4.6实验：验证机械能守恒定律同步练习（Word版含答案）

4.6实验：验证机械能守恒定律同步练习2021—2022学年高中物理教科版（2019）必修第二册
一、选择题（共15题）
1．如图所示是用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置．关于这一实验，下列说法中正确的是
A．重物应选用密度小的物体
B．纸带释放前，应使其竖直
C．应先释放纸带，后接通电源
D．重物减少的重力势能略小于增加的动能
2．在验证机械能守恒定律的实验中，除铁架台、铁夹、学生电源、纸带、打点计时器和重物外，还需选用下述哪种仪器？（ ）
A．秒表 B．刻度尺 C．天平 D．弹簧秤
3．在“验证机械能守恒定律”实验中，能直接从纸带上测得的物理量是 （ ）
A．重物下落的高度
B．重物下落至某高度时的速度
C．重物下落的加速度
D．重物下落过程中减少的重力势能
4．2016年10月19日3时31分，“神舟十一号”载人飞船与“天宫二号”空间实验室成功实现自动交会对接，形成一个组合体，组合体在距离地面393千米高的圆形轨道绕地球做匀速圆周运动，航天员景海鹏、陈冬随后进入“天宫二号”空间实验室，两人将在“天宫二号”空间实验室中进行科学实验和科普活动，下列说法中正确的是
A．“神舟十一号”飞船达到与“天宫二号”同一轨道后，从后面加速追上前面的“天宫二号”实现对接
B．“神舟十一号”飞船需要在较低的轨道上向后喷出炙热气体，才能完成与“天宫二号”的对接
C．“神舟十一号”飞船的发射速度大于11. 2km/s
D．两位航天员可以在“天宫二号”空间实验室中借助重锤和打点计时器为全国中学生演示“验证机械能守恒定律”实验
5．在“验证机械能守恒定律”的实验中,供选择的重物有以下四个，应选择( )
A．质量为100g的钩码 B．质量为10g的砝码
C．质量为200g的木球 D．质量为10g的塑料球
6．图示为“验证机械能守恒定律”的实验装置关于该实验，下列说法中正确的是　　
A．选择体积大、质量小的重锤
B．可用公式计算重锤的速度
C．接通电源和释放纸带必须同时进行
D．重锤下落的高度可通过纸带上点间的距离来确定
7．在做“验证机械能守恒定律”实验时，下列实验操作中正确合理的一项是
A．先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源
B．必须用秒表测出重锤下落的时间
C．先取下固定在重物上的打好点的纸带，再切断打点计时器的电源
D．选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差
8．做“验证机械能守恒定律”的实验时，一同学分析得出的实验结果是重锤重力势能的减少量小于动能的增加量。下列对造成该实验结果的原因分析正确的是（　　）
A．空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力
B．选用重锤的质量过大
C．交流电源的频率大于50Hz
D．交流电源的频率小于50Hz
9．某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，从打出的一条纸带中选取了清晰的点进行研究，根据所学的知识计算出打2、3两计数点时纸带的瞬时速度，并用、表示，用刻度尺测量出2、3两计数点之间的距离，用表示。验证机械能守恒定律的关系式应为（　　）
A．
B．
C．
D．
10．采用如图所示的实验装置进行验证动量守恒定律（图中小球半径相同、质量均已知，且），下列说法正确的是（　　）
A．验证动量守恒定律，需测量OB、OM、OP和ON的距离
B．实验中要求轨道必须光滑
C．实验中要求轨道末端必须保持水平
D．测量时发现N点偏离OMP这条直线，直接测量ON距离不影响实验结果
11．如图为用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置．关于这一实验，下列说法中正确的是
A．打点计时器应接低压直流电源
B．应先接通电源打点，后释放纸带
C．需使用秒表测出重物下落的时间
D．测量物体下落高度时刻度尺必须竖直放置
12．《验证机械能守恒定律》的实验中，对自由下落的重物，下述选择的条件哪种更为有利？（　　）
A．只要有足够重就可以
B．只要体积足够小就可以
C．既要足够重，又要体积非常小
D．应该密度大些，还应便于夹紧纸带，使纸带随同运动时不致扭曲
13．如图为“验证机械能守恒定律”的实验装置. 关于该实验，下列说法中正确的是(　　)
A．电磁打点计时器使用低压直流电
B．可用公式计算重物的速度
C．实验时接通电源和释放纸带应同时进行
D．安装纸带时，应将纸带置于复写纸的下方
14．用如图所示的装置验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量均为M的物块A、B，B上放一质量为m的金属片C，在B的正下方铁架台上固定一金属圆环。开始时金属片C与圆环间的高度为h，由静止释放B，运动一段时间后金属片C被搁置在圆环上（C与轻绳间无接触），测得B通过两数字计时器的时间间隔为t，已知两数字计时器的竖直间距为d。改变h重复实验得到多组数据，为了直观反映数据关系，应绘制（　　）
A．t-h图象 B．图象 C．图象 D．图象
15．“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示. 关于该实验，下列说法正确的是(　　)
