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7.6验证机械能守恒定律(解析版)--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理
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这是一份7.6验证机械能守恒定律(解析版)--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理,共20页。试卷主要包含了6 讲 验证机械能守恒定律,1 0,00 0, 阻力与重力之比更小,82,700 ,10 g等内容,欢迎下载使用。
第7.6 讲 验证机械能守恒定律
【知识点精讲】
[考纲解读] (1)会根据纸带测定下落的距离,掌握测量瞬时速度的方法。
(2)能根据实验数据得出实验结论。
(3)能对实验误差的产生原因作定性分析。
误差分析
1.减小测量误差:一是测下落距离时都从0点量起,一次将各打点对应下落高度测量完,二是多测几次取平均值。更多课件 教案 视频 等优质滋源请 家 威杏 MXSJ663 2.误差来源:由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功,故动能的增加量ΔEk=eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)必定稍小于重力势能的减少量ΔEp=mghn,改进办法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。
【实验创新】
【方法归纳】
一、落体法验证机械能守恒定律的实验原理与实验操作
1.打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。
2.重物密度要大:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。
3.一先一后:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。
4.测长度,算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=eq \f(hn+1-hn-1,2T),不能用vn=eq \r(2ghn)或vn=gt来计算。
二 数据处理及误差分析
数据处理的方法
方法一:用eq \f(1,2)mv2=mgh验证时,利用起始点和第n点计算。
方法二:用eq \f(1,2)mveq \\al(2,B)-eq \f(1,2)mveq \\al(2,A)=mgΔh验证时,任取两点计算。
方法三:图象法。从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,然后以eq \f(1,2)v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出eq \f(1,2)v2-h图线。若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律。
【最新高考题精练】
1. (2022高考湖北物理)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器,另一端连接小钢球,如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放,使小钢球在竖直平面内摆动,记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值和最小值。改变小钢球的初始释放位置,重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的图像是一条直线,如图乙所示。
(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为_______。
(2)由图乙得:直线的斜率为______,小钢球的重力为_______N。(结果均保留2位有效数字)
(3)该实验系统误差的主要来源是______(单选,填正确答案标号)。
A.小钢球摆动角度偏大
B.小钢球初始释放位置不同
C.小钢球摆动过程中有空气阻力
【参考答案】(1)-2 (2)-2.1 0.59N (3)C
【命题意图】本题考查验证机械能守恒定律实验,牛顿运动定律,圆周运动及其相关知识点,考查实验探究能力。
【解题思路】(1)当小球摆动到最低位置时,拉力最大,拉力传感器示数最大;当小球摆动到最高位置时,拉力最小,拉力传感器示数最小;
小球摆动到最高位置时,设摆线与竖直方向的夹角为θ,有mgcsθ=Tmin;
小球摆动到最低位置时,Tmax -mg=m
小球从最高点摆动到最低点,若机械能守恒,则有mgL(1-csθ)=mv2,
联立解得:Tmax =3mg-2Tmin
因此,图乙中直线斜率的理论值为-2.
(2)由图乙得,3mg=1.765N,小钢球的重力mg=0.59N。直线斜率k==-2.1.
(3)该实验系统误差主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力,使得机械能减小,选项C正确。
2.(2022·高考河北物理11,6分)某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律,实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为,原长为,钩码的质量为。已知弹簧的弹性势能表达式为,其中为弹簧的劲度系数,为弹簧的形变量,当地的重力加速度大小为。
图1
(1)在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置,测得此时弹簧的长度为。接通打点计时器电源。从静止释放钩码,弹簧收缩,得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图2所示,纸带上相邻两点之间的时间间隔均为(在误差允许范围内,认为释放钩码的同时打出点)。从打出点到打出点时间内,弹簧的弹性势能减少量为________,钩码的动能增加量为________,钩码的重力势能增加量为________。
图2
(2)利用计算机软件对实验数据进行处理,得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度的关系,如图3所示。
由图3可知,随着增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,主要原因是________________________。
图3
【参考答案】(1)+ mgh4。 mgh4。(2)空气阻力
【名师解析】(1)打出点时速度v=,打出点时钩码动能Ek==()2=,由于从静止释放钩码,所以钩码动能增加量△Ek=;钩码重力势能增加量△Ep=mgh4;由机械能守恒定律,从打出点到打出点时间内,弹簧的弹性势能减少量为△Ep’=△Ek+△Ep= + mgh4。
(2)随着增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,主要原因是空气阻力。
3.(10分)(2021高考新课程II卷海南卷)为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒,某学习小组用如图所示的气垫导轨装置(包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计)进行实验.此外可使用的实验器材还有:天平、游标卡尺、刻度尺.
