全国2018届高考物理考点一遍过专题28实验：验证机械能守恒定律含解析.docx

专题28 实验：验证机械能守恒定律一、实验目的验证机械能守恒定律。二、实验原理如图所示，质量为m的重物从O点自由下落，以地面作为零重力势能面，若果忽略空气阻力，下落过程中在任意两点A和B处重物的机械能守恒，即，该式亦可写成。等式说明，重物重力势能的减少量等于动能的增加量。为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图中A点）来进行研究，这时应有，该式即为本实验要验证的表达式，式中h是重物从O点下落至A点的瞬时速度。三、实验器材打点计时器，低压交流电源，带有铁夹的铁架台，纸带，复写纸，带架子的重物，刻度尺，导线。四、实验步骤1安装置：按装置图安装器材，沿竖直方向将打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。2打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做35次实验。3选纸带（1）用验证时，应选取点迹较为清晰，且1、2两点间的距离略小于或接近2 mm的纸带。（2）用验证时，由于重力势能具有相对性，选择纸带时应选适当的点为基准点，只要后面的点迹清晰就可选用。五、数据处理方法一：利用起始点和第n点进行计算。将实验数据代入mghn和，在实验误差允许的条件下，若mghn和相等，则验证了机械能守恒定律。方法二：任取两点进行计算。（1）任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB。（2）算出的值。（3）在实验误差允许的条件下，若mghAB=，则验证了机械能守恒定律。方法三：图象法从指戴上选取多个带，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算出各点速度的平方v2，然后以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出v2/2 h图线。若在误差许可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。六、误差分析1本实验中，由于重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力（如空气阻力、打点计时器阻力）做功，故动能的增加量Ek稍小于重力势能的减少量Ep，即Ekm2C采用甲、乙的方案进行实验，都还需要的实验器材有交流电源、刻度尺和天平D采用甲、乙的方案进行实验，都必须先释放重物，再打开打点计时器比较甲、乙两种实验方案，你认为_更合理。4在用图所示的实验装置做“验证机械能守恒定律”的实验中（1）下列器材中不必要的是_（填字母）。A天平 B刻度尺C低压交流电源 D纸带（2）图是本实验中所打出来的一条纸带，O点是起始打下来的第一个点，则应该是纸带的_端与重物相连（填“左”或“右”）。（3）根据图中的纸带，选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始点O的距离为s0，点A、C间的距离为s1，点C、E间的距离为s2，打点计时器打点周期为T，重物质量为m，重力加速度为g，则：根据这些条件计算打C点时重物下落的瞬时速度的表达式为vC=_（用s1、s2、T表示）。若要验证O点到C点过程中重物的机械能守恒，则需要验证的等式为_（用m、g、s0、s1、s2、T表示）。（4）在验证机械能守恒定律的实验中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，这是实验存在系统误差的必然结果，其产生的主要原因是_。5某研究性学习小组用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。让一个摆球由静止开始从A位置摆到B位置，若不考虑空气阻力，小球的机械能应该守恒，即mv2=mgh。直接测量摆球到达B点的速度v比较困难，现让小球在B点处脱离悬线做平抛运动，利用平抛的特性来间接地测出v。图中，悬点正下方P点处放有水平放置的炽热的电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出做平抛运动。在地面上放上白纸，上面覆盖着复写纸，当小球落在复写纸上时，会在下面白纸上留下痕迹。用重垂线确定出A、B点的投影点N、M。重复实验10次（小球每一次都从同一点由静止释放），球的落点痕迹如图乙所示，图中米尺水平放置，零刻度线与M点对齐。用米尺量出AN的高度h1、BM的高度h2，算出A、B两点的竖直距离，再量出M、C之间的距离s，即可验证机械能守恒定律。已知重力加速度为g，小球的质量为m。（1）根据图乙可以确定小球平抛运动时的水平射程为_cm；（2）用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度v0=_；（3）用测出的物理量表示出小球从A到B过程中，重力势能的减少量Ep=_，动能的增加量Ek=_。6有两个实验小组在完成验证机械能守恒定律的实验中，分别用了以下两种方法：（1）第一组利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。该小组同学进行了如下实验操作：A打点计时器接到电源的“直流输出”上B释放纸带后接通电源，打出一条纸带，并更换纸带重复若干次C选择理想的纸带，在纸带上取若干个连续点，分别测出这些点到起始点的距离D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动能其中操作不当的步骤是_（填选项前的字母）。