高考物理复习专题验证机械能守恒定律.docx

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高考物理复习专题验证机械能守恒定律

专题25验证机械能守恒定律（测）

【满分：

110分时间：

90分钟】

实验题（共10小题，每题11分）

1．如图所示为利用自由落体“验证机械能守恒定律”的实验装置。

①安装好实验装置，正确进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图所示（其中一段纸带图中未画出）。

图中O点为打出的起始点，且速度为零。

选取在纸带上连续打出的点A、B、C、D、E、F、G作为计数点。

其中测出D、E、F点距起始点O的距离如图所示。

已知打点计时器打点周期为T=0.02s。

由此可计算出物体下落到E点时的瞬时速度vE=______m/s（结果保留三位有效数字）。

②若已知当地重力加速度为g，代入图3中所测的数据进行计算，并将

与进行比较（用题中所给字母表示），即可在误差范围内验证，从O点到E点的过程中机械能是否守恒。

③某同学进行数据处理时不慎将纸带前半部分损坏，找不到打出的起始点O了，如图所示。

于是他利用剩余的纸带进行如下的测量：

以A点为起点，测量各点到A点的距离h，计算出物体下落到各点的速度v，并作出v2-h图像。

图5中给出了a、b、c三条直线，他作出的图像应该是直线_________；由图像得出，A点到起始点O的距离为_________cm（结果保留三位有效数字）。

④某同学在家里做“验证机械能守恒定律”的实验，他设计的实验装置如图6所示，用细线的一端系住一个较重的小铁锁（可看成质点），另一端缠系在一支笔上，将笔放在水平桌面的边上，用较重的书压住。

将铁锁拉至与桌面等高处（细线拉直），然后自由释放。

在笔的正下方某合适位置放一小刀，铁锁经过时，细线立即被割断，铁锁继续向前运动，落在水平地面上。

测得水平桌面高度为h，笔到铁锁的距离为l，笔到铁锁落地的水平距离为s。

若满足s2=___________（用l、h表示），即可验证铁锁从释放至运动到笔的正下方的过程中机械能守恒。

【答案】①3.04②gh2③a10.0④4l（h-l）

【名师点睛】解决本题的关键掌握实验的原理，会通过原理确定测量的物理量．以及掌握纸带的处理，会通过纸带求解瞬时速度，某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出E点的瞬时速度。

2．为了验证机械能守恒定律，同学们设计了如图甲所示的实验装置：

（1）实验时，该同学进行了如下操作：

①将质量分别为M1和M2的重物A、B（A的含挡光片、B的含挂钩）用绳连接后，跨放在定滑轮上，处于静止状态，测量出_________（填“A的上表面”、“A的下表面”或“挡光片中心”）到光电门中心的竖直距离h．

如果系统（重物A、B）的机械能守恒，应满足的关系式为（已知重力加速度为g，经过光电门的时间为

，挡光片的宽度d以及M1和M2和h）．

（2）实验进行过程中，有同学对装置改进，如图乙所示，同时在B的下面挂上质量为m的钩码，让M1=M2=m,经过光电门的速度用v表示，距离用h表示，若机械能守恒，则有

.（已知重力加速度为g）

【答案】⑴①挡光片中心；②

；⑵

（2）若机械能守恒，则（2m-m）gh=

×3mv2，

解得：

【名师点睛】解决本题的关键知道实验的原理，知道误差产生的原因；明确验证机械能守恒定律的实验方法，根据系统机械能守恒，得出系统重力势能的减小量和系统动能的增加量，根据极短时间内的平均速度表示瞬时速度求出系统末动能；此题难度适中。

3．如图13甲所示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、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，还需要的一个器材是______（2分）

A．螺旋测微器B．秒表

C．多用电表D．交流电源

（2）下面列举了该实验的几个操作步骤中，其中操作不当的一个步骤是____（2分）

A．用天平测出重锤的质量

B．按照图示的装置安装器件

C．先释放纸带，后接通电源

D．测量纸带上某些点间的距离

（3）利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。

根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图13乙所示。

使用交流电的频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式a＝_______（2分）（用x1、x2、x3、x4及f表示）

图13乙

【答案】

（1）AD

（2）B（3）纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取初末两点距离过近；交流电频率不稳定；（4）a=

【名师点睛】只有明确了实验原理以及实验的数据测量，才能明确各项实验操作的具体含义，这点要在平时训练中加强练习．

4．

（1）关于“验证机械能守恒定律”的实验中，以下说法中正确的是

A．实验时需要称出重物的质量

B．实验中摩擦是不可避免的，因此纸带越短越好，因为纸带越短，克服摩擦做的功就少，误差就小

C．纸带上打下的第1、2点间距超过2mm，则无论怎样处理数据，实验误差都会很大

D．实验处理数据时，可直接利用打下的实际点迹，而不必采用“计数点”的方法

（2）若正确的操作完成实验，正确的选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点O的距离如下图所示（相邻计数点时间间隔为0.02s），当地重力加速度的值为9.8m/s2，那么（结果均保留两位有效数字）

①纸带的端与重物相连

②打下计数点B时，重物的速度

m/s

③在从起点O到打下计数点B的过程中，测得重物重力势能的减少量

略大于动能的增加量

，这是因为.

