專題(25)實驗六-驗證機械能守恒定律(原卷版)

2021年高考物理一輪復(fù)習(xí)必?zé)峥键c整合回扣練專題（25）實驗六驗證機械能守恒定律（原卷版）考點一eq\a\vs4\al(基礎(chǔ)實驗考查)1、如圖甲所示，打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗證機械能守恒定律。該裝置中的打點計時器所接交流電源頻率是50Hz。(1)對于該實驗，下列操作中對減小實驗誤差有利的是_____。

A.精確測量出重物的質(zhì)量B.兩限位孔在同一豎直線上C.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘D.釋放重物前，重物離打點計時器下端遠(yuǎn)些(2)按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，圖中有部分未畫出，如圖乙所示。紙帶上各點是打點計時器打出的計時點，其中O點為紙帶上打出的第一個點。①重物下落高度應(yīng)從紙帶上計時點間的距離直接測出，利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有_____。

A.OA、OB和OG的長度B.OE、DE和EF的長度C.BD、BF和EG的長度D.AC、BF和EG的長度②用刻度尺測得圖中AB的距離是1.76cm，F(xiàn)G的距離是3.71cm，則可計算得出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣仁莀________m/s2。(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

2、利用圖甲裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗。（1）為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間的________。A．動能變化量與勢能變化量B．速度變化量和勢能變化量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(含鐵夾)、電磁打點計時器、導(dǎo)線及開關(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(含砝碼)（3）實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到圖乙所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為hA、hB、hC。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點到打B點的過程中，重物的重力勢能變化量ΔEp＝____________，動能變化量ΔEk＝__________。（4）大多數(shù)學(xué)生的實驗結(jié)果顯示，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因是________。A．利用公式v＝gt計算重物速度B．利用公式v＝計算重物速度C．存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D．沒有采用多次實驗取平均值的方法3、用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律．實驗所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓有交流電和直流電兩種．重錘從高處由靜止開始下落，打點計時器在重錘拖著的紙帶上打出一系列的點，對圖中紙帶上的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律．(1)下列幾個操作步驟中：A．按照圖示，安裝好實驗裝置；B．將打點計時器接到電源的“交流輸出”上；C．用天平測出重錘的質(zhì)量；D．先釋放重錘，后接通電源，紙帶隨著重錘運動，打點計時器在紙帶上打下一系列的點；E．測量紙帶上某些點間的距離；F．根據(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能．沒有必要的是________，操作錯誤的是________．(填步驟前相應(yīng)的字母)(2)使用質(zhì)量為m的重錘和打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗中，在選定的紙帶上依次取計數(shù)點如圖所示，紙帶上所打的點記錄了重錘在不同時刻的位置，那么紙帶的________(填“左”或“右”)端與重錘相連．設(shè)打點計時器的打點周期為T，且“0”為打下的第一個點．當(dāng)打點計時器打點“3”時，重錘的動能表達(dá)式為______________________________________________________________，若以重錘的運動起點“0”為參考點，當(dāng)打點“3”時重錘的機械能表達(dá)式為____________________________．4、某同學(xué)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20Hz、30Hz和40Hz.打出紙帶的一部分如圖(b)所示．該同學(xué)在實驗中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實驗數(shù)據(jù)和其他題給條件進行推算．(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f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s1＝8.89cm，s2＝9.50cm，s3＝10.10cm；當(dāng)?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________Hz.【提分筆記】(1)安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴(yán)格豎直，以減小摩擦阻力．(2)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小．(3)釋放紙帶前要保持紙帶豎直、靜止不動，先接通電源，待打點計時器工作穩(wěn)定后再釋放紙帶．“驗證機械能守恒定律”實驗題多是對教材實驗或常見練習(xí)題進行器材和裝置的改換而成，解決此類問題的思路是從機械能守恒的方程出發(fā)，按照實驗題目的要求，進行實驗的設(shè)計或有關(guān)量的測量.考點二eq\a\vs4\al(創(chuàng)新實驗考查)本實驗可從下列三個方面改進創(chuàng)新1．實驗器材、裝置的改進2．速度測量方法的改進由光電門計算速度eq\o(→,\s\up7(替代))測量紙帶上各點速度．3．實驗方案的改進利用自由落體運動的閃光照片驗證機械能守恒定律．5、用圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。氣墊導(dǎo)軌上A處安裝了一個光電門，滑塊上固定一遮光條，滑塊用繞過氣墊導(dǎo)軌左端定滑輪的細(xì)線與鉤碼相連，每次滑塊都從同一位置由靜止釋放，釋放時遮光條位于氣墊導(dǎo)軌上B位置的上方。 (1)某同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d，如圖乙所示，則d=_____mm。

(2)實驗中，接通氣源，滑塊靜止釋放后，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門的時間為t，測得滑塊質(zhì)量為M，鉤碼質(zhì)量為m，A、B間的距離為L。在實驗誤差允許范圍內(nèi)，鉤碼減小的重力勢能mgL與_____(用直接測量的物理量符號表示)相等，則機械能守恒。

(3)下列不必要的一項實驗要求是_____(請?zhí)顚戇x項前對應(yīng)的字母)。

A.滑塊必須由靜止釋放B.應(yīng)使滑塊的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量C.已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣菵.應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行(4)分析實驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)增加的動能明顯大于鉤碼減小的重力勢能，原因是___________。

