高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律课堂检测

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律课堂检测，共22页。试卷主要包含了5实验，1s 闪光一次，50m，64 7，84 3，0×10-3s等内容，欢迎下载使用。
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12（含解析）


1．用如图甲所示装置验证机械能守恒定律。把劲度系数为k的轻质弹簧左端固定在水平光滑桌面上，右端与一小球接触而不固连；弹簧处于原长时，小球在A点，向左推小球压缩弹簧一段距离后小球至C点，由静止释放。用频闪照相机得到小球从C点到B点的照片如图乙所示。已知弹簧的弹性势能，k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的弹性伸长量或压缩量，频闪照相机频闪时间间隔为T。

（1）若测得C、A间距离为x0，则弹簧被压缩至C点时具有的弹性势能EP=________
（2）若测得A、B间距离为x1，小球的质量m，则小球与弹簧分离时的动能EK=_______
（3）在误差允许范围内，若满足EP=EK，则可验证系统的机械能守恒定律。由于实际上桌面_____，导致存在系统误差，因此，EP________EK（填“大于”或“小于”）。
2．某同学设计了如图（a）所示的装置来研究机械能是否守恒。轻质细线的上端固定在O点，下端连接圆柱形的摆锤P，在摆锤摆动的路径上，固定了四个光电门A、B、C、D。实验时，分别测出四个光电门到悬点O的高度差h，从某一高度释放摆锤，利用光电门测出摆锤经过四个光电门的速度。

（1）利用光电门测量速度时，可以测量摆锤的直径作为_________________。若摆锤直径的测量值比实际值偏小，则摆锤动能的测量值比实际值_________________。
（2）该同学认为：测得摆锤的质量为m，可由公式Ep=-mgh计算出摆锤在A、B、C、D四个位置的重力势能。他这样计算重力势能的依据是____________________________。
（3）另一同学在得到摆锤经过四个光电门的速度v和光电门距离悬点O的高度差h后，作出如图（b）所示的v2-h图线。若摆动过程中机械能守恒，则该直线的斜率为_______。决定图线与纵轴交点位置的因素有______________________。
3．在“验证机械能守恒定律”实验中，实验器材的安装如图甲所示

(1)电磁打点计时器所用电压为4－6V的_____电（选填“直流”或“交流”）；
(2)实验打出一根纸带如图乙所示，最左端打点重复扎堆。你认为造成此现象的原因是__

(3)若接入4V电压时，观察到纸带打点太浅模糊不清，采取的措施为_____
(4)某实验小组得到如图丙所示的一根纸带，数据的测量和处理如下
①从清晰的点开始，分别标上0、1、2、3、4、5、6、7，如图丙，测量1、2、5、6、7点到0点距离分别是h1、h2、h5、h6、h7
②已知打点周期为T，则1点速度的表达式v1=___；6点速度的表达式v6=_____
③比较和_____，在实验允许误差范围内相等，则机械能守恒定律得到验证。
4．在验证机械能守恒定律的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9.80m/s2，测得所用的重物的质量为1.00kg，实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，把第一个点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为63.0cm、70.0cm、78.0cm、85.0cm．根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于____J，动能的增加量等于____J（均取3位有效数字）。

5．某物理兴趣小组发现直接利用“落体法”进行验证机械能守恒定律实验时，由于物体下落太快，实验现象稍纵即逝。为了让实验时间得以适当延长，设计了如图甲所示的实验方案，把质量分别为m1、m2（）的两物体通过一根跨过定滑轮（质量可忽略）的细线相连接，m2的下方连接在穿过打点计时器的纸带上。首先在外力的作用下两物体保持静止，开启打点计时器，稳定后释放m1和m2。

(1)为了完成实验，需要的测量工具除了天平，还需__________。
(2)如图乙是一条较为理想的纸带，O点是打点计时器打下的第一个点，计数点间的距离如图乙所示。两相邻计数点间时间间隔为T，重力加速度为g（题中所有物理量符号都用国际单位）。

①在纸带上打下记数点“5”时物体的速度v5=__________（用题给物理量符号表示）；
②在打计数点“O”到打计数点“5”过程中，m1、m2系统重力势能的减少量△Ep=________（用题给物理量符号表示），再求出此过程中系统动能的增加量，即可验证系统机械能是否守恒。
6．某同学用如图所示的装置通过研究重锤的自由落体运动来验证机械能守恒定律。已知重力加速度为g。

