4.6实验：验证机械能守恒定律 课时练习（word版含解析）

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 课时练习（解析版）
1．利用铁质小圆柱的摆动“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示。小圆柱由一根不可伸长的轻绳拴住，轻绳另一端固定在O点，在小圆柱轨迹最低点附近放置光电门。将轻绳拉至水平后由静止释放，光电门测出小圆柱经过光电门的挡光时间为Δt，再用游标卡尺测出小圆柱的直径为d。则：
（1）小圆柱经过光电门时的速度v=___________；
（2）测出悬点到圆柱重心的距离l，用d表示圆柱的直径。改变l，多次操作，测出l及相应的挡光时间Δt。以___________为纵轴、为横轴，利用测得的数据描点连线，若得到的图像是过原点的直线，则可验证机械能守恒定律；若测得该图像的斜率为k，则当地的重力加速度大小为___________。
2．如图所示为验证机械能守恒定律实验中得到的纸带。
（1）若打点计时器的电源频率为50Hz，当地的重力加速度g=9.8m/s2，重物质量为0.2kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，打P点时，重物的速度为零，A、B、C为另外3个连续点，根据图中的数据，可知重物由P点运动到B点，重力势能减少量=___________J，在B点的动能=___________J（计算结果均保留2位有效数字）
（2）实验中发现重物增加的动能总是___________减少的重力势能（选填“大于”、“等于”、“小于”）。
3．如图所示，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置做“验证机械能守恒定律”实验。
（1）该实验是否需要用天平测量出重物的质量_________（选填“是”或“否”）
（2）为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的___________；
A．速度变化量与高度变化量 B．重力做功与重力势能变化量
C．动能变化量与重力势能变化量 D．合外力做的功与动能变化量
（3）以下关于该实验的说法正确的是___________；
A．做实验时，要先接通电源，再释放重物
B．实验中的误差主要是由于空气阻力和摩擦阻力引起的
C．释放重物前，重物应远离打点计时器
D．可以用v=来计算重物下落的速度
（4）安装好实验装置，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图所示。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。设重锤质量为m，当地重力加速度为g，打点计时器打点周期为T。为了验证此实验过程中机械能是否守恒，应满足下面的哪个等式___________（用题中所给字母表示）。
A． B．
C． D．都不正确
（5）若经过计算发现增加的动能大于减少的重力势能，则实验中可能存在的问题是：_______________。
4．（1）某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：
A．用天平称出重物的质量；
B．把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；
C．拆掉导线，整理仪器；
D．断开电源，调整纸带，重做两次；
E．用秒表测出重物下落的时间；
F．用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论；
G．把打点计时器接到低压交流电源上；
H．接通电源，释放纸带；
I．把打点计时器接到低压直流电源上；
J．把打点计时器固定到桌边的铁架台上。
上述实验步骤中错误的是__________，可有可无的是___________
（2）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。（以下均保留4位有效数字）
①打点计时器打出B点时，重锤下落的速度vB=___________m/s，重锤的动能EkB=_______J。
②从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为_________J。
③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B点的过程中，得到的结论是 ______________。
5．在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为，重锤质量设为，当地重力加速度的值为，让重锤自由下落，在纸带上打出一系列点。舍去初始部分点后得到如图纸带，各点对应刻度尺上的刻度值如图所示。
（1）选用的测量仪器除打点计时器外还需要___________；
A．弹簧秤 B．天平 C．毫米刻度尺 D．秒表
（2）打点时的速度大小为____________（结果保留三位有效数字）
（3）若重锤质量从打点到打点，重锤的动能增加了___________，重力势能减少了__________（结果均保留两位有效数字）。
6．验证机械能守恒定律的实验时，需要测重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。
(1)打出纸带第一、二点间距离尽量接近____________mm为最好。
