2021-2022学年高一下学期物理粤教版（2019）必修第二册4.6验证机械能守恒定律 课时练习 (Word版含答案)

4.6验证机械能守恒定律 课时练习（解析版）
一、实验题
1．如图所示是“用DIS实验系统研究机械能守恒定律”的实验装置，本实验中，采用的传感器是_______（填写传感器名）。本实验中，先选取零势能面再进行实验，则零势能面位置的选取对验证摆锤动能与重力势能之和为常数________影响（选填“有”或“无”）。
2．某实验小组利用如图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。
（1）实验前需要调整气垫导轨底座使之水平。
（2）如图乙所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d=___________cm，实验时将滑块从图示位置静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间，则滑块经过光电门时的瞬时速度为___________m/s；在实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、___________和___________（文字说明并用相应的字母表示）。
（3）本实验通过比较___________和___________在实验误差允许的范围内相等（用测量的物理量符号表示），从而验证了系统的机械能守恒。
3．（1）小张做“验证机械能守恒定律”实验，在接通电源、释放纸带之前的情形如图甲所示，已知铁架台置于水平桌面上，打点计时器竖直，请指出图中不合理的地方（至少2处）___________。
（2）利用图乙所示装置可以做力学中的许多实验，以下说法正确的是___________。
A．用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和滑轨间的摩擦阻力的影响
B．用此装置“探究功与速度变化的关系”时，必须调整滑轮高度使连接小车的细线与滑轨平行
C．用此装置“探究加速度a与力F的关系”，每次改变砝码及砝码盘总质量之后，需要重新平衡摩擦力
D．用此装置“探究加速度a与力F的关系”应使小车的质量远小于小盘和盘内砝码的总质量
（3）图丙所示的纸带可能是图___________（选填“甲”或“乙”）所示装置打出的。
4．某实验小组的同学，利用重锤的自由落体运动做“验证机械能守恒定律”实验，利用重锤带动的纸带上打出的点，可以测得重锤下落的距离及对应的初、末速度，由此可计算出重锤减少的重力势能及与之对应的动能增加量，比较两者的量值，可验证自由落体的重锤机械能守恒。
（1）纸带将被释放瞬间的四种情景如照片所示，其中操作最规范的是___________。
A． B． C． D．
（2）实验室提供了铁架台、夹子、导线、重锤、纸带等器材。为完成此实验，除了所给的器材，从下列实验器材中还必须选取的是___________，可选可不选的是___________。
5．利用图1装置做“验证机械能守恒定律“实验。
①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___________。
A．动能变化量与势能变化量
B．速度变化量与势能变化量
C．速度交化量与高度变化量
②除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、打点计时器（含碳粉盒）、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是___________。
A．交流电源 B．刻度尺 C．天平（含砝码） D．秒表
③测量中，先接通电源，再释放重物，得到图2所示的一条纸带，在纸带上起选取三个连续打出的点A、B、C．我们测出它们到起始点的距离分别为。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设用物的质量为m。从O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化为___________，动能变化量___________。
④大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少最大于动能的增加量，原因是___________
A．利用公式计算重物速度 B．利用公式计算重物速度
C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 D．没有采用多次实验取平均值的方法
6．采用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。
（1）若下落重物的质量用表示，在本实验中是否必须对该质量进行测量？___________（填“是”或“否”）；
（2）若实验中打出的部分纸带如图2所示，选取纸带上的连续三个点A、、，测出A、、三点到起始点的距离分别为、、。若已知当地重力加速度为，连接打点计时器的交流电源频率为，则从起始点到打下点的过程中，重物的重力势能减少量___________，重物的动能增加量___________。（用题给物理量符号表示）
（3）本实验中，由于纸带所受摩擦力以及空气阻力等影响，重物的重力势能减少量与动能增加量的关系是：_______（填“”“”“”）。
7．某同学想利用图示装置探究系统机械能守恒问题，设计了如下实验：
①将质量分别为和的质量含遮光片的小球A、B分别固定于一轻杆的左右两端，杆呈水平且处于静止状态，测量出转轴O到A球的距离和到B球的距离，光电门放置于转轴O的正下方，与转轴O的距离也为；
