4.6实验：验证机械能守恒定律 课时练（word解析版）

2021-2022学年教科版（2019）必修第二册
4.6实验：验证机械能守恒定律 课时练（解析版）
1．（1）某同学用图示装置做“验证机械能守恒定律”的实验，下列说法中正确的是________。
A．不需要测量重锤质量
B．打点计时器应用干电池供电
C．选用重锤时，同样大小、形状的重锤应选重一点的
D．实验时，应当先松开纸带让重锤下落，然后接通电源
（2）若质量m=2.00kg的重锤自由下落，在纸带上打出一系列如下图所示的点，A为第一个点，B、C、D为相邻的计数点，相邻计数点的时间间隔为0.04s，长度单位是cm，取g=9.80m/s2，则打点计时器从打下起点A到打下点C的过程中，重锤重力势能减少量__J（保留三位有效数字），重锥动能增加量___J（保留三位有效数字）。
（3）根据以上实验数据可以得出实验结论_______。
2．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0.05 s闪光一次，得到照片如图所示，图中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见下表（当地重力加速度取9.8 m/s2，小球质量m=0.2 kg，结果保留3位有效数字）
时刻 t2 t3 t4 t5
速度/（m·s-1） 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）t2~t5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，造成这种结果的主要原因是___________
3．利用图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。实验中，让重锤拖着纸带从静止开始下落，打点计时器在纸带上打出一系列清晰的点，要验证机械能是否守恒，需要比较的是重物在某两点间的动能变化与重力势能的变化是否相等。如图是某次实验得到的一条纸带，O点是重锤开始下落时打出的点，A、B、C是按打点先后顺序选取的三个计数点。通过测量得到O、A间距离为，O、B间距离为，O、C间距离为，已知计数点A、B间和B、C间的时间间隔均为T，重锤质量为m，当地重力加速度为g。从重锤开始下落到打点计时器打下B点时，重锤重力势能的减小量为__________，动能的增加量为__________。
4．如图所示为验证机械能守恒定律的实验装置。
（1）如图，释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是______。
（2）由于受阻力的影响，重锤增加的动能ΔEk与减少的重力势能ΔEp的大小关系为ΔEk______ΔEp（选填“大于”、“小于”或“等于”）。
（3）根据纸带算出相关各点的速度v，量出下落的距离h，则以h为横轴，以为纵轴画出的图像应是______，图线的斜率代表______。
A、 B、 C、 D、
5．某同学用如图1所示的装置通过研究重锤的落体运动来验证械能守恒定律。实验中，让重锤拖着纸带从静止开始下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点。已知重力加速度为g。
（1）要验证机械能是否守恒，需要比较重锤在这段时间内重力势能的减少量与动能的增加量是否相等。对于该实验，下列操作中可以减小实验误差的是_______。（选填选项前的字母）。
A．重锤选用质量和密度较大的金属锤
B．两限位孔在同一竖直面内上下对正
C．精确测量出重锤的质量
（2）在实验所需的物理量中，需要直接测量的是_______，通过计算得到的是_______。（选填选项前的字母）
A．重锤的质量
B．重锤下落的高度
C．重锤底部距水平地面的高度
D．与下落高度对应的重锤的瞬时速度
（3）在实验得到的纸带中，我们选用如图2所示的起点O与相邻点之间距离约为2mm的纸带来验证机械能守恒定律。图中A、B、C、D、E、F、G为七个相邻的原始点，F点是第n个点。设打相邻点的时间间隔为T，下列表达式可以用在本实验中计算打F点时的速度vF的是_______
A．　　B．　　B．　　D．
6．某同学用重物自由下落验证机械能守恒定律。实验装置如图甲所示。
（1）下列步骤是实验过程中的一部分，其中是多余的或错误的有（________）
A．用天平称出重锤的质量
B．操作时，应先接通电源后释放纸带
C．用秒表测重锤下落的时间
D．释放纸带时，夹子应靠近打点计时器
（2）若根据表达式验证机械守恒，为减小误差，所选择的纸带第1、2两点间距应接近___________。
（3）若实验中所用重锤质量，打点纸带如图乙所示，打点时间间隔为，则打点时，重锤动能___________J。从开始下落起至点，重锤的重力势能减少量是___________J（，结果保留三位有效数字）
（4）根据纸带计算出相关各点的速度，用刻度尺量出下落的距离，以为纵轴，以为横轴做出的图像应该是下图中的___________。
7．小李同学利用图①装置验证机械能守恒定律时，打出如图②所示的纸带，已知打点计时器频率为50Hz。
（1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含夹子）、打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是________
A．交流电源 B．刻度尺 C．天平（含砝码）
（2）下列关于该实验说法正确的是__________
A．纸带必须尽量保持竖直方向以减小摩擦阻力作用
B．为了验证机械能守恒，必须选择纸带上打出的第一个点作为起点
C．将电磁打点计时器改成电火花计时器可以减少纸带和打点计时器间的摩擦
D．可以选择较轻的物体作为重物以延长下落的时间，实验效果更好
