專題05 驗證機械能守恒定律-高考物理實驗專題強化訓練（原卷版）

專題05驗證機械能守恒定律知識點一、基本要求1.實驗目的：驗證機械能守恒定律2.實驗原理：通過實驗，求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應過程動能的增加量，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律3.實驗器材：打點計時器、電源、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（附夾子）、導線兩根4.實驗步驟：①安裝器材：將打點計時器固定在鐵架臺上，用導線將打點計時器與低壓電源相連②將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過打點計時器的限位孔③用手提著紙帶，讓重物靠近打點計時器并處于靜止狀態(tài)，然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由落下，紙帶上打下一系列小點④從幾條打下點的紙帶中挑選出點跡清楚的紙帶進行測量⑤在起始點標上O，在以后各點依次標上1、2、3、。。。；用刻度尺測出對應下落高度h1、h2、h3.。。。知識點二、數(shù)據(jù)處理方法一：利用起始點和第n點計算代入ghn和，如果沒有實驗誤差允許的情況下，，則驗證機械能守恒定律方法二：任取兩點計算（1）任取兩點A、B，測出hAB，算出ghAB（2）算出的值。（3）在實驗誤差允許的情況下，若，則驗證了機械能守恒定律方法三：圖像法在紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出圖線，若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律知識點三：誤差分析1、減小測量誤差：一是測下落距離時都從O點量起，一次將各打點對應下落高度測量完，而是多測幾次取平均值2.由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動能的增加量必定稍小于重力勢能的減小量，改進辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減少阻力知識點四、注意事項1.打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減少摩擦阻力。2.重物密度要大：重物應選用質(zhì)量大，體積小、密度小的材料3.一先一后：應先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落4.側(cè)長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應用，不能用或vn=gt來計算題型一：對實驗操作的考查小李同學利用圖①裝置驗證機械能守恒定律時，打出如圖②所示的紙帶，已知打點計時器頻率為。（1）下列關于該實驗說法正確的是______。A．紙帶必須盡量保持豎直方向以減小摩擦阻力作用B．為了驗證機械能守恒，必須選擇紙帶上打出的第一個點作為起點C．將電磁打點計時器改成電火花計時器可以減少紙帶和打點計時器間的摩擦D．可以選擇較輕的物體作為重物以延長下落的時間，實驗效果更好（2）根據(jù)圖②中紙帶的數(shù)據(jù)，打下點時重物的速度為______（結果保留2位小數(shù)）。（3）小明同學用兩個形狀完全相同，但質(zhì)量不同的重物和分別進行實驗，測得幾組數(shù)據(jù)，并作出圖象，如圖③所示，由圖象可判斷的質(zhì)量______的質(zhì)量（選填“大于”或“小于”）。題型二：對數(shù)據(jù)處理及誤差的考查某同學用圖（a）所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，其中打點計時器的電源為交流電源，可以使用的頻率有和。打出紙帶的一部分如圖（b）所示。該同學在實驗中沒有記錄交流電的頻率，需要用實驗數(shù)據(jù)和其它題給條件進行推算。(1) 若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用和圖（b）中給出的物理量可以寫出：在打點計時器打出B點時，重物下落的速度大小為______________，打出C點時重物下落的速度大小為_____________，重物下落的加速度大小為_____________。(2) 已測得當?shù)刂亓铀俣却笮?.80m/s2，實驗中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%，由此推算出f為__________。題型三：實驗創(chuàng)新及改進某同學用如圖11-1所示的裝置驗證機械能守恒定律。一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止于A點，光電門固定在A的正下方。在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條．將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間t可由計時器測出，取作為鋼球經(jīng)過A點時的速度．記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t，計算并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小ΔEp與動能變化大小ΔEk，就能驗證機械能是否守恒。(1)用ΔEp=mgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落高度h應測量釋放時的鋼球球心到________之間的豎直距離。A．鋼球在A點時的頂端B．鋼球在A點時的球心C．鋼球在A點時的底端(2)用ΔEk=eq\f(1,2)mv2計算鋼球動能變化的大小，用刻度尺測量遮光條寬度，示數(shù)如圖11-2所示，其讀數(shù)為________cm。某次測量中，計時器的示數(shù)為0.0100s，則鋼球的速度為v=________m/s。(3)下表為該同學的實驗結果：ΔEp/(10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/(10-2J)5.0410.115.120.029.8他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點？請說明理由。(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議。課后練習1.（2021年6月浙江省物理選考真題卷）17.在“驗證機械能守恒定律”實驗中，小王用如圖1所示的裝置，讓重物從靜止開始下落，打出一條清晰的紙帶，其中的一部分如圖2所示。O點是打下的第一個點，A、B、C和D為另外4個連續(xù)打下的點。