（1）在实验得到的纸带中，我们选用如图所示的起点O与相邻点之间距离约为2mm的纸带来验证机械能守恒定律．图中A、B、C、D、E、F、G为七个相邻的原始点，F点是第n个点．设相邻点间的时间间隔为T，下列表达式可以用在本实验中计算F点速度vF的是________。
A．vF＝g(nT)
B．vF＝
C．vF＝
D．vF＝
（2）若代入图中所测的数据，求得在误差范围内等于________(用已知量和图中测出的物理量表示)，即可验证重锤下落过程中机械能守恒．即使在操作及测量无误的前提下，所求也一定会略________(选填“大于”或“小于”)后者的计算值，这是实验存在系统误差的必然结果。

7．物理研究性学习小组的同学设计多种实验想要测量月球表面的重力加速度 g 月的大小的。
（1）他们假设自己在月球上，设计了实验方案一，利用：A 质量 m 已知的重锤、B 打点计时器、C 直流电源、D 弹簧测力计，进行测量。他们的实验原理是________________（只填写规 律公式）；实验选用的器材有____________________（选填器材前的字母）。
（2）他们假设自己在月球上，设想了实验方案二，利用小球自由下落时的频闪照片示意图，如图所示。若已知频闪仪每隔 T= 0.1s 闪光一次。他们的实验原理是_______（只填写规律公式）；若已知月球表面的重力加速度 g 月=1.6m/s2，则图中的 AB 间的位移大小为_______。

（3）展开你想象的翅膀，大胆的再设计一个测量月球表面重力加速度 g 月大小的方案，写清你的实验原理，推导出测量 g 月的表达式，并写清需要测量的物理量。
实验原理
_____________
公式推导
___________________
需要测量的物理量
_______________




8．（1）光电门两侧的光电孔内分别安装了红外线的发光管和接收管，当挡光片经过光电门时，光电门记下挡光时间Δt。若挡光片的宽度为d，则挡光片经过光电门的平均速度为_________，这个速度可以被看做瞬时速度的条件是__________________________。
（2）在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，光电门用来测量摆锤经过不同位置的瞬时速度，实验装置如图（a）所示。

①关于在这个实验中光电门的使用，下列说法正确的是________
A．调节摆线长，使摆锤摆动时摆线能通过光电孔
B．测量中，光电门始终固定在某个确定的位置
C．摆锤释放器的位置要随光电门的位置变化而作相应的调整
D．每次改变光电门的位置，要用测平器使光电门的光电孔与所测点位于同一水平线
②在某次实验数据基础上，作出的摆锤在下摆过程中动能、重力势能随高度h变化的图像如图（b）所示，则其中_________（选填“I”或“II”）是摆锤动能随高度h变化的图线，该图线斜率大小等于________。

9．某研究性学习小组利用气垫导轨探究加速度与力的关系，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。

(1)实验前，用刻度尺测量光电传感器A、B间的距离L；用游标卡尺测量遮光条的宽度d，读数如图乙所示，则d=_____________mm；
(2)滑块用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码相连由图甲所示位置释放，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丙所示的输出电压U随时间t变化的图象。若△t1、△t2和L、d已知，可计算滑块的加速度a=_____________（用所测物理量的符号表示）；
(3)为保证滑块在气垫导轨上运动时所受外力恒定，在实验前还应调节定滑轮高度，使细线与气垫导轨_____________。
10．用如图所示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，还需要使用的一组器材是____________。
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，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取连续打出的5个点A、B、C、D、E，测得C、D、E三个点到起始点O的距离分别为hC、hD、hE。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Ek；
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与运动传感器上表面的距离，继而得到重物的重力势能Ep；
③将弹簧原长时重物下表面到运动传感器上表面间的距离，与物体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E弹。
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F-t图像如图所示，则如图所示的图像中可能正确的是_______。