若所用电源的周期为T，该同学经正确操作得到如图所示的纸带，O点为打点计时器打下的第一个点。分别测出连续点A、B、C与O点之间的距离h1、h2、h3，重物质量为m，重力加速度为g。根据以上数据可知，从O点到B点，重物的重力势能的减少量等于_，动能的增加量等于_。（用所给的符号表示）（2）另一组同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律。物体A和B系在轻质细绳两端跨过光滑轻质定滑轮，让A、B由静止释放（物体A质量大于B）。1、2处分别安装光电门，用来测量物体上的遮光片通过该处的时间。实验中测量出物体A的质量mA、物体B的质量mB、遮光片的宽度d、光电门1、2间的距离h、遮光片通过光电门1、2的时间t1、t2，则可计算出遮光片经过光电门1时速率为_。若实验满足表达式_（用中测出物理量的符号和重力加速度g表示），则可验证机械能守恒。7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，输出电压为6 V的交流电和直流电两种。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：A按照图示的装置安装器件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释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带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动能其中没有必要进行的或者操作不当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的空行内，并说明其原因。答：_。乙（2）利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。如图乙所示，根据打出的纸带，选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E，测出A距起始点O的距离为s0，点AC间的距离为s1，点CE间的距离为s2，使用交流电的频率为f，根据这些条件计算重锤下落的加速度a=_。（3）在用自由落体运动做“验证机械能守恒定律”实验中，用天平称得重物的质量为，所用电源的频率为50 Hz，某同学通过正确的实验操作得到了一条理想的纸带。纸带上打出的点如图丙所示（纸带上的O点是第一个打印点，A、B、C、D、E分别是每打两个点的时间作为计时单位取的记数点，图中数据单位为毫米），已知当地的重力加速度。选择B点为初始点，D点为终点，则从打下B点到打下D点的过程中，重物的重力势能的减少量为_J；重物动能的增加量为_J。丙8DIS实验是利用现代信息技术进行的实验。老师上课时用DIS研究“机械能守恒定律”的装置如图甲所示，在某次实验中，选择DIS以图象方式显示实验的结果，所显示的图象如图乙所示。图象的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。试回答下列问题：（1）图乙的图象中，表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是_。A甲、乙、丙 B乙、丙、甲C丙、甲、乙 D丙、乙、甲（2）根据图乙所示的实验图象，可以得出的结论是_。（3）根据图乙所示的实验图象，本次实验小球重力势能Ep和动能Ek相等时距最低点D的竖直高度为_m，由静止释放时距最低点D的竖直高度为_m。（4）根据图乙所示的实验图象，可以得出小球的质量为_kg（取g=9.8 m/s2，结果保留两位有效数字）。9某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。桌面离地面的高度为H，将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s。（1）关于该实验，下列说法中正确的是_。A该装置中轨道必须尽可能光滑B该装置中轨道末端必须水平C该实验中必须测量钢球的质量D该实验中钢球也可换成密度很小的塑料球（2）该实验验证钢球在下列哪段运动过程中的机械能守恒？_。A在轨道上运动阶段B平抛运动阶段C从释放到着地的整个运动阶段（3）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2=_（用H、h表示）。10如图，用光电门等器材验证机械能守恒定律。直径为d、质量为m的金属小球由A处静止释放，下落过程中经过A处正下方的B处固定的光电门，测得A、B的距离为H（Hd），光电门测出小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g，则（1）小球通过光电门B时的速度表达式为_；（2）多次改变高度H，重复上述实验，作出随H的变化图象如图所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球直径d满足以下表达式时，可判断小球下落过程中机械能守恒；（3）实验中发现动能增加量Ek总是小于重力势能减少量Ep，若增加下落高度，则EpEk将_（选填“增加”、“减小”或“不变”）。11某物理研究小组利用图甲装置验证机械能守恒定律，在铁架台上安装有一电磁铁（固定不动）和一光电门（可上下移动），电磁铁通电后将钢球吸住，然后断电，钢球自由下落，并通过光电门，计时装置可测出钢球通过光电门的时间。