(1)某同学设计了如下的实验步骤,其中不必要的步骤是__________;
①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ,并连接数字毫秒计;
②用天平测量滑块和遮光条的总质量m;
③用游标卡尺测量遮光条的宽度d;
④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l;
⑤调整好气垫导轨的倾斜状态;
⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处,由静止开始释放,从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间、;
⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度、;
⑧改变气垫导轨倾斜程度,重复步骤⑤⑥⑦,完成多次测量.
(2)用游标卡尺测量遮光条的宽度d时,游标卡尺的示数如图所示,则______;某次实验中,测得,则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度_______(保留3位有效数字);
(3)在误差允许范围内,若_______________(用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示,已知重力加速度为g),则认为滑块下滑过程中机械能守恒;
(4)写出两点产生误差的主要原因:_____________________________________.
【参考答案】.(1) eq \\ac(○,2) eq \\ac(○,4)(2)5.00 0.431 (3)
(4)滑块下滑受到空气阻力,产生误差,遮光条宽度不够窄,速度测量不准确,产生误差
【名师解析】(1)利用倾斜气垫导轨验证机械能守恒定律,不需要测量滑块质量,不需要测量导轨上两光电门之间的距离。
(2)根据游标卡尺读数规则,遮光条宽度d=5.00mm。滑块通过光电门1时的速度v1==0.431m/s。
(3)滑块通过光电门1时的速度v1=,滑块通过光电门2时的速度v2=,由机械能守恒定律mg(h1-h2)=mv22-mv12,联立解得:h1-h2=。(4)产生误差的主要原因是:滑块下滑受到空气阻力,产生误差,遮光条宽度不够窄,速度测量不准确,产生误差。
4. (2021年6月浙江选考物理)在“验证机械能守恒定律”实验中,小王用如图1所示的装置,让重物从静止开始下落,打出一条清晰的纸带,其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点,A、B、C和D为另外4个连续打下的点。
①为了减小实验误差,对体积和形状相同的重物,实验时选择密度大的理由是___________。
②已知交流电频率为,重物质量为,当地重力加速度,则从O点到C点,重物的重力势能变化量的绝对值___________J、C点的动能___________J(计算结果均保留3位有效数字)。比较与的大小,出现这一结果的原因可能是___________。
A.工作电压偏高 B.存在空气阻力和摩擦力 C.接通电源前释放了纸带
【参考答案】 (1). 阻力与重力之比更小(或其它合理解释)
(2). 0.547 (3). 0.588 (4). C
【名师解析】
①[1]在验证机械能守恒实验时阻力越小越好,因此密度大的阻力与重力之比更小
②[2]由图中可知OC之间的距离为,因此机械能的减少量为
[3]匀变速运动时间中点的速度等于这段时间的平均速度,因此
因此动能的增加量为
[4]工作电压偏高不会影响实验的误差,存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量,只有提前释放了纸带,纸带的初速度不为零,下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量。
【最新模拟题精练】
1(2023天津一中质检)(3)某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,水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨,导轨上点处有一带长方形遮光条的滑块(总质量为,遮光条两条长边与导轨垂直),左端由跨过定滑轮的细绳与一质量为的小球相连,导轨上点处有一光电门。实验时,将滑块从A点由静止释放,测得遮光条的宽度d,遮光条经过光电门时的挡光时间t,A点到点的距离l,A点与点间的高度差为。
①滑块从A点B点的过程中,动能增加量可表示为______,重力势能减少量可表示为______,在误差允许的范围内,若,则可认为系统的机械能守恒;(用题中所给字母以及重力加速度表示)
②该学习小组在斜面倾角为30°且的情况下,多次改变A、B间的距离,计算出多组滑块到达点时的速度,并作出图像如图乙示,根据图像可得重力加速度______(保留3位有效数字)。
【参考答案】①. . ②. 9.82
【名师解析】①滑块从A点B点的过程中,动能增加量可表示为
重力势能减少量可表示为
②若,则可认为系统的机械能守恒,有
化解的
由图像可得斜率
解得
2. (2023湖南张家界模拟) 某研究性学习小组利用含有刻度尺的气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图1所示。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电门,滑块上固定一遮光条,光电门可以记录遮光条通过光电门的时间,用天平测出滑块(含遮光条)的质量,接通气源后部分操作过程如下:
(1)图2中用螺旋测微器测出遮光条宽度d=___________mm;
(2)取下钩码和细线,轻推滑块使其依次通过光电门1和光电门2,通过时间分别为、,如果,说明___________端较高(填“A”或“B”),此后通过调节让气垫导轨水平;
(3)用细线跨过定滑轮连接滑块和质量为m的钩码,释放滑块,两个光电门记录的时间分别为、,已知重力加速度为g,滑块(含遮光条)的质量为M,遮光条宽度d,要验证机械能守恒还需要测量的物理量是___________(写出物理量的名称及符号);
(4) 若上述物理量满足___________关系式,则表明在上述过程中,滑块及钩码组成的系统机械能守恒(用第(3)问中的物理量符号表示)。
【参考答案】 (2). 3.700 (2). B (3). 两光电门间的距离x
(4).
