7.9实验：验证机械能守恒定律（解析版）-2019-2020学年高一物理课时同步检测(人教版必修2)

第七章 机械能守恒定律第9节 实验：验证机械能守恒定律(时间：45分钟满分：100分)一、实验题(本题共12小题，共100分有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确，把正确选项前的字母填在题后的括号内)1（6分）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和一质量为m的小球相连；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点到光电门B处的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A处由静止开始运动(1)某次实验测得倾角30，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时m和M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EkEp，则可认为系统的机械能守恒(用题中字母表示)(2)在上述实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的v2d图象如图乙所示，并测得Mm，则重力加速度g_m/s2.【答案】 9.6 【解析】【分析】【详解】（1）滑块从A处到达B处的速度:则系统动能的增加量：系统重力势能的减小量：Ep=mgd-Mgdsin30=（m）gd（2）根据系统机械能守恒的：（M+m）v2（m）gd则：图线的斜率：解得：g=9.6m/s22（10分）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)（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O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量Ep_，动能变化量Ek_。（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vgt计算重物速度 B利用公式v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【答案】A AB EpmghB Em2 C 【解析】【详解】（1）1验证机械能守恒定律原理是看减少的重力势能和增加的动能是否相等，所以需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量，故选A；（2）2电磁打点计时器使用低压交流电源；需选用刻度尺测出纸带上任意连点见得距离，表示重锤下落的高度；等式两边都含有相同的质量，所以不需要天平秤质量；故选AB；（3）34根据功能关系，重物的重力势能变化量的大小等于重力做的功的多少，打B点时的重力势能减小量：Ep=-mghBB点的速度为：所以动能变化量为：；（4）5由于纸带在下落过程中，重锤和空气之间存在阻力，纸带和打点计时器之间存在摩擦力，所以减小的重力势能一部分转化为动能，还有一部分要克服空气阻力和摩擦力阻力做功，故重力势能的减少量大于动能的增加量，故C选项正确；3（6分）机械能守恒定律，某同学做了如下实验：将一小球用细绳悬挂于O点，在O点正下方安装与光电计时器相连的光电门将小球拉至细线水平由静止释放，小球向下摆动后通过光电门，光电门记录下了小球通过光电门的时间t，若测得小球的直径为d（1）小球通过光电门时的速度大小可表示为v=_；（2）要验证小球在向下摆动过程中机械能守恒，若测得悬点到小球球心的距离为L，重力加速度用g表示，需要验证的表达式是_（用t、d、L、g等物理量表示）；（3）为了减小实验误差,小球应该满足什么件：_【答案】 选择质量较大且直径较小的小球 【解析】【详解】（1）已知经过光电门时的时间小球的直径；则可以由平均速度表示经过光电门时的速度；故（2）若减小的重力势能等于增加的动能时，可以认为机械能守恒；则有：，可得，解得：2gLt2=d2（3）造成本实验的误差原因是，实验过程中，可通过选择质量较大且直径较小的小球，或让纸带竖直下落，从而尽量减小受到的阻力4（10分）在图甲所示的光电计时器中，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。现利用图乙所示装置验证机械能守恒定律。图中PQ是固定的光滑斜面，斜面的倾角为，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门12各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为和。已知滑块质量为，滑块沿斜面方向的宽度为，光电门1和2之间的距离为，g取，设滑块经过光电门的速度为其平均速度。（1）滑块通过光电门1时的速度_，通过光电门2时的速度_。（2）滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为_J，重力势能的减少量为_J由此可得出的结论是_。【答案】1.00 2.50 5.25 5.29 在误差允许范围内，该过程中机械能守恒 【解析】【分析】【详解】(1)1由题意知滑块经过光电门时的速度为其平均速度，所以滑块通过光电门1时的速度2通过光电门2时的速度(2)3滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为代入数据解得；4重力势能的减少量代入数据解得；5可得出的结论：在误差允许范围内，该过程中机械能守恒。