（1）用10分度的游标卡尺测量钢球的直径，示数如图乙所示，可知钢球的直径d=_cm。（2）多次改变光电门的位置，测量出光电门到电磁铁下端O的距离为h(hd)，并计算出小球经过光电门时的速度v，若画出v2h的图象是线性图线，则本实验最可能得到的线性图是_。（3）钢球通过光电门的平均速度_（选填“大于”或“小于”）钢球球心通过光电门的瞬时速度，由此产生的误差_（选填“能”或“不能”）通过增加实验次数减小。（4）若实验中得到v2与h成线性关系，能否说明钢球在下落过程中机械能守恒？_。12如图所示实验装置可以用来验证机械能守恒定律，左侧重物A带有挡光片，其总质量为m，右侧重物B质量为M，两重物由跨过轻质光滑定滑轮的细绳相连；与光电门相连的数字毫秒计可以测量挡光片经过光电门时的挡光时间，挡光片的宽度用b表示。挡光片到光电门之间的距离用h表示。挡光片通过光电门的平均速度近似看作挡光片通过光电门的瞬时速度，实验时重物从静止开始运动。重物B的质量M大于A的质量m。（1）在实验过程中，与光电门相连的数字毫秒计记录的挡光片的挡光时间为t（单位：s），则挡光片通过光电门时瞬时速度可表示为v=_。（2）重物从静止开始运动，当挡光片经过光电门位置时，A和B组成的系统动能增加量可表示为Ek=_，系统的重力势能减少量可表示为Ep=_，在误差允许的范围内，若Ek=Ep，则可认为系统的机械能守恒。（3）为了减小偶然误差，多次改变挡光片到光电门之间的距离h，作出v2h图象（如图所示），并测得该图象的斜率为k，则重力加速度的表达式为_。13用自由落体法验证机械能守恒定律，器材安装如图甲。（1）请指出图甲中的错误及不妥之处（至少写出两处）_，_。（2）改进实验中错误及不妥之处后，打出如图乙所示一条纸带。已知打点计时器频率为50 Hz，根据纸带所给数据，打C点时重物的速度为_m/s（结果保留两位有效数字）。（3）某同学选用两个形状相同质量不同的重物a和b进行实验测得几组数据，画出的图象如图丙所示，求出图线的斜率k，由图象可知a的质量m1_b的质量m2（选填“大于”或“小于”）。（4）通过分析发现造成k2值偏小的原因是实验过程中存在各种阻力，已知实验所用重物的质量m2=0.052 kg，当地重力加速度g=9.78 m/s2，求出重物所受的平均阻力f=_N。（结果保留两位有效数字）14图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电火花打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题（1）为完成此实验，除了所给的器材外，还需要的器材有_；（填入正确选项前的字母）A毫米刻度尺 B秒表C220 V的直流电源 D220 V的交流电源（2）部分实验步骤如下：A接通电源，待打点计时器工作稳定后放开纸带B将重锤静止靠在打点计时器附近，手提纸带的上端C关闭电源，取出纸带D把打点计时器固定在铁夹上，让纸带穿过限位孔上述实验步骤的正确顺序是：_。（3）写出本实验产生误差的一个原因：_。15利用图实验装置验证机械能守恒定律。（1）实验操作步骤如下，请将步骤B补充完整：A按实验要求安装好实验装置；B使重物靠近打点计时器，接着先_，打点计时器在纸带上打下一系列的点；C图为一条符合实验要求的纸带，O点为打点计时器打下的第一点。分别测出若干连续点A、B、C与O点之间的距离h1、h2、h3（2）已知打点计时器的打点周期为T，重物质量为m，重力加速度为g，结合实验中所测得的h1、h2、h3，纸带从O点下落到B点的过程中，重物增加的动能为_，减少的重力势能为_。16（2017天津卷）如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。（1）对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是_。A重物选用质量和密度较大的金属锤B两限位孔在同一竖直面内上下对正C精确测量出重物的质量D用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物（2）某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有_。AOA、AD和EG的长度 BOC、BC和CD的长度CBD、CF和EG的长度 DAC、BD和EG的长度17（2016上海卷）在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，用到的传感器是 传感器。若摆锤直径的测量值大于其真实值会造成摆锤动能的测量值偏 。（选填：“大”或“小”）。18（2016新课标全国卷）某同学用图（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打出纸带的一部分如图（b）所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率，需要用实验数据和其它题给条件进行推算。（1）若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用和图（b）中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。（2）已测得=8.89 cm，=9.50 cm，=10.10 cm；当重力加速度大小为9.80 m/，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出为_ Hz。