2022年物理第一轮复习题库实验五　验证机械能守恒定律

卖睑五睑证机械能守恒定律

实舱基础椅班紧抓教材落实基础

通过实验,求出做自由落体运动物体的柬力势能的

~上实验原理）一减少量和相应过程动能的增加量,若二者相等，说明

机械能守恒,从而验证机械能守恒定律

―卜实验目的］-验证机械能守恒定律

—「实验器材而打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、

1---------厂铁架台（附夹子）、导线

①安装仪器

②将纸带固定在重物上.i上纸带穿过打点计时

器限位孔

③用手提着纸带,让重物靠近打点计时器并处

—「实验步骤］—于睁止状态.然后接通电源.松开纸带,让重

物自由落下,纸带上打下一系列小点

④从儿条打下点的纸带中挑选出点迹清楚的纸

带进行测量

⑤在起始点标上。・在以后各点依次标上I、2、

3….用刻度尺测出对应下落高度儿、鱼、儿…

计算速度若

2T

―卜数据处理）方案一:利用起点和第〃点：验证出=f广

方案二:任取较远两点A、B：验证疑、产十唁-』用：

方案三:图象法，描绘出;图线

—,实验结论）—在误差允许的范围内.自由落体过程机械能守恒

误差分析

1.减小测量误差：一是测下落距离时都从。点量起，一次将各打点对应下落高度

测量完，二是多测几次取平均值。

2.误差来源：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量△反

=3加瑶必定稍小于重力势能的减少量AEp=〃吆/?”，改进办法是调整器材的安装，

尽可能地减小阻力。

注意事项

1.打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直

平面内以减少摩擦阻力。

2.重物密度要大：重物应选用质量大、密度大的材料。

3.一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。

4.纸带选择：纸带要选打点清晰，且1、2两点距离接近2mm的纸带，以确保物

体做自由落体运动。

5.测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用为=如界=，不能用

也法或2=gf来计算。

实嬲热点突破实验热点各个击破

热点一实验原理与实验操作

[例1](1)(2019.江苏省海安高级中学月考)图1甲中游标卡尺读数为

cm,图乙中螺旋测微器读数为mm。

图1

(2)利用图2所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开

始自由下落到某点时的瞬时速度。和下落高度人某班同学利用实验得到的纸带，

设计了以下的四种测量方案:

A.用刻度尺测出物体下落的高度力，并测出下落时间r,通过。=gf计算出瞬时速

度。

B.用刻度尺测出物体下落的高度h,并通过。=，域计算出瞬时速度。

C.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0,并通过/?=云计算出高度0

D.用刻度尺测出物体下落的高度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0

以上方案中只有一种正确，正确的是o（填入相应的字母）

在实验中，某同学根据实验测得的数据，通过计算发现，重锤在下落过程中，重

锤动能的增加量略大于重锤势能的减少量，若实验测量与计算均无错误，则出现

这一问题的原因可能是O

A.重锤的质量偏大

B.交流电源的电压偏高

C.交流电源的频率小于50Hz

D.重锤下落时受到的阻力过大

解析（1）游标卡尺读数为

L=6mm+11mm=6.55mm=0.655cmo

螺旋测微器的读数为

d=8.5mm+30.0X0.01mm=8.800mm。

（2）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，

机械能守恒。如果把重物的实际运动看成自由落体运动，再运用自由落体的规律

求解速度，那么就不需要验证了。其中A、B、C三项都是运用了自由落体的运

动规律求解的，故选项A、B、C错误；D是运用匀变速直线运动规律求解的，

所以正确的是选项Do

根据可知，测量结果与重锤质量机无关，选项A错误；由。=包票可

知，测量结果与电压U无关，所以选项B错误；由AEkuTm",其中。=吗£=

（汨所以若实际交流电源的频率小于50Hz,而将产50Hz代入上式求

出的速度要大于实际速度，从而导致△取＞叫心所以选项C正确；根据能量守恒

定律可知，若重锤下落时受到的阻力过大，则重锤动能的增加量应小于重力势能

的减少量，选项D错误。

答案(1)0.6558.800(2)DC

热点二数据处理与分析

[例2](2018・石榴高中月考)某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中,

提出了如图3所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行实验，乙方

案为用小车在斜面上下滑进行实验。

打点

汁时器卜纸带

夹子n小打点计时器

聿锤

9.47—

—12.40

23.49

丙

戊

图3

(1)组内同学对两种方案进行了深入的讨论分析，最终确定了一个大家认为误差相

对较小的方案，你认为该小组选择的方案是，理由是

(2)若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图丙所示，相邻两点之间的时间间

隔为0.02s,请根据纸带计算出8点的速度大小为m/so(结果保留3位

有效数字)

