2024版新教材高考物理复习特训卷考点37实验：验证机械能守恒定律

这是一份2024版新教材高考物理复习特训卷考点37实验：验证机械能守恒定律，共7页。试卷主要包含了25，00　0，1　0，11　0，75－4等内容，欢迎下载使用。

[2023·湖南邵阳一模]某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6 V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50 Hz.重锤从高处由静止开始下落，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其增加的动能．
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O点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计时点．根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重锤的速度为________m/s(保留3位有效数字).
(3)他根据纸带上的数据算出各点的速度v，量出下落距离h，并以 eq \f(v2,2) 为纵轴、h为横轴画出的图像应是下图的________(填选项字母).
2．[2021·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Δt1、Δt2；
⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度h1、h2；
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d＝________mm；某次实验中，测得Δt1＝11.60 ms，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度v1＝________m/s(保留3位有效数字)；
(3)在误差允许范围内，若h1－h2＝________(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：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
3．[2022·湖北卷]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Tmax和最小值Tmin.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Tmax ­ Tmin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
4．[2022·河北卷]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k，原长为L0，钩码的质量为m.已知弹簧的弹性势能表达式为E＝ eq \f(1,2) kx2，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g.
(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L.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T(在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点).从打出A点到打出F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____________________．
(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h的关系，如图3所示．由图3可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是________．
5．[2023·湖南岳阳三模]某兴趣小组用如图甲所示的实验装置来测物块与斜面间的动摩擦因数．PQ为一块倾斜放置的木板，在斜面底端Q处固定有一个光电门，光电门与数字计时器相连(图中未画).每次实验时将一物体(其上固定有宽度为d的遮光条)从不同高度h处由静止释放，但始终保持斜面底边长L＝0.500 m不变．(设物块与斜面间的动摩擦因数处处相同)
(1)用20分度游标卡尺测得物体上的遮光条宽度d如图乙所示，则d＝________cm；
(2)该小组根据实验数据，计算得到物体经过光电门的速度v，并作出了如图丙所示的v2 ­ h图像，其图像与横轴的交点为0.25.由此可知物块与斜面间的动摩擦因数μ＝________；
(3)若更换动摩擦因数更小的斜面，重复上述实验得到v2 ­ h图像，其图像的斜率将________(填“增大”“减小”或“不变”).
6．[2023·北师大二附中模拟]某同学采用如图甲所示的装置进行“验证机械能守恒定律”实验．
(1)除了图甲装置中的器材之外，还必须从图乙中选取实验器材，其名称是________；
(2)指出图甲装置中不合理的地方(一处)
________________________________________________________________________；
(3)小明同学通过正确实验操作得到了如图丙所示的一条纸带，读出计数点0、4两点间的距离为________cm；
(4)已知打点计时器的电源频率为50 Hz，计算得出打下计数点5时纸带速度的大小为________m/s(保留两位有效数字)；
(5)在实际的测量中，重物减少的重力势能通常会________(选填“略大于”“等于”或“略小于”)增加的动能，这样产生的误差属于________(选填“系统误差”或“偶然误差”)；
7．[2022·广东卷]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d＝________mm.
(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t1和t2.
(4)计算小球通过光电门的速度，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ΔE＝________(用字母m、d、t1和t2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．
考点37 实验：验证机械能守恒定律
1．答案：(1)C B (2)1.84 (3)C
解析：(1)应将打点计时器接到电源的“交流输出”上，选项B操作不当，因实验只需比较gh和 eq \f(v2,2)的大小关系，不需要测量质量，选项C没必要．
(2)打B点的速度即为AC段的平均速度，即
vB＝ eq \f(（21.68－14.31）×10－2,2×0.02) m/s≈1.84 m/s.