【答案】

（1）D；

（2）①左，②0.98，③存在阻力做功

（2）①重物在开始下落时速度较慢，在纸带上打的点较密，越往后，物体下落得越快，纸带上的点越稀，所以纸带上靠近重物的一端的点较密，因此纸带的左端与重物相连。

②根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于该过程的平均速度有：

.

③

说明有部分重力势能变成了其它能，是因为下落存在摩擦阻力和空气阻力的影响。

【名师点睛】正确解答实验问题的前提是明确实验原理，从实验原理出发进行分析所需实验器材、所测数据、误差分析等，会起到事半功倍的效果．通过该题理解验证性实验的特点，把握实验原理，提升实验能力，该题是考查基础实验知识的好题．

5．如图甲所示，跨过定滑轮的细线两端系着质量均为M的物块A、B，A下端与通过打点计时器的纸带相连，B上放置一质量为m的金属片C，固定的金属圆环D处在B的正下方。

系统静止时C、D间的高度差为h。

先接通电磁打点计时器，再由静止释放B，系统开始运动，当B穿过圆环D时C被D阻挡而停止。

①整个运动过程中纸带上计数点的间距如图乙所示，其中每相邻两点之间还有4个点未画出，已知打点计时器的工作频率为50Hz。

由此可计算出C被阻挡前B的加速度大小a=____m/s；B刚穿过D时的速度大小v=_____m/s2（结果保留两位有效数字）。

②若用该装置验证机械能守恒定律，则需验证等式_____是否成立。

还可运用图象法加以验证：

改变物块B的释放位置，重复上述实验，记录每次C、D间的高度差h，并求出B刚穿过D时的速度v，作出v2–h图线如图丙所示，根据图线得出重力加速度的表达式g=_____，代入数据再与当地的重力加速度大小比较，判断系统机械能是否守恒（均用题中物理量的字母表示）。

③在不增加实验器材的情况下，请提出减小实验误差的一个办法：

_____。

【答案】①4.8；2.6②

；

③如：

适当增大C、D间的高度差；适当增加金属片C的质量；保证打点计时器的限位孔在同一竖直线上…

③减小误差的方法：

适当增加C、D间的高度差；适当增加金属片C的质量；保证打点计时器的限位孔在同一竖直线上．

【名师点睛】此题是研究匀变速直线运动的规律以及验证机械能守恒定律的实验；解决本题的关键掌握实验的原理，即验证系统重力势能的减小量与系统动能的增加量是否相等；掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解加速度。

6．用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器接在频率为f的交流电源上，从实验中打出的几条纸带中选出一条理想纸带，如图乙所示，从第一个点O开始选取纸带上打出的5个连续的点O、A、B、C、D，各点距起始点。

的距离分别为s0、s1、s2、s3，已知重锤的质量为m，当地的重力加速度为g，则从打下起始点O到打下C点的过程中，重锤重力势能减少量的表达式为，重锤动能增加量的表达式为。

（均用题中所给字母表达）

【答案】mgs2；

【名师点睛】此题考查了验证机械能守恒定律的实验，解题时要明确实验的原理及数据处理方法；注意“验证机械能守恒定律”的实验中数据处理仍然是以纸带问题为基础，要会准确应用匀变速直线运动的推论求瞬时速度。

7．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下表。

（当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量m＝0.4kg）（结果保留3位有效数字）

时刻

t2

t3

t4

t5

速度（m/s）

4.99

4.48

3.98

（1）由频闪照片上的数据计算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，即可验证了机械能守恒定律。

由上述计算得ΔEp________Ek（选填“>”“<”或“＝”），造成这种结果的主要原因是_____________

_______________________________________________________________________。

【答案】

（1）3.48m/s

（2）2.49J、2.56J（3）<、存在空气阻力

【名师点睛】本题的关键是知道三点：

一、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，据此可以求t5时刻的速度大小；二、根据重力做功和重力势能之间的关系可以求出重力势能的减小量，根据起末点的速度可以求出动能的增加量．三、由于纸带和打点计时器的摩擦以及空气阻力的存在，导致动能的减小量没有全部转化为重力势能。