【名师解析】
(1)螺旋测微器的读数为
(2)如果,说明滑块做加速运动,即B端较高。
(3)要验证机械能守恒,还需要测得滑块从光电门1运动到光电门2的过程中钩码下降的高度,这个高度等于光电门1到光电门2的距离x。
(4)如果滑块及钩码组成的系统机械能守恒,则钩码减少的重力势能应等于系统增加的动能,即
3. (2023江苏连云港期中)某同学用如图所示实验装置“验证机械能守恒定律”,主要实验步骤如下:
a.测出遮光条的宽度为,钩码的质量为,滑块(含遮光条)的质量为;
b.将气垫导轨放在水平桌面上,调节调节旋钮将气垫导轨调至水平;
c.撤去光电门2,将滑块移至图示位置,测出遮光条到光电门1的距离l。
d.静止释放滑块,记录遮光条通过光电门1的时间;
e.改变滑块的释放位置,重复步骤c、d得到多组实验数据。
f.……
据此回答下列问题:
(1)在步骤b中,该同学在光电门1的右侧向左轻推滑块,发现遮光条通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间,他应调节左侧调节旋钮将轨道左端适当_______(选填“调高”或“调低”);
(2)在某次实验中,测得遮光条到光电门1的距离,遮光条通过光电门的时间,则滑块通过光电1时的速度大小为_______。钩码和滑块(含遮光条)组成的系统减少的重力势能为_______J,增加的动能为_______J;(取重力加速度,计算结果均保留3位有效数字)
(3)为了减小偶然误差,另一同学认为可以在坐标纸上作出______图像(填下列选项前的字母代号),若所得图像是一条过坐标原点的直线,且图线的斜率为______(用M、m、g、d表示),也可以验证钩码和滑块(含遮光条)组成的系统机械能守恒。
A. B. C. D.
【参考答案】 (1) ①. 调高 (2) ②. 1.56 ③. 0.490 ④. 0.487 (3) ⑤. D ⑥.
【名师解析】
(1)[1]该同学在光电门1的右侧向左轻推滑块,发现遮光条通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间,说明滑块做加速运动,即气垫导轨左端低,右端高,他应调节左侧调节旋钮将轨道左端适当调高。
(2)[2]滑块通过光电1时的速度大小为
[3]钩码和滑块(含遮光条)组成的系统减少的重力势能为
[4]增加的动能为
(3)[5]若钩码和滑块(含遮光条)组成的系统机械能守恒,则有
又
整理,可得
为了减小偶然误差,另一同学认为可以在坐标纸上作出。
故选D。
[6]若所得图像是一条过坐标原点的直线,且图线的斜率为
4. (2023长沙二模)某实验小组利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律,在动滑轮的下方悬挂重物A、定滑轮的下方悬挂重物B,重物B上固定一遮光条,遮光条的宽度为d,已知重物B与遮光条的质量是重物A的2倍,悬挂滑轮的轻质细线始终保持竖直,滑轮的质量忽略不计。
(1)开始时,绳绷直,重物A、B处于静止状态。释放后,A、B开始运动,测出遮光条通过光电门的时间t,则重物B经过光电门时的速度为v=_________(用题中所给的字母表示)。
(2)用游标卡尺测得遮光条的宽度如图乙所示,则遮光条的宽度d=__________cm。
(3)测得开始释放时遮光条中心到光电门中心之间的高度为h,测得遮光时间为t。如果系统的机械能守恒,应满足的关系式为__________(已知当地重力加速度大小为g,用实验中所测得的物理量的字母表示)。
【参考答案】 ①. ②. 1.020 ③.