②释放轻杆使A、B两球随轻杆顺时针转动，光电门记录遮光片遮光的时间为；
③测量出遮光片的宽度d，计算有关物理量，验证机械能守恒定律；
④改变小球B的质量，多次重复①~③步骤。
（1）小球B经过光电门时的速度表达式为vB_____用题中测量量表示，此时小球A的速度表达式为vA_____用题中测量量表示
（2）如果系统的机械能守恒，应满足的关系式为________已知重力加速度为g，用题中测量量表示
8．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。
（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）小明同学用两个形状完全相同，但质量不同的重物和分别进行实验，测得几组数据，并作出图像，如图③所示，由图像可判断的质量_______的质量（选填“大于”或“小于”）。
9．在“探究加速度和力、质量的关系”实验中，采用如图2所示的装置图进行实验：
（1）在实验操作中，下列说法正确的是______；（填序号）
A．实验中，若要将砝码（包括砝码盘）的重力大小作为小车所受拉力F的大小，应让砝码（包括砝码盘）的质量远大于小车质量
B．实验时，应先释放小车，再接通打点计时器的电源
C．每改变一次小车的质量，都需要改变垫入的小木块的厚度
D．先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持小车受力不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系
（2）图3为研究“在外力一定的条件下，小车的加速度与其质量的关系”时所得的实验图象，横坐标m为小车上砝码的质量，设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿第二定律成立，则小车的质量为______；
（3）该同学在实验中得到如图所示的一条纸带（两计数点间还有两个点没有画出），已知打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为______m/s2（结果保留三位有效数字）；
（4）利用该装置还可以完成的实验有______。
A．验证动能定理
B．验证小车、砝码和托盘组成的系统机械能守恒
C．只有木板光滑，才可以验证动能定理
D．只有木板光滑，才可以验证小车、砝码和托盘组成的系统机械能守恒
10．图甲是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。
（1）首先测量出遮光条的宽度d.
a.测遮光条的宽度需要用图丙中的_________. （选填“C”或“D”）
b.某同学用卡尺把遮光条夹紧后, 拧紧紧固螺钉再进行读数，如图乙所示读数为________cm.
（2）正确进行实验操作，测出滑块和遮光条的总质量M，钩码质量m，遮光条的宽度用d表示，已知重力加速度为g，现将滑块从图示位置由静止释放。
①本实验中__________M m； （选填“需要”或“不需要”）
②若滑块经过光电门2时钩码未着地，测得两光电门中心间距L，由数字计时器读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1、t2，则验证机械能守恒定律的表达式是_________；
③若滑块经过光电门2时钩码已着地，为验证机械能守恒定律，已测得钩码初始位置离地的高度h，还需测量的一个物理量是__________。.
11．在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度，测得所用的重物质量为1.00 kg，实验中得到一条点迹清晰的纸带，如图所示，第一个点记作O，当打下O点时重物对应的速度为零，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量点，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为、、、，根据以上数据可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于___________J，动能的增加量等于___________J。（取三位有效数字）
12．某同学利用如图所示装置验证机械能守恒定律，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。
（1）装置安装完毕后，该同学先接通打点计时器，紧接着释放纸带进行实验。重复该步骤两次，然后在打出的纸带中选取一条点迹清晰的纸带。
（2）该同学选取的纸带如图所示，在纸带上间距较大处开始每隔三个计时点取一个计数点，标记为1、2、3、4、5、6，测出相邻两个计数点的间距，分别表示为、、、、。已知重物质量为，当地重力加速度为，计时器打点频率末知。为了验证此实验从打计数点2到打计数点5的过程中机械能守恒，需要计算出此过程中重物重力势能的减少量和动能的增加量，则__________，__________。（设交流电频率为，答案用符号表示）
（3）若本题中测得，，不考虑任何阻力，则本题中所用的交流电频率为________。
参考答案
1．光电门 无
【详解】
本实验中，采用光电门传感器来测量瞬时速度，通过来测定速度，从而求出动能。
先选取零势能面再进行实验，这样不同位置的重力势能才有确定的值，而摆锤动能与重力势能之和与零势能的参考位置有关，但不论零势能的位置在何处，动能与势能之和却始终为常数，不过常数值不同而已，故零势能面位置的选取对验证摆锤动能与重力势能之和为常数无影响。
