4.6实验：验证机械能守恒定律同步练习（含解析）2023——2024学年高中物理教科版（2019）必修第二册

4.6 实验：验证机械能守恒定律 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．用自由落体运动验证机械能守恒定律就是看是否等于mghn（n为计时点的编号）。下列说法不正确的是（　　）
A．打点计时器打第一个点0时，重物的速度为0
B．hn是计时点n到第一个点0的距离
C．m为重物的质量，需用天平称量
D．不可以用vn=gtn计算vn，其中（T为打点周期）
2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是（　　）
A．先释放纸带，后接通电源
B．用天平测量重物质量，用秒表测量重物下落时间
C．打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上
D．重物动能的增加量一定大于重力势能的减小量
3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是（　　）
A．实验中不需要天平和刻度尺
B．实验时应先放开纸带，再接通电源
C．电火花打点计时器应接在电压为220 V的直流电源上
D．测量下落高度时，选取的各点应距起始点适当远一些
4．用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验，下列说法中正确的是（　　）

A．图中的打点计时器接交流电源 B．应选择质量大体积小的物体作为重物
C．还必须配备的器材有秒表和刻度尺 D．重物应远离打点计时器由静止释放
5．在做验证机械能守恒定律的实验时，下列操作正确的是（　　）
A．先释放纸带，再打开电源
B．计时器的两个限位孔不必在一条直线上
C．为了便于安装，重物应该选择体积较大、质量较小的物体
D．电磁打点计时器应该接在 4~6 V的交流电源上
6．2021年12月9日，我国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在“天宫课堂”进行太空授课。在太空失重环境下，下列哪个力学实验能在“天和核心舱”中顺利操作（　　）
A．验证力的平行四边形定则
B． 研究匀变速直线运动
C．验证牛顿运动定律
D．验证机械能守恒定律
7．用图示器材做“验证机械能守恒定律”的实验。在即将释放重物前，下列示意图中更合适的是（　　）
A． B． C． D．
8．如图所示，水平速度为、质量为m的子弹击中并穿过静止放在光滑的水平面上质量为M的木块，若木块对子弹的阻力恒定，则下列说法中正确的有（　　）
A．其它量保持不变，子弹速度越大，木块获得速度越小
B．其它量保持不变，子弹质量m越大，木块获得速度越大
C．其它量保持不变，子弹质量m越大，子弹和木块组成的系统损失的机械能越多
D．其它量保持不变，木块的质量M越大，子弹损失的机械能越多
二、多选题
9．航天员在空间站开展基础物理实验，为全国青少年进行太空授课。有同学设想在空间站利用下列装置进行高中物理实验，你认为可行的是（　　）
A．探究两个互成角度的力的合成规律
B．研究平抛运动的规律
C．研究向心力的实验
D．验证机械能守恒定律
10．“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．固定打点计时器时，其限位孔必须在同一竖直面内
B．手抓纸带的位置越靠近打点计时器越好
C．实验中，必须测出重锤的质量
D．实验中，应先接通电源，再释放纸带
11．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法或操作正确的是（　　）
A．实验时应先松开纸带，再接通电源
B．实验时应先接通电源，再松开纸带
C．实验时需用秒表测量重锤下落的时间
D．选用密度大的重锤可减小实验误差
12．关于“验证机械能守恒定律”的实验，下列说法中正确的是（　　）
A．在实验中必须要用天平测出重物的质量、瞬时速度和下落的高度，才能验证机械能守恒定律
B．在实验中因为不需要求出动能和重力势能的具体数值，故不需要用天平测出重物的质量
C．选取纸带时，应尽量挑选第一、二两点间距离接近2mm的纸带，如果没有这样的纸带，实验达不到目的
D．如果没有第一、二两点间距离接近2mm的纸带，本实验仍然可达到目的
三、实验题