【名师解析】
(1)[1]重物B经过光电门时的速度为
(2)[2]游标卡尺的读数为主尺读数与游标尺读数之和,即
(3)[3]若系统机械能守恒,则应满足
联立可得
5. (2023年广东省部分名校下学期期中) 小吴利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。所用器材有:小球、细线、拉力传感器(可以测量细线的拉力)、托盘秤。当地的重力加速度大小为g。
(1)将小球静置于托盘秤上,如图乙所示,托盘秤表盘的示数如图丙所示,则小球的质量m= kg。
(2)细线一端与小球相连,另一端绕在水平轴O上。将小球拉至与水平轴O同一高度处后由静止释放,小球在竖直平面内做圆周运动,若小球通过最低点时拉力传感器的示数为F,则能验证机械能守恒定律的等式为F= 。
(3)若测得水平轴O与小球之间的细线长度为L,小球的直径为d,则小球做圆周运动的最大速度vm= 。
【参考答案】(1)0.10 (2)3mg (3) (2L+d)g
【名师解析】解:(1)如图丙所示,托盘秤表盘的分度值为0.1kg,由其读数可得小球的质量为m=0.10kg。
(2)设小球运动到最低点时速度大小为v,最低点与水平轴O的竖直距离为h,小球下落过程,若机械能守恒,则有:mgh=12mv2
小球运动到最低点时,根据牛顿第二定律可得:F-mg=mv2h
联立解得:F=3mg
则能验证机械能守恒定律的等式为F=3mg。
(3)同理,若测得水平轴O与小球之间的细线长度为L,小球的直径为d,小球经过最低点时具有最大速度,则有:mg(L+d2)=12mvm2
解得:vm= (2L+d)g。
6.(8分)(2023湖南名校期中)同学用如图甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”,实验所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为的交变电流和直流电,交变电流的频率为。重锤从高处由静止开始下落,电磁打点计时器在纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律。
(1)他进行了下面几个操作步骤:
A.按照图示的装置安装器材;
B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;
C.用天平测出重锤的质量;
D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;
E.测量纸带上某些点间的距离;
F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的功能。
其中没有必要进行的步骤是________,操作不当的步骤是________。(均填步骤前的选项字母)
(2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示,其中点为起始点,、、、、、为六个计数点,根据纸带上的测量数据,可得出打点时重锤的速度为________,若重锤的质量为,从点下落到的过程中重力势能的变化量为________。(,计算结果均保留3位有效数字)
【参考答案】.(8分)(1)C B (2)1.84
【名师解析】:(1)本实验中,验证机械能守恒的表达式为,等号两边可以将质量约掉,所以不需要测量物体的质量;打点计时器需要接在交流电上才能正常使用;
(2)点的速度 重力势能变化量
7.(2023陕西省名校期末联考)某同学用如图1所示装置验证机械能守恒定律,悬线下吊着磁铁A,磁铁的磁性较强,A下吸着一个小球C,不计球的大小,B是固定挡板,测出静止时球离地面的高度,悬点O到球的距离L,将球拉离竖直位置到某一位置,悬线拉直,用米尺测出这时球与尺的接触点离天花板的高度,释放小球,让小球与磁铁一起做圆周运动,到最低点时磁铁与挡板碰撞后小球由于惯性继续向前运动做平抛运动,测出小球做平抛运动的水平位移x,当地的重力加速度为g。
(1)磁铁与挡板碰撞前的一瞬间速度的大小为_____;
(2)要验证机械能守恒,只要验证等式_____成立即可;
(3)若实验测得重力势能的减少量大于动能的增加量,导致误差的原因可能有(写出两个原因即可)___________、_________________;
(4)改变小球开始释放的高度,记录多组释放点距天花板的高度和小球做平抛运动水平位移,建立坐标系,在坐标纸上描点作图,如图2所示,也可验证机械能守恒定律,则应做出的是_____图像(填选项前的符号)。