①為了減小實驗誤差，對體積和形狀相同的重物，實驗時選擇密度大的理由是___________。②已知交流電頻率為，重物質(zhì)量為，當?shù)刂亓铀俣龋瑒t從O點到C點，重物的重力勢能變化量的絕對值___________J、C點的動能___________J（計算結果均保留3位有效數(shù)字）。比較與的大小，出現(xiàn)這一結果的原因可能是___________。A.工作電壓偏高B.存在空氣阻力和摩擦力C.接通電源前釋放了紙帶2.（2021年海南省普通高中學業(yè)水平選擇性考試）15.為了驗證物體沿光滑斜面下滑的過程中機械能守恒，某學習小組用如圖所示的氣墊導軌裝置（包括導軌、氣源、光電門、滑塊、遮光條、數(shù)字毫秒計）進行實驗。此外可使用的實驗器材還有：天平、游標卡尺、刻度尺。（1）某同學設計了如下的實驗步驟，其中不必要的步驟是___________；①在導軌上選擇兩個適當?shù)奈恢肁、B安裝光電門Ⅰ、Ⅱ，并連接數(shù)字毫秒計；②用天平測量滑塊和遮光條的總質(zhì)量m；③用游標卡尺測量遮光條的寬度d；④通過導軌上的標尺測出A、B之間的距離l；⑤調(diào)整好氣墊導軌的傾斜狀態(tài)；⑥將滑塊從光電門Ⅰ左側(cè)某處，由靜止開始釋放，從數(shù)字毫秒計讀出滑塊通過光電門Ⅰ、Ⅱ的時間、；⑦用刻度尺分別測量A、B點到水平桌面的高度、；⑧改變氣墊導軌傾斜程度，重復步驟⑤⑥⑦，完成多次測量。（2）用游標卡尺測量遮光條的寬度d時，游標卡尺的示數(shù)如圖所示，則___________；某次實驗中，測得，則滑塊通過光電門Ⅰ的瞬時速度___________（保留3位有效數(shù)字）；（3）在誤差允許范圍內(nèi)，若___________（用上述必要的實驗步驟直接測量的物理量符號表示，已知重力加速度為g），則認為滑塊下滑過程中機械能守恒；（4）寫出兩點產(chǎn)生誤差的主要原因：___________。3.（2021年河北省普通高中學業(yè)水平選擇性考試）12.某同學利用圖1中的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關系，所用器材有：一端帶滑輪的長木板、輕細繩、的鉤碼若干、光電門2個、數(shù)字計時器、帶遮光條的滑塊（質(zhì)量為，其上可放鉤碼）、刻度尺，當?shù)刂亓铀俣葹?，實驗操作步驟如下：①安裝器材，調(diào)整兩個光電門距離為，輕細繩下端懸掛4個鉤碼，如圖1所示；②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個光電門的時間，并計算出滑塊通過兩個光電門的速度；③保持最下端懸掛4個鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質(zhì)量，重復上述步驟；④完成5次測量后，計算出每次實驗中滑塊及所載鉤碼的總質(zhì)量M、系統(tǒng)（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細繩懸掛鉤碼）總動能的增加量及系統(tǒng)總機械能的減少量，結果如下表所示：0.2000.25003000.3500.4000.5820.4900.3920.2940.1950.3930.4900.6860.785回答下列問題：（1）實驗中輕細繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量為______J（保留三位有效數(shù)字）；（2）步驟④中的數(shù)據(jù)所缺數(shù)據(jù)為______；（3）若M為橫軸，為縱軸，選擇合適的標度，在圖2中繪出圖像______；若系統(tǒng)總機械能的減少量等于克服摩擦力做功，則物塊與木板之間的摩擦因數(shù)為______（保留兩位有效數(shù)字）4.（2022屆福建省莆田第二中學高三（上）期中物理試題）11.某同學設計出如圖甲所示的實驗裝置來“驗證機械能守恒定律”，讓小球從A點自由下落，下落過程中經(jīng)過A點正下方的光電門B時，光電計時器記錄下小球通過光電門時間t，當?shù)氐闹亓铀俣葹間。（1）為了驗證機械能守恒定律，該實驗還需要測量下列哪些物理量____________（填選項）A.小球的質(zhì)量mB.AB之間的距離HC.小球的直徑d（2）小球通過光電門時的瞬時速度v=____________（用題中所給的物理量表示）。（3）調(diào)整AB之間距離H，多次重復上述過程，作出隨H的變化圖像如圖乙所示，當小球下落過程中機械能守恒時，該直線斜率k0=____________。（4）在實驗中根據(jù)數(shù)據(jù)實際繪出-H圖像的直線斜率為k（k<k0），則實驗過程中小球所受的平均阻力f與小球重力mg的比值=____________（用k、k0表示）5.（2022屆甘肅省慶陽市第六中學高三（上）期中物理試題）10.為了驗證機械能守恒定律，同學們設計了如圖甲所示的實驗裝置：（1）實驗時，一組同學進行了如下操作：①用天平分別測出重物A、B的質(zhì)量和（A的質(zhì)量含擋光片、B的質(zhì)量含掛鉤，且），用螺旋測微器測出擋光片的寬度d；②將重物A、B用繩連接后，跨放在定滑輪上，一個同學用手托住重物B，另一個同學測量出___________（填“A的上表面”“A的下表面”或“擋光片中心”）到光電門中心的豎直距離h，之后釋放重物B使其由靜止開始下落；③記錄擋光片經(jīng)過光電門的時間。（2）如果系統(tǒng)（重物A、B）的機械能守恒，應滿足的關系式為___________（用質(zhì)量、，重力加速度為g，經(jīng)過光電門的時間為，擋光片的寬度d和距離h表示結果）。（3）實驗進行過程中，有同學對實驗作了改進，如圖乙所示，在B的下面掛上質(zhì)量為m的鉤碼，讓，經(jīng)過光電門的速度用表示，距離用h表示，仍釋放重物B使其由靜止開始下落，若系統(tǒng)的機械能守恒，則有___________（已知重力加速度為g）。