（3）根据图②中纸带的数据，打下C点时重物的速度为______m/s（结果保留2位小数）。
（4）小明同学用两个形状完全相同，但质量不同的重物P和Q分别进行实验，测得几组数据，并作出v2-h图像，如图③所示，由图像可判断P的质量______Q的质量（选填“大于”或“小于”）。
8．某同学用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V的频率为50Hz交流电和直流电两种。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。则：该同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析。如图所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为连续打出的点作为六个计数点。根据以上数据，当打B点时重锤的速度_________m/s，计算出该对应的=_______m2/s2，gh=_______m2/s2，可认为在误差范围内存在关系式_________，即可验证机械能守恒定律。（g=9.8 m/s2）
9．某同学做验证机械能守恒定律的实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中，单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度取（g＝9.8 m/s2）。
重物（质量为m）在2点的速度v2＝______，在5点的速度v5＝________，此过程中动能增加量ΔEk＝____， 重力势能减少量ΔEp＝____。
10．如图是利用气垫导轨验证机械能守恒定律的实验装置，主要实验步骤如下：
A．将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平
B．释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间t
C．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离l
D．用天平称出托盘和砝码的总质量m
E．……
回答下列问题：
（1）步骤A ~ D的正确操作顺序为___________；
（2）以下物理量中还需要测量的是___________；（填选项前字母）
A．滑块和遮光条的总质量M
B．遮光条从释放到光电门运动的时间
C．遮光条的宽度d
D．托盘和砝码下降的高度h
（3）该实验验证的是___________（填“滑块和遮光条”或“滑块和遮光条及托盘和砝码”）与地球组成系统的机械能守恒关系。
11．某实验小组用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，已知实验室所用的电源为学生电源，输出电压为的交流电和直流电两种。重锤从高处由静止开始落下，拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带进行测量和计算，即可验证机械能守恒定律。
（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．按照图示的装置安装器件
B．将打点计时器接到电源的直流输出端上
C．先释放悬挂纸带的夹子，再接通打点计时器，打出一条纸带
D．测量打出的纸带上某些点之间的距离
E．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能
其中操作不恰当的步骤是_______（选填选项前面的字母序号）。
（2）通过处理实验数据发现，重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，其主要原因为________。
12．一位同学为验证机械能守恒定律，利用光电门等装置设计了如下实验。使用的器材有：铁架台、光电门1和2、轻质定滑轮、通过不可伸长的细绳连接的钩码A和B（B左侧安装挡光片）。
实验步骤如下：
①如图1，将实验器材安装好，其中钩码A的质量比B大，实验开始前用一细绳将钩码B与桌面相连接，细绳都处于竖直方向，系统静止。
②用剪刀剪断钩码B下方的细绳，使B在A带动下先后经过光电门1和2，测得挡光时间分别为t1、t2。
③用螺旋测微器测量挡光片沿运动方向的宽度d，如图2，则d＝________mm。
④用挡光片宽度与挡光时间求平均速度，当挡光片宽度很小时，可以将平均速度当成瞬时速度。
⑤用刻度尺测量光电门1和2间的距离L（L d）。
⑥查表得到当地重力加速度大小为g。
⑦为验证机械能守恒定律，请写出还需测量的物理量（并给出相应的字母表示）________，用以上物理量写出验证方程_________。
⑧实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，请写出一条产生误差的原因_________。
参考答案
1．AC 4.56 4.54 在误差允许的范围内（重锤减小的重力势能等于增加的动能）机械能守恒
【详解】
（1）[1]A．实验要验证的关系是
两边消掉m，则实验时不需要称量重物质量，故A正确；
B．打点计时器应用交流电源供电，故B错误；
C．选用重物时，同样大小、形状的重物应选重一点的比较好，故C正确；
D．实验时，应该先接通电源，然后松开纸带让重物下落，故D错误。
故选AC。
（2）[2]从点O到打下计数点C的过程中，物体重力势能的减少量为
[3]利用匀变速直线运动的推论有
动能的增加量为
[4]根据以上实验数据可以得出实验结论：实验误差允许的范围内，重锤减小的重力势能等于增加的动能，即机械能守恒。
2．3.48 1.24 1.28 < 存在空气阻力
【详解】