5（14分）如图甲所示，用包有白纸的质量为1.00 kg的圆柱棒替代纸带和重物，蘸有颜料的毛笔固定在电动机上并随之转动，使之替代打点计时器当烧断悬挂圆柱棒的线后，圆柱棒竖直自由下落，毛笔就在圆柱棒表面的纸上画出记号，如图乙所示，设毛笔接触棒时不影响棒的运动测得记号之间的距离依次为26.0 mm、42.0 mm、58.0 mm、74.0 mm、90.0 mm、106.0 mm，已知电动机铭牌上标有“1 440 r/min”的字样，由此验证机械能守恒根据以上内容，回答下列问题：（1）毛笔画相邻两条线的时间间隔T=_s，图乙中的圆柱棒的_端是悬挂端（填“左”或“右”）（2）根据图乙所给的数据，可知毛笔画下记号C时，圆柱棒下落的速度vC=_m/s；画下记号D时，圆柱棒下落的速度vD=_m/s；记号C、D之间圆柱棒的动能的变化量为_J，重力势能的变化量为_J（g=9.8 m/s2）由此可得出的结论是_（结果保留两位有效数字）【答案】 左 1.2 1.6 0.52 0.57 在误差允许的范围内机械能守恒 【解析】【分析】【详解】(1)毛笔画相邻两条线的时间间隔为电动机的转动周期，已知电动机铭牌上标有“1440r/min”字样，即每秒转24周，所以；圆柱下落过程中，毛笔依次从圆柱的下端往上端画，随着时间圆柱是加速运动，在乙图中圆柱的左端速度较大，右端速度较小，所以图乙中的圆柱棒的左端是悬挂端(2) 利用匀变速直线运动的推论：；C、D之间棒的动能的变化量为；根据重力势能的定义式得：重力势能减小量；重力势能减小量略大于C、D之间棒的动能的变化量，所以在误差允许范围内圆柱下落过程中机械能守恒6（4分）利用如图所示装置进行“验证机械能守恒定律”的实验时，需要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度和下落高度h，某班同学利用实验得到的纸带设计了以下四种测量方案。A用刻度尺测出重物下落高度h，并测出下落时间t，通过计算出瞬时速度。B用刻度尺测出重物下落的高度h，并通过计算出瞬时速度v。C根据做匀变速直线运动时纸带时器纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过计算出高度h。D用刻度尺测出重物下落的高度图h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度。(1)以上方案中只有一种最合理，最合理的是_。（填入上述方案相应的字母）(2)要使该实验误差尽量小，下列注意点正确的是_。（填入相应的字母）A使重物的质量越大越好，但悬挂时不能拉断纸带B选用电火花计时器比电磁打点计时器更好，可减小阻力的影响C测长度时保持纸带悬挂状态，刻度尺的读数更准确D纸带越长越好【答案】D AB 【解析】【分析】【详解】(1)1该实验是验证机械能守恒定律的实验因为我们知道自由落体运动只受重力，机械能就守恒，如果把重物看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证呢其中ABC三项都是运用了自由落体的运动规律求解的，故D正确；故选D。(2)2A使用重锤的质量尽可能大些，但悬挂时不能拉断纸带，从而尽量减小阻力，故A正确；B选用电火花计时器比电磁打点计时器更好，可减小阻力影响，故B正确；C测长度时保持纸带悬挂状态，刻度尺的读数会不准确，增大实验误差，故C错误；D纸带长短与减小实验误差没有关系，故D错误。故选AB。7（8分）在用落体法验证机械能守恒定律的实验中：（1）所用重物质量m10 kg，打点计时器所用电源频率为50 Hz，打下的纸带如图所示（图中的数据为从起始点O到该点的距离），则在打B点时，重物的速度vB_ m/s，重物的动能EkB_ J，从开始下落到打B点时，重物的重力势能减少量是_ J（g取98 m/s2,结果保留两位有效数字）（2）根据纸带算出各点的速度v，量出下落距离h，则以v2为纵轴，以h为横轴，画出的图线应是下图中的（_）【答案】0.79 0.31 0.32 C 【解析】【分析】【详解】试题分析：（1）根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出B点的瞬时速度，则则重锤的动能重力势能的减小量（2）根据机械能守恒定律得，解得，知与成正比故C正确，A、B、D错误考点：验证机械能守恒定律名师点睛：运用运动学公式和动能、重力势能的定义式解决问题是该实验的常规问题要注意单位的换算和有效数字的保留8（6分）如图所示的装置可用来验证机械能守恒定律，摆锤A拴在长为L的轻绳一端，轻绳另一端固定在O点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起，使绳与竖直方向成角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P的阻挡而停止运动，之后铁块将飞离摆锤做平抛运动(1)为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度为了求出这一速度，还应测量的物理量有_(2)用测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v_(3)用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为_【答案】遇到挡板之后铁片的水平位移s和坚直下落高度h 【解析】【分析】【详解】铁片在最低点飞出时做平抛运动,平抛的初速度即为铁片在最低点的速度,根据平抛运动规律可以知道因此要想求出平抛的初速度,应该测量遇到挡板后铁片的水平位移x和竖直下落高度h.