验证机械能守恒定律（原卷版）-2024年高考物理一轮综合复习导学练

2024年高考物理一轮大单元综合复习导学练

专题35验证机械能守恒定律

导练目标导练内容

目标1教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理

目标2新高考的改进创新实验

【知识导学与典例导练】

一、教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理

误差分析：

1.减小测量误差:一是测下落距离时都从o点量起，依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，故动能的增加量必定稍小于重力势能的

减少量A£p=%g〃”,改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。

注意事项：

L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、体积小、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.测长度，算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用“产巧皿，不能用以产商鼠或为=卬来计算。

【例11某学习小组利用如图所示的装置做"验证机械能守恒定律"的实验。

伸纸带夹

,限位孔

一振针

、复写纸

（1）在本实验中，还需要用到的实验器材有O

A.刻度尺B.低压交流电源C.低压直流电源D.天平

（2）实验中，先接通电源，再释放重锤，得到下图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点/、

B、C,测得它们到起始点。的距离分别为幻、4、%。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为

T,重锤的质量为根。从打。点到打2点的过程中，重锤重力势能的减少量_________,重锤动能的增加量

是,若在误差允许的范围内，重锤的重力势能减少量与动能增加量近似相等，则可验证机械能守恒。

（用上述测量量和已知量的符号表示）

号表示）jv2

（3）有同学在纸带上选取多个计数点，分别测量它们到起始点。的距离为肌并计算出各计数点对应的速

度V,画出丫2一〃图像。若阻力作用不可忽略且大小不变，已知当地重力加速度为g,则画出的图像应为图

中的图线（选填或"3"）,其斜率2g（选填"小于""大于"或"等于"）。

1.单物体光电门法

［例2］用图示装置验证机械能守恒定律。实验前调整光电门位置使直径为d的小球下落过程中球心通过光

电门中的激光束。实验中通过断开电磁铁开关使小球从N点下落，经过8点处的光电门，记录挡光时间加，

测出小球在间下落的距离人竖直移动光电门，改变光电门的高度，重复上述步骤，测得多组力及相应

的加，已知当地重力加速度为g。

Cl）小球通过光电门速度的表达式为V=

（选填"加"加〃"、_〃"）图象来验证机械能是否

（2）根据测量数据可描绘2_3

\t

守恒。若图象是过原点的倾斜直线，且直线斜率左=,可验证下落物体的机械能守恒。

（3）不更换小球，请你提出一种减小实验误差的方法:

2.系统光电门法

【例3】如图所示，某实验小组在实验室中利用水平气垫导轨和两个光电门计时器A和B验证质量为M的

滑块（含遮光条）和质量为加的钩码组成的系统机械能守恒。已知遮光条的宽度为％先后通过A、B光电

门的时间分别为△〃、△〃，光电门A、B之间的距离为s,滑块运动通过光电门B时，钩码未落地。（重力

加速度大小为g）

光电门**攵光电门

气曾轨飞］B滑譬空：田A

芟

3连气源

钩码

（1）实验中，下列实验器材不需要的是

A.天平B.刻度尺C.打点计时器D.秒表

（2）滑块先后通过A、B两个光电门时的瞬时速度大小分别为、o（用题中给定字母

表示）

（3）验证本系统机械能守恒的表达式为0（用题中给定字母表示）

（4）下列情况中可能增大实验误差的是

A.气垫导轨未调至完全水平

B.滑块质量M和钩码质量正不满足加<<M

C.遮光条宽度较大

D.两光电门间距过小

3.摆锤摆动验证法

【例4】某探究小组利用图示装置验证机械能守恒定律。如图所示，将拉力传感器固定在天花板上，不可伸

长细线一端连在拉力传感器上的。点，另一端系住可视为质点的钢球。开始钢球静止于最低位置，此时拉

力传感器示数为乙，将钢球拉至细线与竖直方向成。角处无初速释放，拉力传感器显示拉力的最大值为R

重力加速度为g，则

(2)该组同学将钢球拉至细线与竖直方向不同。角静止释放，记下拉力传感器最大示数R并作出《一cos。

图像，如果钢球的机械能守恒，下列图像合理的是

【综合提升专练】

1.在用打点计时器"验证机械能守恒定律"实验中

(1)纸带将被释放瞬间的四种情景如照片所示，其中最合适的是.