A． B．
C． D．
11．如图所示的实验装置可以用来验证机械能守恒定律。

实验步骤如下：
①抛光的半径为R的六分之一圆弧形轨道固定在水平桌面上，使轨道末端水平
②将小球从轨道上端P点（轨道最高点）由静止释放
③测得小球落地点M与轨道末端Q的水平距离为L和Q到地面的距离为h
(1)小球做平抛运动的初速度v=_____________。
(2)若L、h、R之间满足__________，则可表明小球运动过程中机械能守恒。
12．利用物体的自由落体运动做“验证机械能守恒定律”实验是实验室常用的实验方法，记录小球的自由落体运动通常有三种方法：①用打点计时器；②用光电门；③用频闪照相机。三种装置如图所示。打点计时器是大家所熟知的，光电门可记录小球通过光电门的时间，频闪照相在按下快门的同时切断电磁铁的电源让小球自由下落。

(1)关于上图这三种实验方法，下列说法错误的是________。
A．方法①③需要测量的量和计算方法相同
B．方法②需要测量小球直径d
C．三种方法都必须测量下落重物的质量
D．方法③的系统误差最小
(2)右图是两位同学利用方法①实验操作时释放纸带瞬间的照片，你认为操作正确的是_______。
(3)方法②中测得小球被电磁铁吸住的位置到光电门的距离为h，小球直径为d，通过光电门的时间为∆t，重力加速度为g。当h近似______时，可认为小球下落过程中机械能守恒。

(4)方法③得到如下图所示频闪照片，测量结果已标注在图上，从小球由O点开始运动，到拍下D像，小球重力势能的减少量∆Ep=______J，小球动能的增加量∆Ek=_______J。（取g=9.8m/s2，小球质量为m=2kg，频闪照相机每隔0.05s闪光一次，结果保留三位有效数）

13．某活动小组利用图甲装置验证机械能守恒定律。钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB，用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度，测出两光电门间的距离为h，当地的重力加速度为g。

(1)用20分度的游标卡尺测量钢球的直径，读数如图乙所示，钢球直径D＝______ cm。
(2)要验证机械能守恒，只要比较______。
A．与gh是否相等
B．与2gh是否相等
C．与gh是否相等
D．与2gh是否相等
(3)钢球通过光电门的平均速度______（选填“＞”、“＝”或“＜”）钢球球心通过光电门的瞬时速度。
14．如图所示，利用气垫导轨进行“验证机械能守恒定律”实验的装置。主要实验步骤如下：

A．将气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平；
B．测出遮光条的宽度d；
C．将带有遮光条的滑块移至图示的位置，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t；
E．用天平称出托盘和砝码的总质量m；
F．………；
已知重力加速度为g。请回答下列问题：
(1)为验证机械能守恒定律，还需要测的物理量是______（写出要测的物理量名称及对应该量的符号）；
(2)滑块从静止释放，运动到光电门的过程中，所要验证的机械能守恒的表达式____（用上述物理量符号表示）。
15．某实验小组的同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验时进行了如下的操作（滑轮的大小可忽略）：
①滑块甲放在气垫导轨上，滑块乙穿在涂有润滑剂的竖直杆上，调整气垫导轨水平，气垫导轨的适当位置放置光电门，实验时记录遮光条的挡光时间t；
②将两滑块由图中的位置无初速释放，释放瞬间两滑块之间的细绳刚好水平拉直；
③测出两滑块甲、乙的质量M=0.20kg、m=0.10kg，当地重力加速度为g=9.80m/s2。

回答下列问题：
(1)如图，用游标卡尺测得遮光条的宽度d=______cm；
(2)实验小组在实验时同时对以下物理量进行了测量，其中有必要的测量是_____（填序号）；
A.滑轮到竖直杆的距离L=0.60m
B.滑块甲到滑轮的距离a=1.50m
C.物块甲的遮光条到光电门的距离b=0.40m
(3)当遮光条通过光电门瞬间，滑块乙速度的表达式为v乙=________________；
(4)若测量值t=_____s，在误差允许的范围内，系统的机械能守恒。（保留两位有效数字）