(3)根据 eq \f(1,2)mv2＝mgh可知， eq \f(1,2)v2与h成正比，故C项正确．
2．答案：(1)②④ (2)5.00 0.431 (3) eq \f(\f(1,2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt2)))2－\f(1,2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt1)))2,g) (4)滑块在下滑过程中受到空气阻力作用，产生误差；遮光条宽度不够窄，测量速度不准确，产生误差
解析：(1)滑块沿光滑的斜面下滑过程机械能守恒，需要通过光电门测量通过滑块运动的速度v＝ eq \f(d,Δt)，滑块下滑过程中机械能守恒，减少的重力势能转化为动能mg(h1－h2)＝ eq \f(1,2)mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2)) － eq \f(1,2)mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) ＝ eq \f(1,2)m eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt2)))2－ eq \f(1,2)m eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt1)))2，整理化简得g(h1－h2)＝ eq \f(1,2) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt2)))2－ eq \f(1,2) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt1)))2，所以测量滑块和遮光条得总质量m不必要，②满足题目要求，测量A、B之间的距离l不必要，④满足题目要求．
(2)游标卡尺的读数为d＝5 mm＋0×0.05 mm＝5.00 mm，滑块通过光电门的速度v1＝ eq \f(d,Δt1)＝ eq \f(5,11.60) m/s＝0.431 m/s，(3)根据(1)问可知h1－h2＝ eq \f(\f(1,2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt2)))2－\f(1,2)\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,Δt1)))2,g)，在误差允许的范围内，满足该等式可认为滑块下滑过程中机械能守恒．
(4)滑块在下滑过程中受到空气阻力作用，产生误差；遮光条宽度不够窄，测量速度不准确，产生误差．
3．答案：(1)－2 (2)－2.1 0.59 (3)C
解析：(1)设初始位置时，细线与竖直方向夹角为θ，则细线拉力最小值为T min＝mg cs θ，到最低点时细线拉力最大，则mgl(1－cs θ)＝ eq \f(1,2)mv2，Tmax－mg＝m eq \f(v2,l)，联立可得Tmax＝3mg－2T min，即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；
(2)由图乙得直线的斜率为k＝－ eq \f(1.77－1.35,0.2)＝－2.1，3mg＝1.77，则小钢球的重力为mg＝0.59 N.
(3)该实验系统误差的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，故选C.
4．答案：(1)k(L－L0)h5－ eq \f(1,2)kh eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(5)) eq \f(m\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(h6－h4))2,8T2) mgh5 (2)见解析
解析：(1)从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为ΔEp弹＝ eq \f(1,2)k(L－L0)2－ eq \f(1,2)k(L－L0－h5)2
整理有ΔEp弹＝k(L－L0)h5－ eq \f(1,2)kh eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(5)) ；打F点时钩码的速度为vF＝ eq \f(h6－h4,2T)，由于在误差允许的范围内，认为释放钩码的同时打出A点，则钩码动能的增加量为ΔEk＝ eq \f(1,2)mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(F)) －0＝ eq \f(m\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(h6－h4))2,8T2)，钩码的重力势能增加量为ΔEp＝mgh5.
(2)钩码机械能的增加量，即钩码动能和重力势能增加量的总和，若无阻力做功则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量．现在随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功，则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大，导致空气阻力逐渐增大，以至于空气阻力做的功也逐渐增大．
5．答案：(1)0.225 (2)0.5 (3)不变
解析：(1)由图知第5条刻度线与主尺对齐，则读数为：d＝2 mm＋5×0.05 mm＝2.25 mm＝0.225 cm；
(2)设斜面的长为s，倾角为θ，由动能定理得(mg sin θ－μmg cs θ)s＝ eq \f(1,2)mv2，即：mgh－μmgL＝ eq \f(1,2)mv2，v2＝2gh－2μgL，由图像可知，当h＝0.25 m时，v＝0，代入得到μ＝0.5；
(3)由v2＝2gh－2μgL知斜率k＝2g为定值，若更换动摩擦因数更小的斜面，图像的斜率不变．
6．答案：(1)刻度尺 (2)重物离打点计时器太远 (3)3.11(3.10～3.12) (4)0.91(0.89～0.93) (5)略大于 系统误差
解析：(1)验证机械能守恒定律需要测量重物下降的高度以及重物的速度，因此需要使用刻度尺．
(2)为充分利用纸带记录实验数据，重物应尽量靠近打点计时器，而题图甲中重物离打点计时器太远．
(3)计数点0对应的读数为1.00 cm，计数点4对应的读数为4.11 cm，所以计数点0到4的距离为3.11 cm.
(4)计数点5对应的速度等于计数点4～6对应的平均速度，即v5＝ eq \f(（7.75－4.11）×10－2,0.04)m/s＝0.91 m/s.
(5)由于阻力的存在，重物减少的重力势能略大于增加的动能，这种误差与人为因素无关，与实验系统本身有关，所以该误差称为系统误差．
7．答案：(2)7.885 (3)B (4) eq \f(md2,2)( eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) )－ eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2)) )) (5)增大
解析：(2)根据螺旋测微器读数规则可知，小球直径d＝7.5 mm＋0.385 mm＝7.885 mm.(3)由于小球自由落体运动时间很短，所以测量时，应该先接通数字计时器，后释放小球．(4)小球第1次通过光电门时的速度v1＝ eq \f(d,t1)，第2次通过光电门时的速度v2＝ eq \f(d,t2)，小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE＝ eq \f(1,2)mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) － eq \f(1,2)mv eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2)) ＝ eq \f(md2,2)( eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(1)) )－ eq \f(1,t eq \\al(\s\up1(2),\s\d1(2)) )).(5)若适当调高光电门高度，将会增大因空气阻力引起的测量误差．