13．利用如图所示的装置验证机械能守恒定律。用一小段光滑铁丝做一个“L”型小挂钩，保持挂钩短边水平，并将其固定在桌边。将不可伸长的轻质细线一端系成一个小绳套，挂在小挂钩上，另一端栓一个小球。将细线拉直到水平位置，由静止开始释放小球，当细线竖直时，小绳套刚好脱离挂钩使小球做平抛运动。
(1)若测得小球做平抛运动的水平位移s和下落高度h，已知重力加速度g，则小球做平抛运动的初速度为 ；
(2)细线拉直时，测量小球球心到悬点的距离为l，若l、s、h满足关系式 ，则可验证小球下摆过程中机械能守恒；
(3)若释放小球时，不小心给小球一个向下的初速度，则（2）中求得的关系式是否成立？ （选填“成立”或“不成立”）。
14．为验证“机械能守恒定律”，某同学组装了如图所示实验装置：量角器中心O点安装力传感器并与细线的一个端点固定；细线另一端系一个小球，当小球静止不动时，量角器的零刻度线与细线重合。实验步骤如下：
①测量小球自由静止时力传感器的示数 F0；
②把小球拉离平衡位置一个角度θ，由静止释放小球。记录下θ及运动过程中力传感器的最大示数F；
③改变θ，重复②，获得多组数据。
回答下列问题：
(1)现有半径相等的钢球和木球，为减小实验误差，小球应选______（填字母序号）；
A．质量均匀的钢球 B．质量均匀的木球
(2)若小球运动过程中机械能守恒，下列哪一个关系满足一次函数变化______（填字母序号）
A．F—θ B． C．F—cosθ D．
(3)若忽略空气阻力的影响，理论上细线长度对实验结果 影响（选填“有”或“无”）。
四、解答题
15．某同学用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。
（1）下面操作步骤中，可做可不做的是 （单选）；操作不恰当的是 （多选）
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．用天平测量出重物的质量；
D．释放悬挂纸带的夹子，接通电源开关打出一条纸带；
E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；
F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。
（2）对于本实验操作的说法正确的是 （多选）
A．打点计时器的两个限位孔应在同一条竖直线上
B．应用秒表测出重物下落的时间
C．选用的重物的密度和质量大些，有利于减小误差
D．选用的重物的密度和质量小些，有利于减小误差
（3）实际计算出的重物的动能增量与重物重力势能减少量之间的大小关系， 满足： （填“>”、“=”、“<”）
（4）若实验中所用重物的质量为 1.0kg。某同学选取了一条前两个点间距接近 2mm的纸带，0是打下的第一个点，打点时间间隔为 0.02s，则在纸带上打下点 3时重物的动能的增加量（相对0）= J。（结果均保留三位有效数字）
16．如图，与水平面夹角的斜面和半径的光滑圆轨道相切于B点，且固定于竖直平面内。滑块从斜面上的A点由静止释放，经B点后沿圆轨道运动，恰好通过最高点轨道C。已知滑块与斜面间动摩擦因数。（g取10m/s2，=0.6，求：
（1）滑块在C点的速度大小；
（2）滑块在B点的速度大小；
（3）A、B两点间的高度差h。
17．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。
18．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。
19．如图所示，光滑圆弧面与水平面和传送带分别相切于B、C两处，垂直于。圆弧所对的圆心角，圆弧半径，足够长的传送带以恒定速率顺时针转动，传送带与水平面的夹角。一质量的小滑块从A点以的初速度向B点运动，A、B间的距离。小滑块与水平面、传送带之间的动摩擦因数均为。重力加速度，，。求：
(1)小滑块第一次滑到C点时的速度；
(2)小滑块到达的最高点离C点的距离；
(3)小滑块最终停止运动时距离B点的距离。
第1页 共4页 ◎ 第2页 共4页
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参考答案：
1．C
【详解】A．根据题意可知，物体动能的增加量应为
验证机械能守恒定律就是看是否等于mghn，是将看成零，即打点计时器打第一个点0时，重物的速度为零，故A正确；
B．mghn是物体重力势能的减少量，故hn为点n到第一个点0的距离，故B正确；
C．根据题意可知，看是否等于mghn，质量可以消掉，故不需测量重物的质量，故C错误；
