字）
 9.某同学做“验证机械能守恒定律”实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中，单位是cm。已知打点计时器工作频率为50 Hz，重物质量为1 kg，重力加速度g取。
 （1）在打计时点2时重物的速度_________，在打计时点5时重物的速度________，从打计时点2到打计时点5的过程中重物的动能增加量_________，重力势能减少量_________。
（2）比较得_________（选填“大于”“等于”或“小于”），原因是___________。由以上可得出实验结论：___________。
（3）根据实验判断下列图像正确的是（其中表示重物动能的变化，表示重物下落的高度）_______。A. B. C. D.10.某同学利用如图所示的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下方放置一压力传感器，重物C下方放置一速度传感器，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.在实验中保持的质量m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大小关系必须满足M_________m（填“小于”“等于”或“大于”）.
（2）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______（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_______（填“”“”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）.11.某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律。频闪仪每隔0.05 s闪光一次，图中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如表（当地重力加速度取，小球质量，计算结果保留三位有效数字）时刻速度4.994.483.98 （1）由频闪照片上的数据计算时刻小球的速度__________m/s；（2）从到时间内，重力势能增量__________J，动能减少量________J；（3）在误差允许的范围内，若与近似相等，从而验证了机械能守恒定律。由上述计算得___________（选填“>”“<”或“=”）造成这种结果的主要原因是____________________________________。12.现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示两点的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作图。
 （1）若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_________；动能的增加量可表示为________。若在运动过程中机械能守恒，与s的关系式为________。
（2）多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A点）下滑，测量相应的s与t值。结果如表所示： 123450.6000.8001.0001.2001.4008.227.176.445.855.431.481.952.412.923.39以s为横坐标，为纵坐标，在坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率___（结果保留3位有效数字）。
由测得的和m数值可以计算出直线的斜率，将k和进行比较，若其差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律。
 参考答案1.答案：（1）5.700（2）C（3）解析：（1）由题图乙可知，螺旋测微器的读数为。
（2）小球从最低点运动到最高点的过程中，若机械能守恒，则有，两边质量可以约去，故只需要测出轻绳的长度l即可，故选C。
（3）由（2）中表达式整理可得，需要验证的表达式为。2.答案：（1）ACD（2）1.60（3）减少（4）滑轮（纸带、细绳或墨粉纸盘）的动能解析：（1）本实验的原理为系统减少的重力势能转化为系统增加的动能，细绳的质量越轻，误差越小，故A正确；根据实验原理可知，本实验不需要满足远远大于，故B错误；由实验原理可知，重力势能转化为系统的动能，定滑轮的质量越轻，定滑轮的动能越小，误差越小，故C正确；重物晃动会增加纸带与打点计时器之间的摩擦，使误差增大，故D正确。
（2）由匀变速直线运动某段时间内中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，可知。
（3）由机械能守恒定律可知，A的机械能增加，则B的机械能减少。