19（2016北京卷）利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。（1）为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的 。A动能变化量与势能变化量B速度变化量和势能变化量C速度变化量和高度变化量（2）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是 。A交流电源B刻度尺 C天平（含砝码）甲（3）实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。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。从打点到打点的过程中，重物的重力势能变化量=，动能变化量=。乙（4）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 。A利用公式计算重物速度B利用公式计算重物速度C存在空气阻力和摩擦阻力的影响D没有采用多次实验取平均值的方法（5）某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2h图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。20（2016江苏卷）某同学用如题甲图所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方。在钢球底部竖直地粘住一片宽带为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取作为钢球经过A点时的速度。记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小Ep与动能变化大小Ek，就能验证机械能是否守恒。甲（1）用Ep=mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到 之间的竖直距离。（A）钢球在A点时的顶端（B）钢球在A点时的球心（C）钢球在A点时的底端（2） 用Ek=计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图乙所示，其读数为_cm。某次测量中，计时器的示数为0.010 0 s，则钢球的速度为v= m/s。乙（3） 下表为该同学的实验结果：他发现表中的Ep与Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。（4）请你提出一条减小上述差异的改进建议。1（1）使小车获得相同的动能（弹簧对小车做功相同） 垫高木板固定打点计时器的一端静止释放小车时，小车连同纸带一起在木板上匀速运动（平衡摩擦力） （2）AC 【解析】（1）每次将小车压缩弹簧至长木板的虚线处，弹簧具有相同的弹性势能，这样每次对小车做的功相同，小车获得的动能相同；要消除阻力对小车运动的影响，应先平衡摩擦力，可垫高木板固定打点计时器的一端，静止释放小车时，小车连同纸带一起在木板上匀速运动。（2）由表中数据可知，明显不正确的两个猜想是A和C；由表中数据及图象可知小车的质量m跟成正比，故横坐标为。2（1）BC （2）mgh5 （3）大于 （2）在打O点和E点这段时间内的重力势能的减少量Ep=mgh5，E点的瞬时速度，则打E点时重锤的动能。（3）由于重锤下落过程中存在着阻力作用，实验中会发现重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能。根据vn2=2ah知，图线的斜率k=2a，则，重锤下落过程中，受到重力和阻力作用，根据牛顿第二定律得：mgf=ma，则阻力的大小f=mgma=mgmk=m(gk)。【名师点睛】对于基础实验要从实验原理出发去理解，要亲自动手实验，深刻体会实验的具体操作，不能单凭记忆去理解实验；要能够找出斜率和截距的物理意义，我们必须要从物理角度找出两个物理变量的关系表达式。利用图象问题结合数学知识处理物理数据是实验研究常用的方法。我们更多的研究直线图形，找出其直线的斜率和截距。3（1）左 （2）B （3）1.88 1.92 （4）不正确 （5）AB 甲【解析】（1）下落过程为匀加速运动，物体运动速度渐渐变大，故打点间距应变大，所以纸带的左端与重物相连；（2）要验证机械能守恒，应求得某点的速度才行，由数据可得B的速度，故选B点；（3）从O到B的距离；B的速度为，故。（4）该同学的判断依据不正确。在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据，可得，则此时v2h图象就是过原点的一条直线。所以要想通过v2h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g。（5）为了使空气阻力影响更小，在甲图中，下落物体应选择密度大的重物，故A正确；乙图是验证系统机械能是否守恒，m1向下运动，m2向上运动，所以，故B正确；在甲图中，不需要测量物体的质量，即不需要天平，乙图是验证系统机械能是否守恒，即验证系统动能的增加量和系统重力势能的减小量是否相等，动能的增加量为，重力势能的减小量为，需要天平，故C错误；采用甲、乙的方案进行实验，都必须先打开打点计时器，再释放重物，故D错误；甲方案更合理，因为在乙图中受到细绳和滑轮之间的摩擦力的影响。【名师点睛】解决本题的关键掌握实验的原理，会通过原理确定器材，以及掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度的大小，关键是匀变速直