2021年高考物理必考實(shí)驗(yàn)突破實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律（原卷版）

實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律(原卷版)

1.實(shí)驗(yàn)原理

(1)在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中,物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能互相轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能保持不變,若物

2

體某時(shí)刻瞬時(shí)速度為%下落高度為A,則重力勢(shì)能的減少量為儂A動(dòng)能的增加量為mv,看它們?cè)趯?shí)驗(yàn)

誤差允許的范圍內(nèi)是否相等，若相等則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

X-+Xn+1

(2)計(jì)算點(diǎn)〃速度的方法:測(cè)出點(diǎn)〃與相鄰前后點(diǎn)間的距離為和x孫如圖所示，由公式片―2T—或

2.實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)(含鐵夾)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,學(xué)生電源,紙帶,復(fù)寫(xiě)紙,導(dǎo)線,毫米刻度尺,重物(帶紙帶夾)0

3.實(shí)驗(yàn)步驟

(1)安裝置:將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,接好電路。

(2)打紙帶:將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔用手提著紙帶使重物

靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方，先接通電源，后松開(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落，更換紙帶重復(fù)做3節(jié)次

實(shí)驗(yàn)。

(3)選紙帶:分兩種情況說(shuō)明

①用必刊g加驗(yàn)證時(shí),應(yīng)選點(diǎn)跡清晰,且1、2兩點(diǎn)間距離小于或接近2mm的紙帶。若1、2兩點(diǎn)間

的距離大于2mm,這是由先釋放紙帶,后接通電源造成的,這樣,第1個(gè)點(diǎn)就不是運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)了，這樣的紙帶

不能選。

②用m-%/卻△力驗(yàn)證時(shí)，由于重力勢(shì)能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，這

樣紙帶上打出的第1、2兩點(diǎn)間的距離是否為2mm就無(wú)關(guān)緊要了，只要后面的點(diǎn)跡清晰就可選用。

4.數(shù)據(jù)分析

方法一:利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算.

代入gA,和，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的情況下，加，產(chǎn)，則

驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

方法二:任取兩點(diǎn)計(jì)算。

(1)任取兩點(diǎn)4、B,測(cè)出h劃算出ghw.

⑵算出-的值;

(3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的情況下，若加加=-，則驗(yàn)證了機(jī)

械能守恒定律。

方法三:圖象法。

從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測(cè)量從第一點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度我并計(jì)算各點(diǎn)速度的二次方化然后以

d為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出"h圖線,若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)

且斜率為g的直線,則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。

5.注意事項(xiàng)

(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直:安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)，以減少摩擦阻

力。

(2)重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。

(3)應(yīng)先接通電源,讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作,后松開(kāi)紙帶讓重物下落。

(4)測(cè)長(zhǎng)度，算速度：某時(shí)刻的瞬時(shí)速度的計(jì)算應(yīng)用匕產(chǎn),不能用

v?-或V“=gt。

【典例1】(2019?四川南充市第二次適應(yīng)性考試)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，圖乙為

實(shí)驗(yàn)所得的一條紙帶，在紙帶上選取了點(diǎn)跡清晰的連續(xù)7個(gè)點(diǎn)，若只測(cè)出了點(diǎn)4與點(diǎn)0之間的距離為h4以

及點(diǎn)6與點(diǎn)0的距離為尻，已知打點(diǎn)周期為T,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.(以下的三個(gè)結(jié)論均由題中所給符號(hào)表

(1)打點(diǎn)5時(shí)重物的速度v=；

(2)由已知條件從理論上計(jì)算點(diǎn)5到點(diǎn)0的距離的=;

⑶若打點(diǎn)0時(shí)重物的速度為零，則要驗(yàn)證從點(diǎn)0到點(diǎn)5間重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒的等式為

【變式11(2019?湖北宜昌市四月調(diào)研)用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，打出如圖甲所示的一條紙帶.已知打

點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作頻率為50Hz.

(1)根據(jù)紙帶所給數(shù)據(jù)，打下C點(diǎn)時(shí)重物的速度為m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字).

(2)某同學(xué)選用兩個(gè)形狀相同、質(zhì)量不同的重物。和6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得幾組數(shù)據(jù)，畫(huà)出掾一〃圖象，并求出圖

線的斜率k,如圖乙所示，由圖象可知a的質(zhì)量g(選填“大于”或“小于”)b的質(zhì)量m2.