参考答案
1． 不是绝对光滑（或存在摩擦） 大于
【详解】
（1）[1]．若测得C、A间距离为x0，则弹簧被压缩至C点时具有的弹性势能

（2）[2]．小球从A到B的运动的平均速度即为A点的速度，则

小球与弹簧在A点分离，则分离时的动能

（3）[3][4]．由于实际上桌面不是绝对光滑（或存在摩擦），导致存在系统误差，因此EP大于EK。
2．挡光片宽度 偏小 选取经过O点的水平面为零势能面 2g 摆锤释放的高度和初速度（或机械能的总量与质量的比值）
【详解】
（1）[1][2]．利用光电门测量速度时，由，则可以测量摆锤的直径作为挡光片宽度。若摆锤直径的测量值比实际值偏小，则测得的摆锤的速度偏小，则摆锤动能的测量值比实际值偏小；
（2）[3]．该同学认为：测得摆锤的质量为m，可由公式Ep=-mgh计算出摆锤在A、B、C、D四个位置的重力势能。他这样计算重力势能的依据是选取经过O点的水平面为零势能面；
（3）[4][5]．选取经过O点的水平面为零势能面，设摆锤释放位置距离悬点O的高度为H，初速度为v0；则

则

则v2-h图线的斜率为
k=2g
图线与纵轴交点坐标为，则决定图线与纵轴交点位置的因素有摆锤释放的高度H和初速度v0；（因

则决定图线与纵轴交点位置的因素有机械能的总量与质量的比值）.
3．交流 实验先通电，后释放纸带，释放前可能手有轻微的抖动 更换复写纸，重新调整振针
【详解】
（1）[1]打点计时器使用交流电源，选填交流电；
（2）[2]在使用打点计时器的实验中，要求先通电源，再释放纸带，释放前可能手有轻微的抖动，会出现打的点重复扎堆的现象；
（3）[3]纸带上点模糊不清的原因有复写纸使用时间过长或者振针松动等，只需要更换复写纸或者重新调整振针；
（4）②[4][5]匀变速直线运动，利用中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度可求得
，
③[6]机械能守恒时满足

即

4．7.64 7.03
【详解】
[1]重物由O点运动到C点重力势能减小量
1.009.80.780J=7.64J
[2]在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此重物运动到C点时的速度，等于B到D的平均速度，则有

重物动能的增加量

5．刻度尺
【详解】
(1)[1]需要用“刻度尺”测量点之间的距离从而算出物体的运动速度和下降距离。
(2)[2]打下点“5”时物体的速度等于打下点“4”到点“6”间物体的平均速度，即

[3]由于下降，而上升，m1、m2组成的系统，重力势能的减少量

6．C ghn 小于
【详解】
(1)[1] 根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度知，F点的速度

或

故C正确ABD错误。
(2)[2][3]当即，即可验证重锤下落过程中机械能守恒，由于阻力的存在，动能的增加量会略小于重力势能的减小量．
7． AD 0.04m 利用机械能守恒定律的原理 直径d，下落高度h，通过光电门的时间t
【详解】
(1)[1][2]用弹簧测力计测出该重锤的重力F，则F=mg月，重力加速度的表达式为：；实验选用的器材有AD
(2)[3][4] 根据△h=gT2，得：，若已知月球表面的重力加速度 g 月=1．6m/s2，则图中的 AB 间的位移大小为

(3)[5][6][7] 实验原理：利用机械能守恒定律的原理，用光电门测量小球下落h距离后通过光电门的时间，球的直径，根据
，
进而解得

需要测量直径d，下落高度h，通过光电门的时间t。
8． 挡光片的宽度足够小 D I 摆锤的重力
【详解】
(1)[1][2] 挡光片经过光电门的平均速度为，这个速度可以被看做瞬时速度的条件是时间足够短，即挡光片的宽度足够小。
(2) ①[3]A． 摆锤线长应调整到使摆锤在摆动时能通过光电孔，故A错误；
B．测量中，光电门不一定固定在某个确定的位置，在适当位置即可，故B错误；
C． 摆锤释放器的位置不随光电门的位置变化而作相应的调整，故C错误；
D． 每次改变光电门的位置，要用测平器使光电门的光电孔与所测点位于同一水平线，故D正确。
故选D。
②[4][5] 摆锤动能随高度h增大而减小，动能转化为重力势能，故是I，图像的斜率

故图像斜率代表重力。
9．1.70 平行
【详解】
（1）[1]游标卡尺的精确度为0.05mm，主刻度读数为1mm，游标读数为14×0.05mm=0.70mm，则
d=1mm +0.70mm=1.70mm
（2）[2]经过光电门A的速度为