(2)关于实验说法正确的是______________
A．本实验要求重物体积小质量大，且需要测量重物质量
B．用刻度尺测出重物下落高度h，并测出下落时间t，通过计算出瞬时速度v
C．用刻度尺测出重物下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v
D．实验结果重物增加的动能会略小于重物重力势能的减少量，是由于存在空气阻力和纸带与打点计时器的限位孔间的摩擦导致
E．某同学上交的实验报告中，显示重物增加的动能略大于重物减少的重力势能，则出现这一情况的可能原因是用公式计算瞬时速度v
7．小明同学设计出如图甲所示的实验装置来“验证机械能守恒定律”，让小铁球从A点自由下落，下落过程中经过A点正下方的光电门B时，光电计时器记录下小球通过光电门的时间t，当地的重力加速度为g。
（1）为了验证机械能守恒定律，该实验准备了如下器材：铁架台、夹子、铁质小球，光电门、数字式计时器、游标卡尺（20分度），还需要的器材是______。
A．刻度尺 B．天平 C．秒表 D．打点计时器
（2）用游标卡尺测量铁球的直径，主尺示数（单位为cm）和游标的位置如图丙所示，则其直径为______mm。
（3）调整之间距离h，记录下小球通过光电门B的时间t，多次重复上述过程，作出随h的变化图象如图乙所示。若小球下落过程中机械能守恒，该直线斜率______（用d、g表示）。
8．某同学用如图甲所示的装置测重物自由下落的速度。重物从高处由静止开始下落，打点计时器打出一条纸带，A、B和C是纸带上相邻的三个点，如图乙所示。测出A、B间的距离为，B、C间的距离为。已知打点计时器打下相邻两点的时间间隔为T，重力加速度为g。求：
（1）打点计时器打下B点时，重物下落的速度大小___________；
（2）重物下落的加速度g=___________；
（3）如果利用本实验装置验证机械能守恒，用重力加速度g、起点到B点的距离h、、表示验证机械能守恒的表达式：___________。
9．某实验小组让重物带动纸带从静止开始自由下落，利用如图所示装置验证机械能守恒定律。
（1）要完成此实验，除了图中所示的器材及导线和开关外，还必须选用下列器材中__________（填字母标号）
A．交流电源 B．刻度尺 C．天平 D．砝码
（2）在某次实验中，质量为1kg的重物自由下落，在纸带上打出一系列的点，如图所示。若纸带相邻两个点之间时间间隔为0.02s，从起点O到打下点B的过程中，重力势能减少量△Ep=__________J，此过程中物体动能的增加量△Ek=__________J（g取9.8m/s2，结果均保留两位有效数字）
（3）纸带上某点到O点的距离为h，该点的速度v，以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线应是下图中的__________。
A． B． C． D．
10．某同学采用让重物自由下落的方法验证机械能守恒，实验装置如图1所示。该同学从打出的纸带中选出一条理想的纸带，如图2所示。选取纸带上连续打出的三个点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为h1、h2、h3。已知重锤的质量为m，打点计时器打点周期为T，当地的重力加速度为g。从起始点O开始到打下B点的过程中，重锤重力势能的减小量 =______，重锤动能的增加量 =______。在误差允许的范围内，如果=可验证机械能守恒。
11．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）
12．在“验证机械能守恒定律”实验中，某同学采用让重物自由下落的方法验证机械能守恒定律，实验装置如图所示。
（1）除图中给出的器材外，下面列出三种器材，完成实验不需要的是____。
A． 交流电源 B． 刻度尺 C． 天平
（2）实验过程中他进行了如下操作，其中操作不当的步骤是________。
A． 将打点计时器接到直流电源上
B． 先释放纸带，后接通电源
C． 在纸带上选取适当的数据点，并测量数据点间的距离
D． 根据测量结果计算重物下落过程中减少的重力势能及增加的动能
（3）图乙是正确操作后得到的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为sA、sB、sC．已知重物质量为m，当地重力加速度为g，打点计时器的打点周期为T。从打下O点到打下B点的过程中，重物重力势能的减少量_______，动能的增加量________。
（4）由实验数据得到的结果应当是重力势能的减少量________动能的增加量（选填“大于”、“小于”或“等于”），原因是________。
（5）小红利用公式计算重物的速度vC，由此计算重物增加的动能，然后计算此过程中重物减小的重力势能，则结果应当是________。
A． > B． < C． =
参考答案
1．
【详解】
(1)[1]小圆柱经过光电门时的速度为
(2)[2]小圆柱下摆过程，据机械能守恒定律可得
整理得
应以为纵轴、为横轴。
[3]若测得该图像的斜率为k，则满足
解得当地的重力加速度大小为
2．0.098 0.096 小于
【详解】
（1）[1][2] 重物由P点运动到B点，重力势能减少量
相邻两个点的时间间隔
打B点时的速度
在B点的动能
（2）[3]经比较动能增加量和重力势能减少量可得：重物增加的动能总是小于减少的重力势能。
3．否 C AB A 公式计算各点的速度
【详解】
(1)[1]要验证机械能守恒
即验证
故不需要天平。