(3)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)造成年值偏小的原因是實(shí)驗(yàn)中存在各種阻力，已知實(shí)驗(yàn)所用重物的質(zhì)量加2=0.052kg,當(dāng)

地重力加速度g=9.78m/s2,求出重物所受的平均阻力R=N.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)

【典例2】(2019?福建福州市期末)為了驗(yàn)證矩形線框自由下落過(guò)程中上、下邊經(jīng)過(guò)光電門時(shí)機(jī)械能是否守恒,

使用了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，已知矩形線框用直徑為d的圓形材料做成.某次實(shí)驗(yàn)中矩形線框下邊和上邊

先后經(jīng)過(guò)光電門的擋光時(shí)間分別為Z1和匹

矩形線框

(1)為完成該實(shí)驗(yàn)，還需通過(guò)操作測(cè)量相應(yīng)的物理量是.

A.用天平測(cè)出矩形線框的質(zhì)量，力

B.用刻度尺測(cè)出矩形線框下邊離光電門的高度h

C.用刻度尺測(cè)出矩形線框上、下邊之間的距離心

D.用秒表測(cè)出線框上、下邊通過(guò)光電門的時(shí)間間隔△/

(2)如果滿足關(guān)系式(請(qǐng)用測(cè)量的物理量和已知量來(lái)表示，重力加速度為g),則自由下落過(guò)

程中線框的機(jī)械能守恒.

【變式2](2020.廣東茂名市第一次綜合測(cè)試)某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)在做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝

置如圖甲所示，接下來(lái)該小組的同學(xué)完成了如下的操作：

目斗光電門1

I

I

I

I

片光電門2]:加

X71山吊仙『川

LJ051()

甲乙

(1)先利用10分度的游標(biāo)卡尺測(cè)出了小球的直徑，其示數(shù)如圖乙所示，該示數(shù)為cm；

(2)將該小球由光電門1的正上方無(wú)初速度釋放，先后通過(guò)光電門1、2,通過(guò)電腦顯示的時(shí)間分別為加|=

5X10%、.=4X103s,若小球通過(guò)兩光電門1、2的速度分別用力、力表示，由以上數(shù)據(jù)可知。2=

________m/s；

(3)該小組的同學(xué)測(cè)出兩光電門之間的距離為h,重力加速度用g表示，若小球的機(jī)械能守恒，則需要驗(yàn)證

的關(guān)系式為.（用題中所給字母表示）

【典例31在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí),需要測(cè)量物體由靜止開(kāi)始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度的和下

落高度瓦某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶,設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案。

A.用刻度尺測(cè)出物體下落的高度力并測(cè)出下落時(shí)間力，通過(guò)丫端力計(jì)算出瞬時(shí)速度外

B.用刻度尺測(cè)出物體下落的高度瓦并通過(guò)片譚了計(jì)算出瞬時(shí)速度%

C.根據(jù)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度,測(cè)算出瞬時(shí)速度的,

并通過(guò)計(jì)算得出高度h

D.用刻度尺測(cè)出物體下落的高度A根據(jù)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)

間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度%

以上方案中只有一種正確,正確的是（填入相應(yīng)的字母）。

【針對(duì)訓(xùn)練3】在利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,所用電源的頻率為50Hz,依次打出的點(diǎn)

為0,1,2,3,4,…則:

（口2*.2冬%.單位:mm~~

（1）如用點(diǎn)2到點(diǎn)6之間的紙帶來(lái)驗(yàn)證，必須直接測(cè)量的物理量為、、,必須計(jì)算出

的物理量為,,驗(yàn)證的表達(dá)式為o

（2）下列實(shí)驗(yàn)步驟操作合理的排列順序是（填寫(xiě)步驟前面的字母）。

A.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直安裝在鐵架臺(tái)上

B.接通電源,再松開(kāi)紙帶,讓重物自由下落

C.取下紙帶,更換新紙帶（或?qū)⒓垘Х瓊€(gè)面）重新做實(shí)驗(yàn)

D,將重物固定在紙帶的一端,讓紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,用手提著紙帶

E.選擇一條紙帶,用刻度尺測(cè)出物體下落的高度瓦也色…，瓦,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度匕電電…，匕，