(3)该小组内同学们根据纸带算出了相应点的速度，作出v2-h图线如图戊所示，

请根据图线计算出当地的重力加速度g=m/s2o(结果保留2位有效数字)

(4)采用甲方案时得到的一条纸带如图丁所示，现选取N点来验证机械能守恒定律。

下面是几位同学分别用不同方法计算N点的速度，其中正确的是.

A.0N=g〃TB?z=g(〃—1)T

C.ON-~27、DT

解析(2)匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度

12.40cm—6.93cm

大小,因此有===1.37m/So

VB~^2X0.02s

(3)由机械能守恒机g/i=/w2得02=2g〃，由此可知：图象的斜率女=2g,由此可

以求出当地的重力加速度，由题图可知，当/?=20cm时，V2=3.88m2/s2,所以女

="/T=;oTm/s2=19.4m/s2,所以g=9.7m/s2。

答案(1)甲采用乙方案时，由于小车与斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，

所以小车在下滑的过程中机械能不守恒⑵1.37(3)9.7(4)CD

热点三实验的改进与创新

1.实验器材的创新

(1)利用细线系住钢球来验证机械能守恒定律。

⑵利用光电门测钢球经过光电门的速度。

2.实验原理的创新

小球重力势能的减少量等于小球下摆过程中动能的增加量。

3.误差分析与实验改进

因空气阻力做负功，导致AEkVAEp,所以改进方案应从修正钢球速度大小的角度

来设计。

4.本实验还可以从以下两个方面创新

(1)利用气垫导轨验证。

(2)利用牛顿管和频闪照相进行验证。

【例3】(2016•江苏单科，11)某同学用如图4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度为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f可由计时器测出，取。=力乍为钢球经过A

点时的速度。记录钢球每次下落的高度h和计时器示数/,计算并比较钢球在释

放点和A点之间的势能变化大小与动能变化大小△叫,就能验证机械能是否

守恒。

图4

(l)AEp=mg/2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

⑵用AEk=5w2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

5所示，其读数为cm。某次测量中，计时器的示数为0.0100s,则钢球

的速度为v=m/so

(3)下表为该同学的实验结果:

-2

A£p(X10J)4.8929.78614.6919.5929.38

△Ek(X10-2j)5.0410.115.120.029.8

他发现表中的公稣与△及之间存在差异，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。

解析(1)钢球下落高度〃，应测量释放时球心到钢球在A点时的球心之间的竖直

距离，故选B。

(2)遮光条的宽度1.50cm,钢球的速度u=~=1.50m/so

(3)不同意，因为空气阻力会造成小于八斗，但表中△成大于公心。

(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和/,计算AEk时，将0折算成钢球的

速度

答案(1)B⑵1.501.50(3)不同意理由见解析

(4)见解析

I当堂见固达标|跟踪演练强化提升

在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50Hz,重力

加速度为g,依次打出的点为0,1,2,3,4…〃。则：

图6

⑴如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为

、、，必须计算出的

物理量为、,验证的表达式为

(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是(填写步骤前面的字母)。

A.将打点计时器竖直安装在铁架台上

B.接通电源，再松开纸带，让重物自由下落

C.取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验

D.将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带

E.选择打点清晰，1、2两点距离接近2mm的一条纸带，用刻度尺测出物体下落

的高度也，hl,饱…力”计算出对应的瞬时速度。1，。2,…％

F.分别算出品若和mgh”,在实验误差范围内看是否相等

解析(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒,

应测出第2点到第6点的距离后6,要计算第2点和第6点的速度s和。6,必须

测出第1点到第3点之间的距离加3和第5点到第7点之间的距离力57,机械能守

恒的表达式为mghie=0

(2)实验操作顺序为ADBCEFo

答案(1)第2点到第6点之间的距离后6

第1点到第3点之间的距离加3

第5点到第7点之间的距离的7

第2点的瞬时速度3第6点的瞬时速度06

mg1126=(2)ADBCEF

探后知能演铜课后演练提升技能

(时间：30分钟)