6.（2022屆河南省南陽市高三（上）期中質(zhì)量評估物理試題）13.在驗證機械能守恒定律實驗中，重錘從高處由靜止開始下落，重錘上拖著紙帶通過打點計時器，打出一系列的點。對紙帶上的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律。已知當?shù)刂亓铀俣葹間。（1）如圖甲所示，根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)的五個點A、B、C、D、E，測量出點A距起始點O的距離為，A、C間的距離為，C、E間的距離為。若相鄰兩點的打點時間間隔為T，重錘質(zhì)量為m，根據(jù)這些條件計算重錘從釋放到下落OC距離時重力勢能減少量______，動能增加量______。在實際計算中發(fā)現(xiàn)，重錘減小的重力勢能總是大于重錘增加的動能，其原因主要是__________________。

（2）某同學利用圖甲中紙帶，先分別測量出從A點到B、C、D、E、F、G點的距離h（其中F、G點為E點后連續(xù)打出的點，圖中未畫出），再計算打出B、C、D、E、F各點時重錘下落的速度v和，繪制圖像，如圖乙所示，并求得圖線的縱軸截距b和斜率k。如果重錘下落過程中機械能守恒，則______。7.（2022屆黑龍江省哈爾濱市第六中學高三（上）期中物理試題）16.某實驗小組用如圖所示的裝置，來做“驗證機械能守恒定律”的實驗其中，量角器的中心和長為的細線的一個端點重合，并且固定在一起細線的另一端系一個質(zhì)量為、半徑為的小球，當小球靜止時量角器的零刻度線與細線重合，在小球所在位置固定安裝一個光電門，當小球由處靜止釋放時，細線與豎直方向的夾角為，重力加速度為。則：（1）在實驗中測得小球通過光電門的時間為，那么，小球通過最低點的瞬時速度為__。（2）如圖所示，當用精確度為的游標尺來測量小球直徑時，測得小球的直徑為，那么，這時游標卡尺上的第__條刻度線與主尺上的第__刻度線對齊。（3）若在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，滿足__，即可驗證機械能守恒定律（用題中字母來表示）。（4）通過改變小球由靜止釋放時，細線與豎直方向的夾角，測出相應情況下，小球通過光電門的時間，為了形象、直觀地驗證機械能是否守恒，在平面直角坐標系中，為使圖象是經(jīng)過坐標原點的直線那么，圖象的橫坐標為__，縱坐標為。8.（2022屆山西省運城市高三（上）期中物理試題）14.某探究小組想利用驗證機械能守恒定律的裝置測量當?shù)氐闹亓铀俣?，如圖（甲）所示?？蚣苌涎b有可上下移動位置的光電門1和固定不動的光電門2；框架豎直部分緊貼一刻度尺，零刻度線在上端，可以測量出兩個光電門到零刻度線的距離；框架水平部分用電磁鐵吸住一個質(zhì)量為m的小鋼球，小鋼球的重心所在高度恰好與刻度尺零刻度線對齊。切斷電磁鐵線圈中的電流時，小鋼球由靜止釋放，當小鋼球先后經(jīng)過兩個光電門時，與光電門連接的傳感器即可測算出其速度大小和。小組成員保證光電門2的位置不變，多次改變光電門1的位置，得到多組和的數(shù)據(jù)，建立如圖（乙）所示的坐標系并描點連線，得出圖線的斜率為k。

(1)用20分度的游標卡尺測量小鋼球的直徑，如圖（丙）所示，