经过光电门B的速度为

由匀变速直线运动规律有

解得

（3）[3]为保证滑块在气垫导轨上运动时所受外力恒定，在实验前还应调节定滑轮高度，使细线与气垫导轨平行。
10．D mghD 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hAB、hAC、hAD和hAE，如果在误差允许范围内得出即可 AC
【详解】
(1)[1]由于电磁打点计时器需要交流电源，因此AB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速度及下降的高度，因此C错误，D正确。
故选D。
(2)[2]下降的高度为，因此减少的重力势能为；
[3]打D点时的速度等于CE段的平均速度

动能增加量

(3)[4]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hAB、hAC、hAD和hAE，如果在误差允许范围内得出

即可证明机械能守恒。
(4)[5]A．由于弹簧始终处于伸长状态，弹力最大时一定是最低点，重力能势最小，而弹力最小时一定是最高点，重力势能最大，A正确；
B．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，一定是弹簧伸长量最小，弹性势能最小，B错误；
C．弹簧的弹力最大和最小时，一定是物体速度为零，动能最小，而运动到平衡位置时，动能最大，C正确；
D．无论弹簧的弹力如何变化，总的机械能保持不变，D错误。
故选AC。
11．
【详解】
(1)[1]由平抛规律可得

L=vt
解得

(2)[2]轨道摩擦力很小，可认为机械能守恒，则

由平抛运动规律，得
L=vt

三式联立，得

12．C B 3.84 3.84
【详解】
(1)[1]A．①③实验要确定出下落的高度与获得的速度，所用的方法都是留迹法，故A正确；
B．方法②要由

求速度则需要测量小球直径，故B正确；
C．三种方法验证机械能时动能和重力势能都含有质量，则质量可以约掉，故三种方法都不需要测量下落重物的质量，故C错误；
D．方法①纸带与计时器有摩擦，方法②用平均速度测量速度有误差，方法③避免了①②两种情况，系统误差小，故D正确。
故选C。
(2)[2]A图中的重物离打点计时器太远，导致纸带有很长一截不能打点，故B图的操作是正确的，有效的利用了纸带打点。
(3)[3]方法②中，实验原理为验证重力势能的减少量等于动能的增加量，有

即验证机械能守恒定律需满足

实际是存在误差的，所以近似相等即可。
(4)[4][5]方法③中，小球重力势能的减少量

代入数据得

小球动能的增加量为

代入数据得

13．0.950 D <
【详解】
(1)[1]游标卡尺的主尺读数为0.9cm，游标尺上第10个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标读数为
10×0.05mm=0.50mm
所以最终读数为
0.9cm+0.50mm=0.950cm
(2)[2]球通过两个光电门的速度分别为和；要验证的关系是

即

故要验证机械能守恒，只要比较与2gh是否相等。
选项D正确，ABC错误。
故选D。
(3)[3]由于钢球向下做加速运动，所以钢球通过光电门的平均速度（中间时刻的速度）小于钢球球心通过光电门的瞬时速度（中间位移的速度）。
14．滑块和遮光条的质量M
【详解】
(1)[1]根据瞬时速度的定义式可知，挡光条通过光电门的速率为

令滑块和遮光条的总质量为，托盘和砝码下落过程中，系统增加的动能为

根据题意可知，系统减少的重力势能即为托盘和砝码减小的重力势能，即为

为了验证机械能守恒，需满足的关系是

实验中还要测量的物理量为滑块和遮光条的总质量。
(2)[2]滑块从静止释放，运动到光电门的过程中，所要验证的机械能守恒的表达式

15．0.420 AC 0.0020或2.0×10-3
【详解】
(1)[1]游标卡尺的读数由主尺读数和游标尺读数组成，遮光条的宽度
d=4mm+4×0.05mm=4.20mm=0.420cm
(2)[2]本实验验证系统的机械能守恒，即系统减少的重力势能等于系统增加的动能，研究滑块甲运动到光电门的过程，系统减少的重力势能

系统增加的动能

绳上的速度关系如图

则有

故必要的测量为滑轮到竖直杆的距离L=0.60m，物块甲的遮光条到光电门的距离b=0.40m，故AC正确，B错误。
故选AC。
(3)[3]利用极短时间内的平均速度表示瞬时速度，当遮光条通过光电门瞬间，滑块甲速度

根据绳上的速度关系可知，滑块乙的速度

(4)[4]由(2)的分析可知，系统机械能守恒，则满足

解得
t=2.0×10-3s