A．重物应选用密度小的物体
B．两个限位孔应在同一竖直线上
C．打点计时器应接低压直流电源
D．应先释放纸带，后接通电源
二、填空题（共4题）
16．一、实验思路
机械能守恒的前提是“只有_____________做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。本节实验我们以只有重力做功的过程进行研究。
二、物理量的测量及数据分析
只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化。
（1）要验证的表达式：或＝_____________。
（2）所需测量的物理量：物体所处两位置之间的_____________，及物体的_____________。
三、参考案例
案例1　研究自由下落物体的机械能
实验器材
铁架台（带铁夹）、_____________、重物（带夹子）、________、复写纸（或墨粉盘）、导线、毫米刻度尺、交流电源。
2.实验步骤
（1）安装装置：按图1甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。
（2）打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3~5条打好点的纸带。
（3）选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证。
3.数据处理
（1）计算各点对应的瞬时速度：如图乙所示，根据公式，计算出某一点的瞬时速度vn。
（2）验证方法
方法一：利用起始点和第n点。
选择开始的两点间距接近2 mm的一条纸带，打的第一个点为起始点，如果在实验误差允许范围内mghn＝，则机械能守恒定律得到验证。
方法二：任取两点A、B。
如果在实验误差允许范围内，则机械守恒定律得到验证。
方法三：图像法（如所示）。
若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证。
4.误差分析
本实验的误差主要是纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。
5.注意事项
（1）安装打点计时器时，要使两限位孔的中线在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。
（2）应选用质量和密度较大的重物。
（3）实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。
（4）本实验中的几种验证方法均不需要测重物的质量m。
（5）速度不能用v＝gt或v＝计算，应根据纸带上测得的数据，利用计算瞬时速度。
案例2　研究沿斜面下滑物体的机械能
1.实验器材
气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。
2.实验步骤
如图3所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大。
测量两光电门之间高度差Δh和滑块通过两个光电门时的速度v1、v2，代入表达式验证。
3.物理量的测量及数据处理
（1）测量两光电门之间的高度差Δh；
（2）根据滑块经过两光电门时遮光条的遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。
若遮光条的宽度为ΔL，则滑块经过两光电门时的速度分别为v1＝，v2＝；
（3）若在实验误差允许范围内满足mgΔh＝－，则验证了机械能守恒定律。
4.误差分析
两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小。
17．如图(a)中，悬点正下方P点处放有水平放置炽热的电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出做平抛运动．在地面上放上白纸，上面覆盖着复写纸，当小球落在复写纸上时，会在下面白纸上留下痕迹．用重锤线确定出A、B点的投影点N、M.重复实验10次(小球每一次都从同一点由静止释放)球的落点痕迹如图(b)所示，图中米尺水平放置，零刻度线与M点对齐．用米尺量出AN的高度h1、BM的高度h2，算出A、B两点的竖直距离，再量出M、C之间的距离x，即可验证机械能守恒定律，已知重力加速度为g，小球的质量为m.
(1)根据图(b)可以确定小球平抛时的水平射程为________ cm.
(2)用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度v0＝________．
(3)用测出的物理量表示出小球从A到B过程中，重力势能的减少量ΔEp＝________，动能的增加量ΔEk＝________．
18．某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图甲所示,在气垫导轨上安装个光电门,滑块上固定一遮光条
(1)用天平测得重物的质量为 ,滑块的质量为
(2)用螺旋测微器测遮光条的宽度d测量结果如图乙所示,则d=_______cm.
(3)按图甲所示组装实验装置,将滑块由静止释放测得遮光条起始位置到光电门的距离为x,遮光条通过光电门的时间为t．若实验结果表明,重物和滑块运动过程中机械能守恒,则机械能守恒的表达式为 =______(用已知量相应的字母表示,g为重力加速度).