(2) [2]要验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量，如果在误差允许的范围内两者相等，就验证了机械能守恒，故C正确。
故选C。
(3) [3] AB．在验证机械能守恒定律的实验中，要先接通电源，再释放重物，实验中重力势能的减小量会稍大于动能的增加量，其误差原因主要是由于存在空气阻力和摩擦阻力引起的，故AB正确；
C．为了提高纸带的利用率，释放重物前，重物应靠近打点计时器，故C错误；
D．由机械能守恒定律可知
得到
用v=来计算重物下落的速度，已经默认机械能守恒，故不能用v=来计算重物下落的速度，故D错误。
故选AB。
(4) [4]从O点到B点，重力势能的减小量为
动能的增加量
如果
即满足
就验证了机械能守恒定律，故A正确。
故选A。
（5）[5]若经过计算发现增加的动能大于减少的重力势能，则实验中可能存在的问题是用公式计算各点的速度。
4．I AE 1.175 0.6903 0.6909 在误差允许范围内，重锤的机械能守恒
【详解】
(1)[1]打点计时器使用的是交流电压，不能使用的是直流电压，故I步骤不正确；
[2]因为我们是比较mgh、的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平称重物和夹子的质量，故A不必要；通过打点计时器来读出重锤下落的时间，不需要秒表来测量，故E不必要。
(2) [3] B点的瞬时速度
[4]则B点的动能
[5]重锤重力势能的减小量
[6]重锤从静止开始到打出B点的过程中，重力势能的减少量约等于动能的增加量，故结论是：在误差允许范围内，重锤的机械能守恒。
5．C 2.26 0.86 0.87
【详解】
（1）[1]实验中选用毫米刻度尺测量重物下落的高度和相邻两点间的距离从而算出某个点的瞬时速度；实验中没有用到弹簧秤；由于动能和势能都有物体的质量，可以消去，因此也没必要用天平测出重物的质量；打点计时器就是测量时间的，因此也没用到秒表。
故选C。
（2）[2]G点为FH的中间时刻，因此打G点的速度为FH段的平均速度
（3）[3]打B点的速度为OC段的平均速度
因此重锤的动能增加量
[4] 重力势能减少
6．2 CDE
【详解】
(1)[1]根据
打出纸带第一、二点间距离尽量接近2mm为最好。
[2]A．根据 ，两边的质量可以约云，故本实验不需要测量重物质量，A错误；
BC．用刻度尺测出重物下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，不能通过计算出瞬时速度v，B错误，C正确；
D．实验结果重物增加的动能会略小于重物重力势能的减少量，是由于存在空气阻力和纸带与打点计时器的限位孔间的摩擦导致，D正确。
E．某同学上交的实验报告中，显示重物增加的动能略大于重物减少的重力势能，则出现这一情况的可能原因是用公式计算瞬时速度v，是正确的，因为重物在下落过程中，存在空气阻力和纸带与打点计时器的限位孔间的摩擦，实际的加速度要小于重力加速度，E正确。
故选CDE。
7．A 10.15
【详解】
(1)[1]根据实验原理，本实验还需要测量之间距离h，故需要刻度尺。其他器材均不需要。故选A。
(2)[2] 直径为
(3)[3] 若小球下落过程中机械能守恒，则有
化简得
斜率为
8．
【详解】
（1）[1] 打下B点时，重物下落的速度
（2）[2]根据
即
解得
（3）[3] 重物重力势能的减小量为
动能的增加量为
如果
即
机械能守恒
9．AB 0.48 0.47 B
【详解】
解：（1）[1] 要完成此实验，除了图中所示的器材及导线和开关外，还必须选用：打点计时器需要用交流电源，测量长度需要刻度尺，因此AB正确，CD错误。
故选AB。
（2）[2] 从起点O到打下点B的运动中，重物重力势能减少量
Ep=mghB=1×9.8×4.88×10 2J=0.48J
[3]打B点时的速度
此运动中物体动能的增加量
（3）[4]由机械能守恒定律可得
整理可得
由此可知 h图线是经原点的直线，ACD错误，B正确。
故选B。
10．mgh2
【详解】
[1] 从起始点O开始到打下B点的过程中，重锤重力势能的减小量
[2] B点的速度
重锤动能的增加量
11．1.84 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。
12．C AB mgsB 大于 重物和纸带克服摩擦力和空气阻力做功，有一部分重力势能转化成了内能 C
【详解】
(1)[1]A．需要使用交流电源给打点计时器供电，故A不符合题意；
B．需要使用刻度尺测量点迹间的距离，故B不符合题意；
C．验证机械能守恒定律时，质量可以消去，不需要测量质量，故C符合题意。
故选C。
(2)[2]A． 应该将打点计时器接到交流电源上，故A错误，符合题意；
B． 应该先接通电源，后释放纸带，故B错误，符合题意；
C D． 在纸带上选取适当的数据点，并测量数据点间的距离，再根据测量结果计算重物下落过程中减少的重力势能及增加的动能，故CD正确，不符合题意。
故选AB。
(3)[3]从打下O点到打下B点的过程中，重物重力势能的减少量
[4] 打下B点时，根据匀变速直线运动规律，重物速度
从打下O点到打下B点的过程中，动能的增加量
（4）[5][6]由实验数据得到的结果应当是重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是因为重物和纸带克服摩擦力和空气阻力做功，有一部分重力势能转化成了内能。
（5）[7]若利用公式计算重物的速度vC，则相当于认为重物做的是自由落体运动即不受阻力作用，因此重物的机械能必然守恒，则必有