（1）[1]由下至上相邻两点间位移标记为、、、、，由匀变速直线运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得
（2）[2][3]t2~t5内 ，重力势能增量
t2时刻小球的速度
动能减少量
（3）[4][5]由上述计算可得
造成这种结果的主要原因是存在空气阻力。
3．
【详解】
[1]从重锤开始下落到打点计时器打下B点时，重锤重力势能的减小量为
[2]动能的增加量为
4．丙 小于 C 重力加速度
【详解】
（1）[1] 为了减小实验误差，释放前必须保持提起的纸带处于竖直位置，并且使重物靠近打点计时器，故合理的位置为丙图。
（2）[2] 由于下落中存在阻力，因此重锤动能的增加量小于其重力势能的减少量
（3）[3]根据
即
整理得
故选C。
[4]图像的斜率为重力加速度
5．AB B D C
【详解】
（1）[1]验证机械能守恒定律实验，空气阻力和摩擦阻力是主要的影响因素，设法减小空气阻力和摩擦阻力可以减小实验的系统误差，选用质量和密度较大的重锤，可以减小空气阻力；使两限位孔在同一竖直面内上下对正，可以减小摩擦阻力。本实验中，重锤质量是不需要测出的，因为可以消去。故选AB。
（2）[2][3]本实验的原理是
或表示为重力势能的减少量等于动能的增加量，即
如果初速度为0，上式可简化成
所以需要直接测量的是重锤下落的高度△h，故选B；通过计算得到的是与下落高度对应的重锤的瞬时速度v2。故选D。
（3）[4]本实验不可以用加速度为g的匀变速直线运动公式计算打F点时的速度，因为如果这样做，相当于承认了机能守恒定律，故A、B错误
可以用“在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于对应时间段的平均速度”来计算打F点时的速度vF，即
故C正确，D错误。
故选C。
6．AC 1.96 2.21 2.25 C
【详解】
（1）[1]A．要验证的关系为
两边可消掉质量m，则不需要用天平称出重锤的质量，选项A符合题意；
B．操作时，应先接通电源后释放纸带，选项B不符合题意；
C．打点计时器本身就是计时仪器，则不需用秒表测重锤下落的时间，选项C符合题意；
D．释放纸带时，夹子应靠近打点计时器，选项D不符合题意；
故选AC。
（2）[2]若根据表达式
验证机械守恒，为减小误差，所选择的纸带第1、2两点间距应接近
（3）[3][4]则打点时，重锤的速度
动能
从开始下落起至点，重锤的重力势能减少量是
（4）[5]由能量关系
即
则图像为过原点的直线，故选C。
7．AB AC 2.25 大于
【详解】
（1）[1] 打点计时器使用交流电源，实验中需要测量点迹间的距离，从而得出瞬时速度和下降的高度，所以需要刻度尺；要验证的表达式两边都有质量，则不需要天平测质量。
故选AB。
（2）[2] A．保持纸带竖直方向以减小与限位孔之间的摩擦阻力作用，A正确；
B．验证机械能守恒时，不一定要选择纸带上打出的第一个点作为起点，但如果不选择第一个点作为起点，必须求出打第一个点时的速度，B错误；
C．电磁打点计时器采取的机械式的振针打点，打点时产生的摩擦力比电火花计时器大，C正确；
D．为了减小空气阻力的影响，选择较重的物体作为重物实验效果更好，D错误。
故选AC。
（3）[3] 打下C点时重物的速度
（4）[4] 设空气阻力是，根据动能定理有
整理得
由图像可知
由于P的斜率大于Q的斜率，空气阻力相同，所以P的质量大于Q的质量。
8．1.84 1.69 1.74 =gh
【详解】
[1]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，由此可以求出B点的速度大小为
[2][3]所以
，
[4]可认为在误差范围内存在关系式
即可验证机械能守恒定律。
9．1.5m/s 2.075m/s 1.03m 1.06m
【详解】
[1]重物（质量为m）在2点的速度
[2]在5点的速度
[3]此过程中动能增加量
[4]重力势能减少量
10．ACBD AC 滑块和遮光条及托盘和砝码
【详解】
（1）[1] 利用气垫导轨验证机械能守恒定律的实验装置，主要实验步骤为：将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平，将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离l，释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间t，用天平称出托盘和砝码的总质量m……，则步骤A ~ D的正确操作顺序为ACBD。
（2）[2]由气垫导轨的性质可知物体经过光电门的速度为，因此机械能守恒为
还需要测量的是滑块和遮光条的总质量M和遮光条的宽度d。
故选AC。
（3）[3] 该实验验证的是滑块和遮光条及托盘和砝码与地球组成系统的机械能守恒关系。
11．BC 主要原因是纸带和打点计时器之间存在摩擦，以及重物在下落过程中空气阻力产生的。
【详解】
（1）[1] 应该将打点计时器接到电源的交流输出端上，打点计时器才能正常工作；实验过程中应先接通打点计时器，再释放悬挂纸带的夹子。
故操作不恰当选BC。
（2）[2] 主要原因是纸带和打点计时器之间存在摩擦，以及重物在下落过程中空气阻力产生的。
12．6.710 钩码A、B的质量m1、m2 克服空气阻力和摩擦阻力做功，导致机械能减少
【详解】
③[1]根据螺旋测微器测量原理可得
d＝6.5mm＋21.0×0.01mm＝6.710mm
⑦[2][3]设钩码A、B的质量分别为m1、m2，挡光片经过光电门1、2的速度分别为
，
对A、B构成的系统，据机械能守恒定律可得
联立可得
所以为验证机械能守恒定律，还需测量钩码A、B的质量m1、m2。
⑧[4]由于纸带在下落过程中，重物会受到空气阻力，纸带会受到摩擦阻力，克服空气阻力和摩擦阻力做功，导致机械能减少。