根据铁片做平抛运动有: 联立得出:下落到最低点过程中,摆锤重力势能的减小量等于其重力做功,因此有: 动能的增量为: ，根据得机械能守恒的关系式为 9（8分）用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。弧形轨道末端水平，离地面的高度为H。将钢球从轨道的不同高度h处由静止释放，钢球的落地点距上轨道末端的水平距离为x。(1)若轨道光滑，与h的理论关系应满足_（用H、h表示）。(2)该同学经实验测量得到一组数据，如下表。2.003.004.005.006.002.623.895.206.537.78请在坐标纸上作出关系图线。（_）(3)对比实验结果与理论计算得到的关系图线（图中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率_（选填“小于”或“大于”）理论值。(4)从关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是_。【答案】4Hh 小于 钢球与轨道间有摩擦、钢球转动、空气阻力等 【解析】【分析】【详解】(1)1钢球沿光滑轨道滑至桌面时的速度为，由机械能守恒定律得故有钢球从桌面飞出后做平抛运动，设运动时间为t，则有，综合以上各式可得即有(2)2根据表中的数据描点所作的图象如图所示(3)3对比实验结果与理论计算得到的x2-h关系图线中发现：自同一高度静止释放的钢球，也就是h为某一具体数值时，理论的x2数值大于实验的x2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(4)4由于客观上，轨道与小球间存在摩擦，机械能减小，因此会导致实际值比理论值小小球的转动也需要能量维持，而机械能守恒中没有考虑重力势能转化成转动能的这一部分，也会导致实际速率明显小于“理论”速率。10（10分）用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，若按正确的实验步骤进行，并选出如图乙所示的纸带，回答下列问题：(1)纸带的_（选填“左”或“右”）端与重物相连。(2)下面列举了该实验的几个操作步骤（示意图如图甲所示）：A按照图示的装置安装器件；B将打点计时器接到电源的交流输出端上；C用天平测量出重物的质量；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测量纸带上打出的某些点之间的距离；F根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。指出其中没有必要进行的和操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并改正不恰当的步骤：没有必要进行的步骤是_，理由是_，操作不恰当的步骤是_，改正为_。【答案】左 C 在验证机械能守恒时，左右两边式子均有质量m，可以约去，没有必要用天平测重物的质量 D 应先接通电源，待打点稳定后再释放纸带 【解析】【分析】【详解】(1)1物体做加速运动，由纸带可知，纸带上所打点之间的距离越来越大，这说明物体与纸带的左端相连(2)2没有必要进行的步骤是：C；理由是：在验证机械能守恒时，左右两边式子均有质量m，可以约去，没有必要用天平测物体的质量3操作不恰当的步骤是D；改正为：先接通电源，待打点稳定后再释放纸带11（14分）某同学利用下图装置来做“验证机械能守恒定律”实验(1)现有器材：打点计时器、学生电源、铁架台（包括铁夹）、纸带、附夹子的重锤、刻度尺、秒表、导线若干和开关，其中此实验不需要使用的器材是_.(2)打点计时器使用_电源（填“交流”，“直流”）.(3)使用打点计时器方法正确的是_.A同时接通打点计时器的电源和释放重物B先接通打点计时器的电源再释放重物C先释放重物再接通打点计时器的电源(4)若实验中所用重锤的质量m=0.3kg，打点计时器所用电源的频率为50Hz，正确操作得到的纸带如图乙所示，O点对应重锤开始下落的时刻，另选连续的三个计时点A、B、C作为测量的点，图中的数据分别为计数点A、B、C到起始点O的距离，取重力加速度g=9.8m/s2，则打点计时器在打B点时，重锤的速度大小是_m/s，从初始位置O到打下计数点B的过程中，重锤的重力势能的减少量为_J（结果都保留两位有效数字）(5)在数据处理中，该同学发现物体重力势能的减少量Ep总是_（选填“大于”“等于”或“小于”）物体动能的增加量Ek，主要原因是 _(填选项前的字母)A选用的重锤质量过大B没用天平称重物质量C空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力【答案】秒表 交流 B 3.0 1.4 大于 C 【解析】【分析】【详解】(1)此实验用打点计时器，则不需要使用秒表.(2)打点计时器使用交流电源.(3)使用打点计时器时，要先接通打点计时器的电源再释放重物，故选B.(4)B点的瞬时速度为：，从初始位置O到打下计数点B的过程中，重锤的重力势能的减少量为：Ep=mgh=0.39.80.470J1.4J(5)实验中由于空气对重锤阻力和打点计时器对纸带的阻力影响，得出重力势能的减小量总是大于动能的增加量故选C12（4分）某同学设计出如图所示的实验装置来“验证机械能守恒定律”，让小球从A点自由下落，下落过程中经过A点正下方的光电门B时，光电计时器记录下小球通过光电门时间t，当地的重力加速度为 g。（1）为了验证机械能守恒定律，该实验还需要测量下列哪些物理量_。A小球的质量m BAB之间的距离HC小球从A到B的下落时间tAB D小球的直径d（2）小球通过光电门时的瞬时速度v =_(用题中所给的物理量表示)。（3）调整