A. B. C. D.
【参考答案】. (1) (2)
(3)受到空气阻力 磁铁对小球的引力使平抛的初速度比小球到挡板时的速度小 (4) D
【名师解析】(1)[1]由平抛运动的知识可知,平抛运动的时间为
磁铁与挡板相碰的一瞬间的速度为
(2)[2]要验证机械能守恒,即验证
整理得
(3)[3] [4]若实验测得重力势能的减少量大于动能的增加量,导致误差的可能原因有:受到空气阻力;磁铁对小球的引力使平抛的初速度比小球到挡板时的速度小;小球在平抛过程中有一部机械能转化成小球转动的动能。
(4)[5]由要验证的关系式
可知,图像应是
的图像,故D正确。
8. (2023辽宁铁岭六校协作体联考)某物理兴趣小组利用如图甲实验装置验证、组成的系统机械能守恒。从一定高度由静止开始下落,上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,即可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:O是打下的第一个点,打点计时器的工作频率为50Hz。A、B、C为纸带上标注的三个计数点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)。各计数点到O点的距离已在图中标出。已知、(重力加速度g取,计算结果均保留一位小数)
(1)关于上述实验,下列说法中正确的是______;
A.重物最好选择密度较大的物块
B.重物的质量可以不测量
C.实验中应先释放纸带,后接通电源
D.可以利用公式来求解瞬时速度
(2)在纸带上打下计数点B时的速度v=______m/s;
(3)在打计数点O至B过程中系统动能的增加量______J,系统重力势能的减少量______J,实验结果显示略大于,那么造成这一现象的主要原因是_______。
(4)某同学根据选取的纸带的打点情况做进一步分析,做出获得的速度v的平方随下落的高度h的变化图像如图丙所示,据此可计算出当地的重力加速度g=______。
【参考答案】 ①. A ②. 2.0 ③. 0.6 ④. 0.7
⑤. 纸带与打点计时器间有摩擦,摩擦阻力做功造成机械能损失 ⑥.
【名师解析】
(1)[1]为减小实验误差,重物最好选择密度较大的物块,以减小空气阻力,故A正确;
B.因为实验需要计算系统重力势能减少量
和系统动能增加量
需要验证两者是否相等,两式子不能把质量消除,所以需要测量重物的质量,故B错误;
C.实验中应先接通电源,后释放纸带,故C错误;
D.本实验是验证机械能守恒的实验,若利用公式来求解瞬时速度,则需要满足机械能守恒的条件下才可以使用,故与本实验矛盾,故D错误。
故选A。
(2)[2]在纸带上打下计数点B时的速度
(3)[3]在打计数点O至B过程中系统动能的增加量为
[4]系统重力势能的减少量
[5]实验结果显示略大于,原因是纸带与打点计时器间有摩擦,摩擦阻力做功造成机械能损失;
(4)[6]由关系式
可得
由图像可知
解得
9. (2023陕西师大附中期初检测)某实验小组为测量小球从某一高度释放,与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失,设计了如图(a)所示的装置,实验过程如下:
(1)让小球从某一高度由静止释放,与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置,使小球从光电门正上方释放后,在下落和反弹过程中均可通过光电门。
(2)用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图(b)所示,小球直径__________。
(3)测量时,应__________(选填“A”或“B”,其中A为“先释放小球,后接通数字计时器”,B为“先接通数字计时器,后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间和。
(4)计算小球通过光电门速度,已知小球的质量为m,可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失__________(用字母m、d、和表示)。
(5)若适当调高光电门的高度,将会__________(选填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差。
【参考答案】 ①. 7.884##7.882##7.883##7.885##7.886 ②. B
③. ④. 增大
【名师解析】
(2)[1]依题意,小球的直径为
(3)[2]在测量时,因小球下落时间很短,如果先释放小球,有可能会出现时间记录不完整,所以应先接通数字计时器,再释放小球,故选B。
(4)[3]依题意,小球向下、向上先后通过光电门时的速度分别为v1、v2,则有
则小球与硅胶材料碰撞过程中机械能的损失量为
(5)[4]若调高光电门的高度,较调整之前小球会经历较大的空中距离,所以将会增大因空气阻力引起的测量误差。实验原
理的
创新
1.利用a、b两球组成的系统验证机械能守恒;
2.利用光电门测量小球的速度。
实验器
材的
创新
1.利用小球在竖直面内摆动验证机械能守恒。
2.利用光电门测量小球的速度,并进行误差分析。
实验过
程的
创新
1.用光电门测定小球下落到B点的速度。
2.结合 eq \f(1,t2) H图线判断小球下落过程中机械能守恒。
3.ΔEp-ΔEk随H变化的规律。
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