8．某课外活动小组用竖直上抛运动验证机械能守恒定律．

（1）某同学用20分度游标卡尺测量小球的直径，读数如图甲所示小球直径为mm．

（2）图乙所示弹射装置将小球竖直向上抛出，先后通过光电门A、B，计时装置测出小球通过A的时间为2．55

10-3s，小球通过B的时间为5．15

10-3s，由此可知小球通过光电门A、B时的速度分别为VA、VB，其中VA=m/s．（保留两位有效数字）

（3）用刻度尺测出光电门A、B间的距离h，已知当地的重力加速度为g，只需比较和是否相等，就可以验证机械能是否守恒（用题目中给出的物理量符号表示）．

【答案】

（1）10．20

（2）4.0（3）gh和

-

【名师点睛】解决本题的关键掌握验证机械能守恒定律的实验原理，知道游标卡尺的读数方法：

游标卡尺的读数等于主尺读数加上游标读数，不需估读．以及知道极短时间的平均速度可以表示瞬时速度

9．如图所示是利用自由落体运动进行“验证机械能守恒定律”的实验装置，所用的打点计时器通以50Hz的交流电。

（1）甲同学按照正确的实验步骤操作后，选出一条纸带如图所示，其中O点为重物刚要下落时打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，用刻度尺测得OA=12.41cm，OB=18.60cm，OC=27.21cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点。

已知重物的质量为1.00kg，取g=9.80m/s2。

在OB段运动过程中，重物重力势能的减少量ΔEp=J；重物的动能增加量ΔEk=J（结果均保留三位有效数字）。

（2）该实验没有考虑各种阻力的影响，这属于本实验的误差（选填“偶然”或“系统”）。

由此看，甲同学数据处理的结果比较合理的应当是ΔEpΔEk（选填“大于”、“等于”或“小于”）。

（3）乙同学想利用该实验装置测定当地的重力加速度。

他打出了一条纸带后，利用纸带测量出了各计数点到打点计时器打下的速度为零的点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，以h为横轴，以

为纵轴画出了如图所示的图线。

由于图线没有过原点，他又检查了几遍，发现测量和计算都没有出现问题，其原因可能是：

。

乙同学测出该图线的斜率为k，如果不计一切阻力，则当地的重力加速度gk（选填“大于”、“等于”或“小于”）。

（4）丙同学利用该实验装置又做了其它探究实验，分别打出了标号为①、②、③、④的4条纸带，其中只有一条是做“验证机械能守恒定律”的实验时打出的。

为了找出该纸带，丙同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为x1、x2、x3。

请你根据下列x1、x2、x3的测量结果确定该纸带为________（选填标号）。

（取g=9.80m/s2）

①6.13cm，6.52cm，6.91cm

②6.05cm，6.10cm，6.15cm

③4.12cm，4.51cm，5.30cm

④6.10cm，6.58cm，7.06cm

【答案】

（1）1.82J，1.71J；

（2）系统大于（3）先释放重物再接通打点计时器等于（4）①

（4）纸带中打出的点符合相临相等的条件，则可知相临两位移间应保证位移之差等于gt2=9.8×（0.02）2=3.9mm；

①中位移之差分别为3.9mm，3.9mm；②中位移之差为5mm，5mm；③中位移之差为4.1mm，7.9mm； ④中位移之差为4.8mm，4.8mm；故符合条件的为①。

【名师点睛】解决本题的关键知道实验的原理以及知道实验误差形成的原因，掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度以及加速度的大小．

（1）根据物体下落的高度求出重力势能的减小量，结合某段时间内平均速度等于中间时刻的瞬时速度得出B点的瞬时速度，从而得出动能的增加量．通过能量守恒的角度确定误差形成的原因．

（2）根据图象中下落的高度为0时，动能不为零，确定图线不过原点的原因．

10．验证机械能守恒定律实验装置如图甲所示，某小组完成一系列实验操作后，得到了一条纸带如图乙所示，图中O是打点计时器打的第一个点，用刻度尺测量连续的计时点A、B、C、D、E、F到O点的距离分别是

（1）已知打点计时器的打点周期为T，可求出B、C、D、E各计数点对应小车的速度，其中E点时小车运动的速度为

=___________，小车运动的加速度a=____________（用

和T表示）

（2）测出重物下落的高度h和小车运动的速度v，并用天平测出重物和小车质量分别为M和m，已知当地的重力加速度为g，则验证系统机械能守恒的表达式为_________________，利用测出的数据作出

图像如图丙所示，则当图线的斜率接近___________时，即可验证系统机械能守恒

（3）本实验中产生的误差的可能原因是_____________

【答案】

（1）

、

（2）（3）存在摩擦阻力、读数误差等

（3）小车在运动过程中存在摩擦阻力，定滑轮存在摩擦，纸带与限位孔间存在摩擦，测量长度时存在偶然误差等等

【名师点睛】解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的仪器、操作步骤和数据处理以及注意事项，只有理解了这些才能真正了解具体实验操作的含义．做分析匀变速直线运动情况时，其两个推论能使我们更为方便解决问题，一、在相等时间内走过的位移差是一个定值，即

，二、在选定的某一过程中，中间时刻瞬时速度等于该过程中的平均速度