6、(2016年江蘇卷)某同學(xué)用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律．一根細(xì)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v＝eq\f(d,t)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(yīng)測量釋放時的鋼球球心到________之間的豎直距離．(填選項前字母)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?。每潭瘸邷y量遮光條寬度，示數(shù)如圖乙所示，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(xué)的實驗結(jié)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(rèn)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．7、（2020·南昌一中高三年級測試）氣墊導(dǎo)軌上相隔一定距離的兩處安裝有兩個光電傳感器A、B，AB間距為L，滑塊P上固定一遮光條，P與遮光條的總質(zhì)量為M，若光線被遮光條遮擋，光電傳感器會輸出高電壓，兩光電傳感器采集數(shù)據(jù)后與計算機相連。滑塊在細(xì)線的牽引下向左加速運動，遮光條經(jīng)過光電傳感器A、B時，通過計算機可以得到如圖乙所示的電壓U隨時間t變化的圖像：(1)實驗前，按通氣源，將滑塊（不掛鉤碼）置于氣墊導(dǎo)軌上，輕推滑塊，當(dāng)圖乙中的________（選填“>”、“=”或“<”）時，說明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平；(2)用螺旋測微器測遮光條寬度d，測量結(jié)果如圖丙所示，則________mm；(3)將滑塊P用細(xì)線跨過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與質(zhì)量為m的鉤碼Q相連，將滑塊P由圖甲所示位置釋放，通過計算機得到的圖像如圖乙所示。利用測定的數(shù)據(jù)，當(dāng)關(guān)系式________成立時，表明在上述過程中，滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機械能守恒。（重力加速度為g，用題中給定的物理量符號表達(dá)）8、如圖甲所示，一位同學(xué)利用光電計時器等器材做“驗證機械能守恒定律”的實驗．有一直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球從A處由靜止釋放，下落過程中能通過A處正下方、固定于B處的光電門，測得A、B間的距離為H(H>d)，光電計時器記錄下小球通過光電門的時間為t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.則：(1)小球經(jīng)過光電門B時的速度表達(dá)式為v＝____________.(2)多次改變高度H，重復(fù)上述實驗，作出eq\f(1,t2)隨H的變化圖象如圖乙所示，當(dāng)圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿足表達(dá)式____________________時，可判斷小球下落過程中機械能守恒．(3)實驗中發(fā)現(xiàn)動能增加量ΔEk總是稍小于重力勢能減少量ΔEp，增加下落高度后，則ΔEp－ΔEk將________(填“增加”“減小”或“不變”)．9、某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置如圖所示．氣墊導(dǎo)軌傾斜固定在水平桌面上，導(dǎo)軌A點處有一帶擋光片的滑塊，滑塊與擋光片的總質(zhì)量為M，擋光片的寬度為d，滑塊通過細(xì)線跨過光滑的定滑輪與兩個相同的鉤碼相連，連接滑塊的一段細(xì)線與導(dǎo)軌平行，每個鉤碼的質(zhì)量為m．開啟氣泵，滑塊恰好能靜止于A點．導(dǎo)軌上B點處固定一個光電門，擋光片到光電門的距離為L（L小于鉤碼到定滑輪的距離）．已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間．①該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測出遮光片的寬度，則該同學(xué)用的游標(biāo)卡尺是________分度（填10、20或50）．②某時刻只撤去鉤碼2，讓滑塊從A點靜止開始運動，已知光電門記錄擋光片擋光時間為，則滑塊通過B點的瞬時速度為_________（用題目中所給的物理符號表示）．③在滑塊從A點運動到B點的過程中，為了驗證滑塊與鉤碼1組成的系統(tǒng)機械能守恒，需要驗證的關(guān)系式為_________________________（用題目中所給的物理符號表示）．10、用如圖甲所示的實驗裝置驗證鉤碼m1、鉤碼m2組成的系統(tǒng)(用細(xì)線連著)機械能守恒，m2從高處由靜止開始自由下落，m1拖著紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點進行測量，即可驗證機械能守恒定律．如圖乙所示為實驗中獲取的一條紙帶，0是打下的第一個點，每相鄰兩個計數(shù)點間還有四個計時點(未畫出)．已知m1＝50g、m2＝150g(重力加速度g取9.8m/s2，打點計時器使用的交流電源的頻率為50Hz，所有結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)．(1)在紙帶上打下計數(shù)點1時鉤碼的速度大小為________m/s.(2)在紙帶上打下計數(shù)點0到計數(shù)點4的過程中系統(tǒng)動能增加量為________J，重力勢能減少量為________J.11、在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，一實驗小組讓小球自傾角為30°的斜面上滑下，用頻閃相機記錄了小球沿斜面下滑的過程，如圖所示．測得B、C、D、E到A的距離分別為x1、x2、x3、x4，已知相機的頻閃頻率為f，重力加速度g＝9.8m/s2.(1)滑塊經(jīng)過位置D時的速度vD＝________.(2)選取A為位移起點，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出v2-x圖線，若圖線斜率k＝________，則小球下滑過程機械能守恒．(3)若改變斜面傾角進行實驗，請寫出斜面傾角大小對實驗誤差的影響：__________________________________________.12．（2020·安徽省黃山市高三一模）某同學(xué)設(shè)計出如圖所示的實驗裝置來“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(dāng)?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_________。A．小球的質(zhì)量mB．AB之間的距離HC．小球從A到B的下落時間tABD．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(fù)上述過程，作出隨H的變化圖象如圖所示，當(dāng)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圖象的直線斜率為k（k＜k0），則實驗過程中所受的平均阻力f與小球重力mg的比值=_______________（用k、k0表示）。13、某探究小組險證機械能守恒定律的裝置如圖所示，細(xì)線端拴一個球，另一端連接力傳感器，固定在天花板上，傳感器可記錄球在擺動過程中細(xì)線拉力大小，用量角器量出釋放球時細(xì)線與豎直方向