（4）由能量守恒定律可知，A和B组成的系统机械能有所损失，损失的机械能除因摩擦转化为内能外，还转化为滑轮的动能等。3.答案：（1）两光电门间的距离x（2）（3）0.196（4）①;②H;H解析：（1）很短时间内的平均速度等于瞬时速度，小车经过光电门A时的速度大小，经过光电门B时的速度大小，设两光电门间的距离为x，气垫导轨与水平面间的夹角为，小车从光电门A到光电门B的过程，由机械能守恒定律得，由几何知识可知，整理得，验证机械能守恒定律还需要测量两光电门间的距离x。（2）由（1）可知，实验需要验证的表达式是。（3）小车的质量，，，两个光电门间的距离，实验中重力势能的减少量。（4）①小车做匀加速直线运动，由匀变速直线运动规律得，解得加速度，小车在气垫导轨上运动过程不受摩擦力作用，小车所受合力。②小车受到的合力，是定值，改变气垫导轨左端垫高的高度H可以改变小车受到的合力，所以作加速度一合力图像时，横轴可以用H代替。4.答案：（1）=（2）8.473（±0.001均可）（3）滑块质量M（4）解析：（1）实验前，接通气源，将滑块（不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，若导轨水平，则滑块做匀速直线运动，。（2）螺旋测微器的固定刻度读数为8 mm，可动刻度读数为，则最终读数为8.473 mm。（3）系统重力势能的减少量为，系统动能的增加量为，可知满足关系式，则滑块和钩码组成的系统机械能守恒，所以还需要测量滑块的质量M。（4）由（3）可得，满足关系式，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。5.答案：（1）D（2）;（3）见解析（4）AC解析：（1）由于电磁打点计时器需接交流电源，因此A、B错误；计算机械能守恒时，重物的质量等式两边均有，可以相互抵消，不必测出；要用刻度尺测量点与点之间的距离，从而算出打某个点时的速度及下降的高度，因此C错误，D正确。（2）打D点时下降的高度为，因此重物的重力势能减少量为，打D点时的速度等于段的平均速度，即，则动能增加量。（3）不同意，可以选择A点作为起点，研究从B到D的过程，测得各点到A点的距离分别为、、和，如果在误差允许范围内得出，即可验证机械能守恒。（4）由图像可知，弹簧始终处于伸长状态，弹力最大时一定是最低点，重力势能最小，而弹力最小时一定是最高点，重力势能最大，A正确；弹簧弹力最大时，弹簧伸长量最大，弹性势能最大，而弹力最小时，弹簧伸长量最小，弹性势能最小，B错误；弹簧的弹力最大和最小时，重物速度为零，动能最小，而重物运动到平衡位置时，动能最大，C正确；无论弹簧的弹力如何变化，总的机械能保持不变，D错误。6.答案：（1）（2）如图所示
 （3）小；小球与轨道间存在摩擦力解析：（1）小球沿光滑轨道滑至桌面时的速度为v，由动能定理得，故有，小球从桌面飞出后做平抛运动，设平抛运动的时间为t，则有，联立可得，则有。
（2）将表格中数据点描绘在坐标系中，并作出图像。
（3）对比实验结果与理论计算得到的关系图线发现：自同一高度静止释放的小球，也就是h为某一具体数值时，理论的数值大于实验的数值，根据平抛运动规律知道同一高度运动时间一定，所以实验中水平抛出的速率小于理论值。从关系图线分析得出小球水平抛出的速率差十分显著，认为造成上述偏差的可能原因是小球与轨道间存在摩擦力。由于摩擦力做功损失了部分机械能，所以造成实验中水平抛出的速率小于理论值。7.答案：（1）（2）C（3）天平（4）解析：（1）由于两物体质量相等，当物体B通过圆环，金属片C被搁置在圆环上后。系统做匀速直线运动，故。
（2）系统由初态至金属片C被搁置在圆环上，系统损失的重力势能为，系统增加的动能，只要，即可验证机械能守恒定律，C正确。
（3）从第（2）问验证的表达式分析，速度可由计算求解，但质量的测量还需要天平。
（4）从第（2）问验证的表达式，将代入得，即，所以应以为横轴，其斜率为。8.答案：（1）（2）如图所示；
 解析：（1）重力势能的减少量，到达光电门时的速度为，动能的增加量。若误差允许的范围内机械能守恒，则由可得。
（2）作图如图所示，利用图像可求得斜率为。9.答案：（1）1.50 m/s；2.075 m/s；1.03 J；1.06 J（2）小于；实验中重物要克服阻力做功；在误差允许的范围内机械能守恒（3）C解析：（1）根据匀变速直线运动的规律，可以求出在打计时点2时重物的速度和在打计时点5时重物的速度，所以动能增加量为，重力势能减少量为。
（2）显然，原因是实验中重物要克服阻力做功。由以上可得出实验结论：在误差允许的范围内，机械能守恒。
（3）重物机械能守恒，应有重物减少的重力势能转化为其增加的动能，即，可见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项C正确。10.答案：（1）大于（2）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，故不论C的质量如何，每次测C的速度时，C已下降的高度相同，为.
（3）弹簧的弹性势能在始、末状态相同，为此只需验证，化简得，所以应作出图线.
（4）由题意知，而，联立得.11.答案：（1）3.48（2）1.24；1.28（3）<；存在空气阻力解析：（1）时刻小球的速度；（2）从到时间内，重力势能增量，动能减少量；（3），造成这种结果的主要原因是上升过程中存在空气阻力。12.答案：（1）（2）2.40；描点与作图见解析解析：（1）当滑块运动到B点时下降高度为，此时砝码上升的高度为s，由几何关系可知，故系统减少的重力势能。由于系统从静止开始运动，运动至B点时的速度，故动能的增加量。
由可解得。
（2）描点及作图如下。

在图中直线上取相距较远的两点，读出两点坐标，由可得。