2．0.48 0.4 滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s 滑块的质量M
3．手应抓住纸带的上端，重锤未靠近打点计时器，重锤离桌面太近 B 甲
【详解】
(1)图中不合理的地方有：手应抓住纸带的上端，重锤未靠近打点计时器，重锤离桌面太近。
(2)A．用此装置“研究匀变速直线运动”时，只需利用纸带分析计算小车的速度及加速度即可，不必消除小车和滑轨间的摩擦阻力的影响，A错误；
B．用此装置“探究功与速度变化的关系”时，必须调整滑轮高度使连接小车的细线与滑轨平行，避免形成垂直于滑轨的分力，影响功的计算，B正确；
C．用此装置“探究加速度a与力F的关系”，每次改变砝码及砝码盘总质量之后，不必重新平衡摩擦力，C错误；
D．由牛顿第二定律可得，对小车
对砝码盘
联立解得
当时，，故用此装置“探究加速度a与力F的关系”应使小车的质量远大于小盘和盘内砝码的总质量，D错误。
故选B。
(3)由纸带可知，AB=1.30cm，BC=1.65cm，可估算纸带对应的加速度为
接近重力加速度g，可能是图甲所示装置打出的。
4．D AEF D
【详解】
(1)AB图中纸带弯曲易受摩擦力的作用，C图中重物离打点计时器过远，不能充分利用纸带，故操作最规范的是D。
故选D。
(2)实验中需要打点计时器，交流电源，还需要刻度尺测量纸带上的点距。
故选AEF。
自由落体运动过程，据机械能守恒定律可得
两边的质量m可消去，故质量可测量、可不测量，可选可不选的是天平。
故选D。
5．A AB C
【详解】
验证机械能守恒，即验证动能的变化量和重力势能的变化量是否相等，故A正确，BC错误；
打点计时器使用交流电源，实验中需测量点迹间的距离，从而得出下降的高度以及求解瞬时速度所以需要刻度尺，验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，两边都有质量，可以约去，不需要用天平测量质量，打点计时器可以计时，所以不需要秒表，故选AB；
从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量
B点的速度
则动能的增加量
大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少最大于动能的增加量，原因是存在空气阻力和摩擦阻力的影响，故C正确， ABD错误。
6．否
【详解】
（1）验证机械能守恒定律，即验证重物的在重力势能减少量和重物动能增加量是否相等，左右两侧的重物质量可以约去，不需要测量。
（2）从起始点开始到打下点的过程中，重力势能的减小量
打下点时，重物的速度
重物动能的增量为
（3）由于纸带所受摩擦力以及空气阻力的影响，物体需要克服阻力做功，能量损失，所以重锤重力势能的减少量要大于重锤动能的增加量为。
7． ；
【详解】
（1）由于遮光片通过光电门的时间极短，可以用平均速度表示瞬时速度，小球B经过光电门时的速度为
根据A、B角速度相等，则有
此时小球A的速度为
（2）A、B为一系统，则其重力势能的减少量为
动能的增加量为
若机械能守恒，则满足
即
8．AB AC 大于
【详解】
（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）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）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。
9．D 1.32 AD
【详解】
（1）A．根据牛顿第二定律得
解得
则绳子的拉力为
知当砝码总质量远小于小车质量时，小车所受的拉力等于砝码的总重力，所以应满足的条件是砝码的总质量远小于小车的质量，故A错误；
B．使用打点计时器时，都应该先开电源，后释放纸带，故B错误；
C．由于平衡摩擦力之后有
故
与重物的质量无关，所以不用再次平衡摩擦力，故C错误；
D．本实验采用控制变量法，故D正确。
故选D。
（2）设拉力为F，小车质量为，根据牛顿第二定律得
解得
故
联立解得
（3）由题可知，计数点间的时间间隔
根据
可得
（4）AC．根据动能定理，可知，该装置可以通过纸带算出速度，故可以算出动能，则可以求出动能的改变量；若满足砝码总质量远小于小车质量，则合外力等于砝码总重力，通过纸带可以测出运动的位移，根据W=Fx可以求出合外力做的功，与木板是否光滑对实验没有影响，故A正确，C错误；
BD．要验证系统机械能守恒，木板必须光滑，故B错误，D正确。
故选AD。
10．C 1.350 cm 不需要 遮光条通过光电门2的时间
【详解】
（1）测量遮光条的宽度需要用图丙中的外测量爪，即C；
[2]根据游标卡尺的读数规则可知，分度值为0.05mm，由图示可得读数为
（2）因为研究的是系统内机械能守恒，所以实验中不需要M m；
两个光电门的速度分别为和，因此可得
即
因为滑块经过光电门2时钩码已着地，所以为验证机械能守恒定律，还需要知道两点的速度，因此需要测量遮光条通过光电门2的时间。
11．7.62 7.57
【详解】
重物由O点运动到C点重力势能减小量
1.009.80.7776J=7.62J
在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此重物运动到C点时的速度，等于B到D的平均速度，则有
重物动能的增加量
12． 40
【详解】
（2）重物重力势能的减少量
打2点时的速度
打5点时的速度
动能增加量
（3）由于
代入数据得