1.(2018・江苏宿迁模拟)某同学用如图1所示装置验证机械能守恒定律时，所用交

流电源的频率为50Hz,得到如图2所示的纸带。选取纸带上打出的连续五个点A、

B、GD、E,测出A点距起点。的距离为so=19.00cm,点A、C间的距离为

si=8.36cm,点C、E间的距离为$2=9.88cm,9.8m/s2,测得重物的质量为

m=1kgo

(1)下列做法正确的有o

A.图1中两限位孔必须在同一竖直线上

B.实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直

C.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源

D.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置

(2)选取0、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是

J,打下C点时重物的速度大小是m/so(结果保留3位有效

数字)

图2

(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度量出下落距离s,则以爹为纵坐标、以

s为横坐标画出的图象应是下面的。

(4)重物减少的重力势能总是略大于增加的动能，产生这一现象的原因是

__________________-(写出一条即可)

解析(1)题图中两限位孔必须在同一竖直线上，实验前手应提住纸带上端，并

使纸带竖直，这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦，选项A、B正确；实

验时，应先接通打点计时器的电源再放开纸带，选项C错误；数据处理时，应选

择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，以减小长度的测量误差，选项D错误。

(2)重物减少的重力势能为△Ep=mg(so+si)=2.68J,由于重物下落时做匀变速直

线运动，根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的

平均速度可知，打下C点时重物的速度为三=2.28m/s。

(3)物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出mgs=^mv2,即gs=^v2,所以，一

s图线应是一条过原点的倾斜直线，选项C正确。

(4)在实验过程中，纸带与打点计时器之间的阻力、空气阻力是存在的，克服阻

力做功损失了部分机械能，因此实验中重物减小的重力势能总是略大于增加的动

能。

答案(1)AB(2)2.682.28(3)C(4)重物受到空气阻力(或纸带与打点计时

器限位孔之间存在阻力)

