实验：验证机械能守恒定律 提优练习 高中物理新人教版必修第二册（2022-2023学年）

8.5实验：验证机械能守恒定律（提优练）重点题型落脚点限时：25min【1】实验步骤和数据处理【2】实验误差分析与注意事项1.（2021江西九江）某同学用如图甲所示的装置，利用重物自由下落来验证机械能守恒定律．（1）该实验中，下列做法正确的是_______．A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.应先释放重物后接通电源C.两限位孔在同一竖直面内上下正对D.可以由公式v=gt求打某点时纸带的速度（2）实验中得到的一条点迹清晰的纸带如图乙所示，若把第一个点记做O，另选连续的三个点A、B、C作为测量点，测得A、B、C到O的距离分别为71.18cm、78.76cm、86.76cm．所用重物的质量为1.00kg．打点计时器所用交流电的频率为50Hz．g取10m/s2．①.乙图中，纸带的______（填“左”或“右”）端与重物相连；②.根据以上数据，可知重物由O点运动到B点，重力势能的减少量为______J，动能的增加量为______J．（计算结果保留三位有效数字）【答案】①.AC②.左③.7.88④.7.59【解析】第一空、为了减小阻力的影响，重物应选用质量大、体积小、密度大的材料，A正确；实验时应先接通电源后释放重物，B错误；两限位孔在同一竖直面内上下正对，避免纸带与限位孔摩擦，减小误差，C正确；实验时不能根据v=gt求解瞬时速度，否则默认机械能守恒，失去验证的意义，D错误。第二空、重物做加速运动，所以打点间距逐渐变大，左端和重物相连。第三空、重力势能减小量。第四空、打B点重物的瞬时速度，则动能增加量。2.（2021甘肃兰州）在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50Hz，当地重力加速度的值为9.80m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg。（1）甲、乙、丙三学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18cm、0.19cm和0.25cm。可见其中肯定有一位学生在操作上有错误，该同学是：___________。若按实验要求正确地选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点的距离如图所示（相邻计数点时间间隔为0.02s），那么：（2）纸带的___________端与重物相连；（3）打点计时器打下计数点B时，物体的速度vB=___________；（4）从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减少量是ΔEp=___________，此过程中物体动能的增加量ΔEk=___________（取g=9.8m/s2）；（5）通过计算，数值上ΔEp___________ΔEk（填“>”“=”或“＜”）这是因为___________；（6）实验的结论是___________。【答案】①.丙②.左③.0.98m/s④.0.49J⑤.0.48J⑥.>⑦.实验中有阻力做负功⑧.在实验误差允许范围内，机械能守恒【解析】(1)从静止释放重物，纸带上第1、2两点间的距离为，丙同学的数据为0.25cm，偏差较大，故丙同学操作上一定有错误。(2)重物加速下降，相同时间内纸带点距增大，故左端与重物相连。(3)打点计时器打下计数点B时，物体的速度为，(4)从起点O到打下计数点B的过程中重力势能减少量是ΔEp=，此过程中物体动能的增加量ΔEk=，(5)通过计算，数值上ΔEp>ΔEk，这因为实验中有阻力做负功。(6)实验的结论是在实验误差允许范围内，机械能守恒。3.（2021江苏扬州）在进行“验证机械能守恒定律”实验中：甲、乙两实验小组同学分别采用了如图（1）和（2）所示的装置，采用两种不同的实验方案进行实验。（1）比较两种实验方案，你认为______组（选填“甲”或“乙”）同学采用的实验方案误差更小；（2）甲组同学采用了图（1）所示的方案，释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是______（填“甲”、“乙”、“丙”或“丁”）；（3）甲组同学采用合理的方式完成实验，选出一条纸带如下图所示，其中O点为起始点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50Hz交流电，在计数点A和B之间、B和C之间还各有四个点未画出，重物的质量为1.0kg，g取9.8m/s2。根据以上数据，打B点时重物的重力势能比开始下落时减少了______J，这时它的动能是______J。（计算结果保留三位有效数字）（4）乙组同学采用图（2）所示的方案完成实验，选出一条纸带如下图所示，其中O点为起始点，A、B、C三个计数点到O点的距离分别为h1、h2、h3，打点计时器打点周期为T，重物质量如图所示，m1大于m2，重力加速度为g。若通过纸带验证OB过程系统机械能守恒，其表达式为______。【答案】①.甲②.丙③.④.⑤.【解析】（1）甲方案更合理，因为在乙图中还受到细线与滑轮之间的阻力影响。