D．实验中应用公式来计算vn，如果用vn=gtn计算速度的话，相当于默认物体做的是自由落体运动，那物体的机械能必然守恒，实验没有意义，故D正确。
本题选错误的，故选C。
2．C
【详解】A．开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重物，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故A错误；
B．由于重力势能的减少量与动能的增加量表达式里均有质量，故不需要用天平测重物质量, 我们可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表，故B错误；
C．为了防止摩擦力增大，打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上，故C正确；
D．由于摩擦力和空气阻力的作用，重物动能的增加量一定小于重力势能的减小量，故D错误。
故选C。
3．D
【详解】A．根据实验原理，质量可消去，所以实验中不需要天平，但需要刻度尺测量距离，故A错误；
B．实验时应先接通电源，再放开纸带，故B错误；
C．电火花打点计时器应接在电压为220 V的交流电源上，故C错误；
D．测量下落高度时，为使误差较小，选取的各点应距起始点适当远一些，故D正确；
故选D。
4．B
【详解】A．图中的电磁打点计时器接左右的交流电源，故A错误；
B．为了减小空气阻力的影响，应选择质量大体积小的物体作为重物，故B正确；
C．本实验不需要用秒表测时间，需要用刻度尺测量纸带上计数点间的距离，故C错误；
D．为了充分利用纸带，重物应靠近打点计时器由静止释放，故D错误。
故选B。
5．D
【详解】A．先打开电源，再释放纸带，故A错误；
B．计时器的两个限位孔在一条直线上，以减小摩擦，故B错误；
C．为了减小空气阻力影响，重物应该选择体积较小、质量较大的物体，故C错误；
D．电磁打点计时器应该接在 4~6 V的交流电源上，故D正确。
故选D。
6．A
【详解】A．验证力的平行四边形定则实验中，不涉及重力问题，可在空间站中进行，故A正确；
B．研究匀变速直线运动实验中，在完全失重情况下，重物不能在斜面上下滑，该实验不能进行，故B错误；
C．探究加速度与物体受力及物体质量的关系实验中，在完全失重情况下，小车不能在斜面上下滑，该实验不能进行，故C错误；
D．验证机械能守恒定律实验中，在完全失重情况下，重物不能下落，该实验不能进行，故D错误。
故选A。
7．D
【详解】A．做“验证机械能守恒定律”的实验，应选择体积小，质量大的物体，例如重锤作为运动物体，这样运动过程之中空气阻力小，机械能近似守恒，而大铁片由于体积（表面积）较大，运动过程空气阻力较大，会造成实验目的难以达成，A错误；
B．实验前要让重锤（夹子）靠近打点计时器，这样释放后纸带才有较高的利用率，可以得到更多的实验数据，减小误差，B错误；
C．打点计时器安装时要让两个限位孔在同一条竖直线上，这样纸带下落时限位孔对纸带的摩擦阻力才小，以达到机械能近似守恒的实验目的，C错误；
D．图中打点计时器正确安装，两限位孔在同一竖直线上，释放前重锤（夹子）靠近打点计时器，D正确。
故选D。
8．A
【详解】
A．在同一坐标系中画出子弹和木块的v-t图像，子弹的质量m不变，子弹的加速度恒定，木块的加速度也恒定，子弹速度v0越大，子弹穿过木块的时间越短，则木块获得的速度越小，故A正确；
B．当子弹的质量m变化时，由于子弹所受的阻力恒定，则子弹的加速度将随着质量减小而变大，而木块的加速度恒定，两者的速度图像如图所示。设木块的长度为L，则当子弹穿出时，子弹的位移比木块的大L，则由速度图像可知，子弹的速度曲线与木块的速度曲线所围成的梯形面积在数值上应等于L。由图像可知，当子弹质量m越大时，穿出木块的时间t1小于于质量小时穿出木块的时间t2，则木块获得的速度也将变小，故B错误；
C．系统损失的机械能等于系统克服阻力所做的功
故只要子弹穿出，子弹和木块组成的系统损失的机械能不变，故C错误；
D．木块质量M越大，木块的加速度越小，子弹穿出时所用时间越小，子弹穿出所用时间越短，子弹穿出的速度越大，木块的速度越小，因而子弹损失的机械能减小，故D错误。
故选A。
9．AC
【详解】由于在空间站中处于完全失重状态，涉及到重力的实验探究无法正常完成；则研究平抛运动的规律和验证机械能守恒定律这两个实验无法在空间站中进行探究；而探究两个互成角度的力的合成规律和研究向心力的实验都不需要利用重力，所以都能在空间站中进行探究。