(2)若已知打点计时器的电源频率为50Hz,当地的重力加速度g=9.80m/s2,重物质量为0.2kg,实验中

得到一条点迹清晰的纸带如图所示，打尸点时，重物的速度为零，48、C为另外3个连续点，根据图中

的数据，可知重物由尸点运动到3点，重力势能少量△£「=Jo（计等结果保留3位有效数字）

单位:cm

7.06------------------►

（3）小明测量出打尸点到8点的时间4，再用自由落体运动公式"力计算出力,这种处理数据的方法

是的（选填"正确"、"错误"）

（4）若尸3的距离用力表示，打8点时重物的速度为力,当两者间的关系式满足时，说明下落过程

中重锤的机械能守恒（已知重力加速度为g,用〃、0、g表示）。

（5）实验中发现重物增加的动能总大于减少的重力势能，其主要原因可能是0

A.重物的质量过大B.重物的体积过小

C.先释放重物后通电打点了D.重物及纸带在下落时受到阻力

2.某小组利用图甲装置验证重物M和N组成的系统机械能守恒。M由静止释放，N拖着纸带打出一系列

的点，对点迹进行测量和数据处理，即可验证机械能守恒。实验中选取的一条纸带如图乙所示，。是打下

的第一个点，/、2、C为三个计数点，相邻两计数点间还有4个点未画出，各计数点到。点的距离如图乙

所示。已知M和N的质量分别为300g和100g,电源的频率为50Hz,重力加速度g=9.8m/s2。请回答下列

问题：

甲乙

（1）实验过程中，下列操作正确的是;

A.应先松开M,再接通打点计时器电源

B.打点结束后先将纸带取下，再关闭打点计时器电源

C.固定打点计时器，应将N与打点计时器的距离尽量远一些

D.开始时纸带应尽量竖直下垂并与系N的细线在同一竖直线上

（2）打下计数点8时，重物的速度大小为m/s；

（3）在。到2的过程中系统动能的增加量为J,系统重力势能的减少量为Jo（计算结果均保

留三位小数）；

（4）由此得出的实验结论是=

3.用如图甲数字化机械能守恒实验器验证机械能守恒定律。N为内置了光电门的摆锤，通过轻质杆悬挂于

转轴。处，仪器上嵌有10个相同的圆柱体。当摆锤通过某个圆柱体时，光电门能测出其通过该圆柱体所用

的时间（即圆柱体遮光的时间）。将轻杆拉至水平，由静止开始释放摆锤，记录摆锤通过①〜⑩圆柱体所

用的时间乙分别为乙、马……九。用左侧刻度尺测出①~⑩圆柱体与摆锤释放点间的高度差〃，分别为九、

%……如。重力加速度为g。

（1）该实验是否需要测量摆锤的质量__________;（选填"是"或"否"）

（2）用游标卡尺测量圆柱体的直径d如图乙，读数为cm；

（3）若有关系式（用题中所给字母表示）成立，则可验证摆锤从②运动到⑧的过程机械能守

恒;