F.分別算出卬和mgh,,,在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)看是否相等

【典例4】為了“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，某學(xué)生想到用氣墊導(dǎo)軌和光電門及質(zhì)量為m的小車來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),

如圖甲所示，他將長(zhǎng)為L(zhǎng),原來(lái)已調(diào)至水平的氣墊導(dǎo)軌的左端墊高//,在導(dǎo)軌上的兩點(diǎn)處分別安裝光電門A和

8,然后將小車從導(dǎo)軌上端釋放，光電門自動(dòng)記錄小車經(jīng)過(guò)上、下光電門時(shí),車上擋光片擋光時(shí)間?、怯糜?/p>

標(biāo)卡尺測(cè)得擋光片寬度4貝IJ：

A光電門

B光電門

(1)要驗(yàn)證小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒,還必須測(cè)出。

(2)寫(xiě)出本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理式(用上面已知測(cè)量量和還必

須測(cè)出的物理量符號(hào)表示)。

(3)實(shí)驗(yàn)所用滑塊的質(zhì)量m=600g,其他數(shù)據(jù)如下￡=1.5m,的10cm,兩個(gè)光電門間的距離為50cm,測(cè)實(shí)

驗(yàn)中重力勢(shì)能的減少量為Jo(g=10m/s2)

(4)如果氣墊導(dǎo)軌左端墊高〃可調(diào)，此實(shí)驗(yàn)還可以“探究在質(zhì)量不變時(shí)，物體的加速度與合力的關(guān)系”，

回答下列問(wèn)題：

①小車的加速度a=(用上面已知測(cè)量量符號(hào)表示)；小車所受合力

F=。

彝改變小車受到的合力，只須改變，作加速度一合力圖象時(shí),橫軸可用代替。

【針對(duì)訓(xùn)練4】利用圖甲裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。

(D為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒,需要比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的。

A.動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量

B.速度變化量和勢(shì)能變化量

C.速度變化量和高度變化量

(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(tái)(含鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線及開(kāi)關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩

種器材是。

A.交流電源B.刻度尺

C.天平(含法碼)

(3)實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到如圖乙所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)4B、

以測(cè)得它們到起始點(diǎn)〃的距離分別為九、①、he.

己知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T,設(shè)重物的質(zhì)量為m,從打。點(diǎn)到打8點(diǎn)的過(guò)程中,重物

的重力勢(shì)能變化量△瓦^(guò)，動(dòng)能變化量?氏=.o

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乙

(4)大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量,原因是。

A.利用公式計(jì)算重物速度

B.利用公式就計(jì)算重物速度

C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響

D.沒(méi)有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法

(5)某同學(xué)用下述方法研究機(jī)械能是否守恒。在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量它們到起始點(diǎn)。的距離/?,計(jì)算

對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度匕描繪圖象，并做如下判斷:若圖象是一條過(guò)原點(diǎn)的直線,則重物下落過(guò)程中機(jī)

械能守恒。請(qǐng)你分析該同學(xué)的判斷依據(jù)是否正確。

【典例5］如圖甲所示的裝置叫作“阿特伍德機(jī)”，是早期英國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿特伍德發(fā)明的一種著名

力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,用來(lái)研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。某同學(xué)對(duì)該裝置加以改進(jìn)后用來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，如

圖乙所示。

4M晶尺力

甲片乙

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，該同學(xué)進(jìn)行了如下操作：

④等質(zhì)量均為的含擋光片、8的含掛鉤)的重物用輕繩連接后,跨放在定滑輪上,處于靜止?fàn)顟B(tài),如圖甲所

示。測(cè)量出(選填"/的上表面”“力的下表面”或“擋光片中心”)到光電門中心的豎直距離瓦

②圖乙所示,在3的下端掛上質(zhì)量為小的物塊C,讓系統(tǒng)(重物A.8以及物塊。中的物體由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，

光電門記錄擋光片擋光的時(shí)間為△t.

③測(cè)出擋光片的寬度d,計(jì)算有關(guān)物理量,驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

(2)如果系統(tǒng)(重物/、6以及物塊。的機(jī)械能守恒，應(yīng)滿足的關(guān)系式為(已知重力加速度為

8)。

(3)引起該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的主要原因有(寫(xiě)一條即可)。

(4)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,該同學(xué)突發(fā)奇想：如果系統(tǒng)(重物4、8