故选AC。
10．AD
【详解】A．为了减少纸带与打点计时器之间的摩擦，固定打点计时器时，其限位孔必须在同一竖直面内，故A正确；
BD．为了充分利用纸带，应用手抓纸带的上端，且离打点计时器远一些，使重锤靠近打点计时器，实验中，应先接通电源，再释放纸带，故B错误，D正确；
C．由于验证机械能守恒的表达式中，重锤的质量可以约去，所以不需要测出重锤的质量，故C错误。
故选AD。
11．BD
【详解】AB．为了避免纸带上出现大量的空白段落，实验时，应先接通电源，再松开纸带，故A错误，B正确；
C．实验中利用到打点计时器，该仪器本身就是一种计时仪器，因此实验不需用秒表测量重锤下落的时间，故C错误；
D．为了减小空气阻力的影响，实验应选用密度大的重锤，故D正确。
故选BD。
12．BD
【详解】AB．因为“验证机械能守恒定律”只要证明
即
即可，不必要用天平测出物体的质量，故A错误，B正确；
CD．物体在自由下落时不一定从刚打完一个点开始下落，即若点是开始下落的点，第一个离点的时间间隔可以小于秒，故第一、二点间的距离不一定接近，可能小于，故C错误，D正确。
故选BD。
13．(1)
(2)
(3)不成立
【详解】（1）设运动时间为，水平方向
竖直方向
联立可得
（2）小球球心到悬点的距离为l，小球抛出时，根据机械能守恒定律
结合
可得
（3）若释放小球时，不小心给小球一个向下的初速度，根据动能定理可得
结合
可得
显然不成立。
14．(1)A
(2)C
(3)无
【详解】（1）为减小空气阻力的影响，小球应选质量大，体积小的钢球。
故选A。
（2）小球从静止运动到最低点，根据机械能守恒定律，有
最低点时绳上有最大拉力，根据牛顿第二定律，有
联立可得
满足一次函数关系。
故选C。
（3）若忽略空气阻力的影响，理论上有
联立可得
可知细线长度对结果无影响。
15． C BD/DB AC/CA < 5.28
【详解】（1）[1]实验中要验证的表达式两边都有物体的质量m，可以消掉，则不需要用天平测量出重物的质量，即步骤C可做可不做；
[2]操作不当的步骤有：
B．应该将打点计时器接到电源的交流输出端上；
D．应该先接通电源，然后释放悬挂纸带的夹子，打出一条纸带；
（2）[3]A．为了减小纸带和打点计时器间的摩擦，则打点计时器的两个限位孔应在同一条竖直线上，选项A正确；
B．打点计时器本身就是计时仪器，则不需要用秒表测出重物下落的时间，选项B错误；
CD．选用的重物的密度和质量大些，有利于减小误差，选项C正确，D错误。
故选AC。
（3）[4]由于重物下落过程中有阻力影响，则实际计算出的重物的动能增量小于重物重力势能减少量， 即满足
<
（4）[5]在纸带上打下点 3时重物的速度
动能的增加量
16．（1）2m/s；（2）4.29m/s；（3）1.38m
【详解】（1）滑块恰好通过最高点轨道C，故可得滑块在最高点C时，由重力提供向心力，有
解得
（2）滑块在光滑圆轨道上运动，机械能守恒，故有
解得
（3）滑块从A到B只有重力、摩擦力做功，故由动能定理可得
解得
17．（1）见解析；见解析；（2）守恒
【详解】（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。
18．(1)10m/s；
(2)0.25；
(3)水平恒力F的范围为F≥1.75N或0.5N＜F≤1N。
【详解】(1)小滑块做平抛运动，设C点的速度为vC则
s=vct
得
(2) A到B过程，由动能定理
在B点
得
由图象得，当F=0.5N，FN=2N代入得μ=0.25；
(3) 要使小滑块始终不脱离轨道，则当小球运动到与O点等高时速度恰好为0，或恰好到最高点由重力提供向心力；
当小球运动到与O点等高时速度恰好为零
Fs-μmgs-mgR=0
同时要求小滑块能运动到B点
得0.5N＜F≤1N小滑块始终不脱离轨道；
当恰好到最高点由重力提供向心力
得F=1.75N，故当F≥1.75N时小滑块始终不脱离轨道。
19．(1)6m/s；(2)5m；(3)4.8m
【详解】(1)C离B的高度
小滑块从A到C应用动能定律有
物块第一次滑到C点时的速度
(2)物块在传送带上上滑的加速度
由
得
由于
物块在传送带上继续减速上滑的加速度
物体到达的最高点离C点的距离
(3)滑块沿传动带加速返回到C点
C到停止
代入数据解得
小滑块最终停止运动时距离B点的距离为。
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