19．如图所示为用电火花打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置．
（1）若已知打点计时器的电源频率为50Hz，当地的重力加速度g=9.80m/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，重力势能减少量等于___________J．（结果保留3位有效数字）
（2）实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是_________．
A．重物的质量过大 B．重物的体积过小
C．使用的直流电源 D．重物及纸带在下落时受到阻力
三、综合题（共4题）
20．如图，利用气垫导轨装置做“验证机械能守恒定律”实验时，先仔细地把导轨调水平，然后用垫块把导轨一端垫高H，质量为m的滑块上面装l=3cm的挡光框，使它由轨道上端某处滑下，测出它通过光电门G1和G2时的速度v1和v2，就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量ΔEk=m（-）；再算出重力势能的减少量ΔEp=mgh；比较ΔEk和ΔEp的大小，便可验证机械能是否守恒。
（1）已知两光电门间的距离为x，滑块的速度v1、v2如何求出 滑块由G1到G2下降的高度h如何求出
（2）若测得图中L=1m，x=0.5m，H=20cm，m=500g，滑块通过G1和G2的挡光时间分别为5.0×10-2 s和2.0×10-2 s，当地重力加速度g=9.80m/s2，试判断滑块机械能是否守恒。
21．2020年第38届美国公开赛单板滑雪形场地比赛在美国结束，中国选手蔡雪桐夺得冠军，这是中国运动员首次获得美国公开赛金牌。单板滑雪形池如图所示，由两个完全相同的圆弧滑道、和水平滑道构成，圆弧滑道的半径为，、分别为圆弧滑道的最低点，一质量为45kg的运动员从轨道处由静止滑下，由于在到向下滑行过程中运动员做功，运动员在点竖直向上滑出轨道上升的最高点离点高度为10m，滑板的质量为5kg，不计轨道摩擦和空气阻力，重力加速度取，求
(1)在圆弧滑道的点对轨道的压力；
(2)从到的过程中运动员所做的功。
22．如图a所示，AB段是长s=10m的粗糙水平轨道，BC段是半径R=2.5m的光滑半圆弧轨道。有一个质量m=0.2kg的小滑块，静止在A点，受水平恒力F作用，从A点开始向B点运动，刚好到达B点时撤去力F。小滑块经过半圆弧轨道B点时，用DIS力传感器测得轨道对小滑块支持力的大小为FN，若改变水平恒力F的大小，FN会随之变化，实验得到FN-F图像如图b，g取10m/s2。
(1)若小滑块经半圆弧轨道从C点水平抛出，恰好落在A点则小滑块在C点的速度大小是多少？
(2)滑块与水平轨道间的动摩擦因数为多大？
(3)要使小滑块始终不脱离轨道，求水平恒力F的范围。
23．如图所示，长L=9m的传送带与水平方向的夹角=37°，在电动机的带动下以v=4m/s的速率沿顺时针方向运行。在传送带的B端有一离传送带很近的挡板P可将传送带上的物块挡住，在传送带的顶端A点无初速地放一质量m=1kg的物块，它与传送带间的动摩擦因数μ=0.5。物块与挡板碰撞的能量损失及碰撞时间不计(g取10m/s2，sin37°=0.6， cos37°=0.8)。求：
(1)物块从静止释放到第一次返回上升至最高点的过程中系统因摩擦产生的热量；
(2)物块从静止释放到第一次返回上升至最高点的过程中传送带多消耗的电能；
(3)物块的最终状态及电动机在该状态下比无物块时多输出的功率。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．B
2．B
3．A
4．B
5．A
6．D
7．D
8．D
9．B
10．C
11．B
12．D
13．D
14．B
15．B
16． 重力、系统内弹力 高度差 运动速度 打点计时器 纸带
17． 65.0cm
18． 0.5500
19． 9.82×10-2 D
20．
（1）因为挡光框宽度很小，滑块通过光电门的时间极短，可认为挡光框通过光电门时的平均速度等于滑块通过光电门的瞬时速度，所以
v=
其中Δt为挡光框通过光电门时的挡光时间。由几何关系可知
=
便可求得
h=x
H、L、x都是实验时设定的。
（2）由题中所给数据可得
v1==0.6 m/s，v2==1.5 m/s
动能的增加量
ΔEk=m（）=0.473 J，h=x=0.1m
重力势能的减少量
ΔEp=mgh=0.490J
在误差允许的范围内可认为滑块的机械能守恒。
21．(1)2000N；(2)5000J
22．(1)10m/s；
(2)0.25；
(3)水平恒力F的范围为F≥1.75N或0.5N＜F≤1N。
23．(1)100.8J；(2)76.8J；(3)稳态；16W
答案第1页，共2页