（4）由实验数据’通过描点作出了如图丙所示的线性图像’图像的纵坐标应为-----------（选填;、/或

上。如果不考虑实验误差，该图像的斜率应该是-----------。（用题中所给字母表示）

4.如图甲所示的实验装置可用来验证机械能守恒定律。轻杆两端固定两个大小相同但质量不等的小球P、

Q,杆的正中央有一光滑的水平转轴。，使得杆能在竖直面内自由转动。。点正下方有一光电门，小球球心

通过轨迹最低点时，恰好通过光电门，已知重力加速度为g。

o

PO]Q

图甲

CD用游标卡尺测得小球的直径如图乙所示，则小球的直径如cm。

（2）P、Q从水平位置静止释放，当小球P通过最低点时，与光电门连接的数字计时器显示的挡光时间为

△t,则小球P经过最低点时的速度v=（用字母表示）。

（3）若两小球P、Q球心间的距离为小球P的质量为跖小球Q质量为当满足关系式时,

就验证了机械能守恒定律（所有物理量用题中字母表示）。

5.某实验小组做"验证机械能守恒定律"的实验装置如图所示，图中A为铁架台，B、C是用细线连接的两个

物块，D为固定在物块C上的细遮光条（质量可忽略不计），E为固定在铁架台上的轻质定滑轮，F为光电

门，实验步骤如下：

E

o

7kc

h

白

B

A

①用游标卡尺测得遮光条的宽度为d,用天平分别称出物块B、C的质量分别为气和冽c，用跨过定滑轮的

细线连接物块B和C；

②在铁架台上标记一位置。，并测得该位置与光电门之间的高度差h；

③将物块C从位置。由静止释放，C加速下降，B加速上升；

④记录遮光条D通过光电门的时间to

依据以上步骤，回答以下问题：

（1）实验器材中，遮光条的宽度应该选择较（选填"宽"或"窄"）的；该实验的研究对象是（选

填或"B、C组成的系统”）；

（2）从物块C由静止释放到其经过光电门的过程中，研究对象的动能增加量/=,研究对象的重

力势能减少量际=;在误差范围内，若上述物理量相等，则证明机械能守恒。（均用实验中测量的

物理量符号表示，重力加速度为g）

6.利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图1所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上

/点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳和一质量为根的小

球相连，遮光片两条长边与导轨垂直，导轨上8点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间/,

用d表示/点到光电门2处的距离，6表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过3

点时的瞬时速度，实验时滑块在N处由静止开始运动。

（1）用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图2所示，其读数为cm。

（2）某次实验测得倾角0=30。，重力加速度用g表示，滑块从/处到达3处时机和M组成的系统动能增

加量可表示为珥=，系统的重力势能减少量可表示为第=o（用题中字母〃、小、b、t、g、

d表示）

（3）在上次实验中，某同学改变/、2间的距离，作出的丫2一”图像如图3所示，并测得M=加，则重力

加速度g=m/s2o

7.现利用如图所示装置验证机械能守恒定律。图中/、3是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30。，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1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00x10-2$、2.00x10-25。已知滑块质量为2.00kg,

滑块的长度为0.05m,光电门1和2之间的距离为0.54m,g取9.80m/s2,取滑块经过光电门时的速度为其

平均速度。

（1）滑块经过光电门1时的速度v/=m/s,经过光电门2时的速度V2=m/So

（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Jo

（3）如果小滤=,则可认为验证了机械能守恒定律。

8.某实验小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律，在动滑轮的下方悬挂重物A、定滑轮的下方悬挂

重物B,重物B上固定一遮光条，遮光条的宽度为d,已知重物B与遮光条的质量是重物A的2倍，悬挂滑

轮的轻质细线始终保持竖直，滑轮的质量忽略不计。

A白雷

（1）开始时，绳绷直，重物A、B处于静止状态。释放后，A、B开始运动，测出遮光条通过光电门的时间

t,则重物B经过光电门时的速度为％=，此时重物A的速度为（用题中所给的字母

表示）。

（2）测得开始释放时遮光条中心到光电门中心之间的高度为h,测得遮光时间为fo如果系统的机械能守恒,

应满足的关系式为g/?=（已知当地重力加速度大小为g,用实验中所测得的物理量的字母表示）。

9.黄卓华老师和他的学生们利用传感器设计"验证机械能守恒定律”实验；如图，将质量为m、直径为d的

金属小球由静止释放，小球正下方固定一台红外线计时器，能自动记录小球挡住红外线的时间K测出小球

释放点至计时器的高度〃；改变小球下落高度/?,进行多次重复实验。此方案验证机械能守恒定律方便快捷。

小球的质量m和直径d已测定。

金属球O

Ii1

：h

।

।

________।________

发射器卜不;土-„攵器

红外线1时需显示器

（1）要验证机械能守恒定律，只要比较:

A.f与g〃是否相等B.。与2g〃是否相等

C.9与g〃是否相等D.《与2g〃是否相等

（2）为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，应作下列哪一个图像、

A."一图像B.1图像

t

C./