2.(2017.南京、盐城一模)在用“落体法”做“验证机械能守恒定律”的实验时。

小明选择一条较为满意的纸带，如图3甲所示。他舍弃前面密集的点，以。为起

点，从A点开始选取纸带上连续点A、B、C、…，测出。到A、B、C、…的距

离分别为例、力2、生、…。电源的频率为人

图3

(1)为减少阻力对实验的影响，下列操作可行的是

A.选用铁质重锤

B.安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上

C.释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直

D.重锤下落中手始终提住纸带上端，保持纸带竖直

(2)JTB点时，重锤的速度vB为o

(3)小明用实验测得数据画出的"一万图象如图乙所示。图线不过坐标原点的原因

是O

(4)另有四位同学在图乙的基础上，画出没有阻力时的"一〃图线，并与其比较，

其中正确的是O

CD

解析（1）重锤的密度要大，体积要小，选项A正确；两限位孔在同一竖直线上和

手提纸带上端使纸带竖直，都可以减小纸带与打点计时器间的摩擦，选项B、C

正确；手始终提着纸带，纸带就不是落体运动，选项D错误。

⑵重锤做匀变速直线运动，某段时间内中间时刻的速度等于这一段的平均速度，

,h3-h]（心一九）f

有加=-2J--=2°

（3）纸带中的。点不是纸带上第一个点，打。点时重锤的速度不为零。

（4）有无阻力时，打。点时重锤的速度都不为零，选项A、C错误；无阻力时的打

0点时的速度大于有阻力时打0点时的速度，选项B正确，D错误。

答案（l）ABC⑵（生丁1（3）打。点时重锤速度不为零（4）B

3.（2019•南京市、盐城市高三年级第二次模拟）某实验小组利用如图4甲所示的装

置来验证机械能守恒定律。在铁架台的顶端有一电磁铁，正下方某位置固定一光

电门，电磁铁吸住直径为d的小铁球，此时球心与光电门的竖直距离为/?。断开

电源，小球下落，通过光电门的挡光时间为f。请回答下列问题：

⑴用游标卡尺测得d的长度如图乙所示（部分放大如图丙），则该示数为

________cm。

⑵该实验需要验证的表达式为___________（用题中字母表示，设重力加速度为

g）。

⑶在实验过程中，多次改变/Z,重复实验，这样做可以o

A.减小偶然误差

B.减小系统误差

C.使实验结论更具有普遍性

（4）小组内某同学提出，用高为d的铁质小圆柱体代替小铁球可提高实验的准确性,

其理由是_____________________________________________________________

解析(1)用游标卡尺测得△的长度为：O.5cm+13XO.O5mm=0.565cm。

(2)小球到达光电门时的速度0=§；则要验证的关系是町班=品"，即g/?=5。

(3)在实验过程中，多次改变加重复实验，这样做不能减小偶然误差和系统误差，

但可以使实验结论更具有普遍性，故选C。

(4)小铁球经过光电门的挡光长度不一定是小球的直径，圆柱体挡光长度就是柱体

高度，所以用高为d的铁质小圆柱体代替小铁球可提高实验的准确性。

答案(1)0.565(2)g〃=声(3)C(4)小铁球经过光电门的挡光长度不一定是小

球的直径，圆柱体挡光长度就是柱体高度

4.(2019.江苏省南通市高三第一次模拟考试)某探究小组验证机械能守恒定律的装

置如图5所示，细线端拴一个球，另一端连接力传感器，固定在天花板上，传感

器可记录球在摆动过程中细线拉力大小，用量角器量出释放球时细线与竖直方向

的夹角，用天平测出球的质量为〃重力加速度为g。

图5

(1)用游标卡尺测出小球直径如图6所示，读数为mm；

1234

()]()2()

图6

(2)将球拉至图示位置，细线与竖直方向夹角为仇静止释放球，发现细线拉力在

球摆动过程中作周期性变化。为求出球在最低点的速度大小，应读取拉力的

(选填“最大值”或“最小值”)，其值为凡

(3)球从静止释放运动到最低点过程中，满足机械能守恒的关系式为(用测

定物理量的符号表示)。

(4)关于该实验，下列说法中正确的有o

A.细线要选择伸缩性小的

B.球尽量选择密度大的

C.不必测出球的质量和细线的长度

D.可以直接用弹簧测力计代替力传感器进行实验

解析(1)游标卡尺的读数为1.8cm+10X0.05mm=18.50mm。

2

(2)小球在最低点由牛顿第二定律可得不，由此可知，应读出小球在最

低点时绳的拉力即最大值。

(3)由机械能守恒定律可得

1,1

/7?gL(l—cos。)=/加。仁手/7一机g)L,

整理得2mg(1—cos0)=F-mgo

(4)为了减小小球做圆周运动的半径的变化，所以细线要选择伸缩性小的，故A项

正确；为了减小阻力的影响，球尽量选择密度大的，体积小的，故B项正确；球

从静止释放运动到最低点过程中，满足机械能守恒的关系式为2mg(l—cose)=F

一机g可知，应测出小球的质量，而不用测出细线的长度，故C项错误；小球摆

动过程中，球到悬点的距离应保持不变，改用弹簧测力计测力时，弹簧受力引起

长度变化，从而改变了小球到悬点的距离，故D项错误。

答案(1)18.50(2)最大值(3)2机g(l-cose)=F—mg(4)AB

5.(2018.南通市三模)用图7甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。气垫导轨上A

处安装了一个光电门，滑块上固定一遮光条，滑块用绕过气垫导轨左端定滑轮的

细线与钩码相连，每次滑块都从同一位置由静止释放，释放时遮光条位于气垫导

轨上8位置的上方。

甲乙

图7

(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度比如图乙所示，则4=mm。

(2)实验中，接通气源，滑块由静止释放后，由数字计时器读出遮光条通过光电门

的时间为h测得滑块质量为M,钩码质量为加，A、8间的距离为L在实验误

差允许范围内，钩码减小的重力势能mgL与(用直接测量的物理量符号

表示)相等，则机械能守恒。

(3)下列不必攀的一项实验要求是(请填写选项前对应的字母)。

A.滑块必须由静止释放

B.应使滑块的质量远大于钩码的质量

C.已知当地重力加速度

D.应使细线与气垫导轨平行

(4)分析实验数据后发现，系统增加的动能明显大于钩码减小的重力势能，原因是

解析(1)游标卡尺读数为2.0mm+0.05X14mm=2.70mm。

(2)滑块由静止释放，初速度为零，末速度为。=§,若机械能守恒，则减小的重力