（2）为了减小实验误差，释放前必须保持提起纸带处于竖直位置，手提纸带的一端，并且使重物靠近打点计时器，故合理的位置因为丙图。（3）B点时重物的重力势能比开始下落时减少了，相邻两个计数点时间间隔，B点的速度，则B点的动能；（4）从O点到B点的过程中，重锤重力势能的减少量，到达B点时的速度，重物动能的增加量，当机械能守恒，即4.（2021重庆七校）某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律。频闪仪每隔0.05s闪光一次，如图所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如表。（当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量m=0.2kg，结果保留三位有效数字）时刻t2t3t4t5速度（m/s）4.994.483.98(1)由频闪照片上数据计算t5时刻小球的速度v5=_________m/s。(2)从t2到t5时间内，重力势能增加量ΔEp=______J，动能减少量ΔEk=______J。(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，即可验证机械能守恒定律。由上述计算得ΔEp<ΔEk，造成这种结果的主要原因是_______。【答案】①.3.48②.1.24③.1.28④.由于存在空气阻力【解析】(1)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此有，(2)根据重力做功与重力势能关系可得，在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此有，因此动能减小量为，(3)由于空气阻力的存在，导致动能减小量没有全部转化为重力势能。5.（2021广东五校）如图甲所示，某实验小组进行验证机械能守恒定律实验．正确实验操作后，得到了一条图乙所示的打点纸带，选取纸带上某个点标为0，然后每两个打点取一个计数点，分别标为1．2．3．4．5．6，分别测出与O点的距离为。

（1）实验时选用的重锤质量应该适当_______（选填“大”或“小”）些，体积应适当_______（选填“大”或“小”）些；（2）已知打点计时器的打点周期为T，可求出打各个计数点时对应的速度分别为，其中的计算式为_______；（3）若重锤的质量为m，重力加速度为g，取打下点O时刻重锤位置为重力势能的零势能点，分别算出各个计数点时刻对应重锤的势能和动能，计数点3时对应重锤的势能_______；（4）在坐标系中描点作出如图丙所示的和图线；求得图线斜率是，图线斜率绝对值是，在误差允许的范围内，、关系满足_______时可知重锤机械能守恒。（5）实验中由于打点计时器与纸带间的阻力、重锤受到的空气阻力的影响，将会导致（4）中______（选填“大于”、“等于”或“小于”）；【答案】①.大②.小③.④.⑤.⑥.小于【解析】（1）为了减小纸带阻力和空气阻力的影响，重锤质量应该适当大些，体积小一些，这样可以减少误差。（2）从图中可以看出《验证机械能守恒定律》实验装置采用的是重物的下落运动，可以认为是匀变速运动，求某点的速度利用中间时刻的速度与某段时间内的平均速度相同。故有，（3）打计数点3时刻在打计数点时刻的下方，所以（4）重物下落机械能守恒，减少的重力势能等于增加的动能，所以。（5）由于阻力的影响，重力势能减小量大于动能增加量，则k1<k2。6.（2021重庆四区）某研究小组用如题图甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”。（1）供实验选择的重物有以下四个，最优选择为_________。A．质量为10g的砝码B.质量为200g的木球C.质量为50g的塑料球D.质量为200g的铁球（2）实验时应将打点计时器接到_______电源（选“交流”或“直流”）。（3）根据题图乙所示纸带上的测量数据，可得出打B点时重物的速度为______m/s，根据（1）可知重物在B点的动能为Ek=_______J，已知O为初始速度为零的点，则OB重力势能的减少量为EP=______J。EP不完全等于Ek的原因是____________________。（均保留小数点后两位，g=10m/s2）（4）研究小组的同学反思所做的实验后发现误差较大，操作也不便，于是在老师的指导下利用如题图甲所示的DIS实验装置对验证机械能守恒定律实验进行改进。ⅰ如图乙所示，主要由光电门与轻质摆杆组成单摆绕O点转动，实验时，质量为m的光电门从M点由静止下摆，依次经过6个宽度为d的遮光片，光电门摆至左边海绵止动阀处被卡住不再回摆。已知摆长为L，当摆杆与竖直方向的夹角为（小于90°）时，光电门经过遮光片的时间为，以圆弧最低点N所在平面为参考面，则光电门的势能EP=________J，动能Ek=________J，然后对比不同遮光片处势能和动能之和是否相等。（选用字母m、L、、d、、g表示）ⅱ实验结束后，得到了如题表所示的实验数据，其中势能变化的图像应该是_______。（选A、B或者C）【答案】①.D②.交流③.3.90④.1.52⑤.1.57⑥.空气阻力和纸带与打点计时器的摩擦⑦.⑧.⑨.C【解析】(1)为了减小阻力的影响，重物选择质量大一些，体积小一些的，故选质量为200克的铁球。