【高考突破方案】第五章 实验七验证机械能守恒定律 -强化训练（解析版）高考物理一轮复习

机械能
实验七　验证机械能守恒定律
　
1.为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图a装置，不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h，实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图b，其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：
(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量ΔEp＝________，动能的增加量ΔEk＝______________.(均用题中所给字母表示)
(2)观察图b中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：__________________________________________________________________________________________________________________________________________.
(3)为减小实验误差，实验时应选用密度________(选填“较大”或“较小”)的小球.
【答案】 (1)mgh　　(2)空气阻力做负功，机械能有损失　(3)较大
【解析】 (1)小球第一次摆动至最低点的过程，重心下降了h，则重力势能的减少量为ΔEp＝mgh，小球第一次摆动至最低点，初速度为零，最低点速度为vm，由牛顿第二定律有Fm－mg＝m，而动能的增加量为ΔEk＝mv－0，联立解得ΔEk＝.
(2)根据Ft图像可知小球做周期性的摆动，每次经过最低点时拉力最大，而最大拉力逐渐变小，说明经过最低点的最大速度逐渐变小，则主要原因是空气阻力做负功，导致机械能有损失.
(3)为了减小因空气阻力带来的误差，应选择密度大、体积小的球进行实验.
　2.某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图甲所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接.向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能.
(1)实验中涉及下列操作步骤：
①把纸带向左拉直
②松手释放物块
③接通打点计时器电源
④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量
上述步骤正确的操作顺序是____________(填入代表步骤的序号).
(2)图乙中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为50 Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为____________m/s.比较两纸带可知，________(选填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.
【答案】 (1)④①③②　(2)1.29　M
【解析】 (1)根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②.
(2)物块脱离弹簧时速度最大，
v＝＝ m/s≈1.29 m/s；
由动能定理ΔEk＝mv2，
根据纸带中打点的疏密知M纸带获得的最大速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大.
　3.用如图甲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，可输出交流电和直流电.重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对图中纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律.
(1)下列几个操作步骤中：
A.按照图示，安装好实验装置
B.将打点计时器接到电源的“交流输出”上
C.用天平测出重锤的质量
D.先释放重锤，后接通电源，纸带随着重锤运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点
E.测量纸带上某些点间的距离
F.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
没有必要的是________，操作错误的是________.(填步骤前相应的字母)
(2)在使用质量为m的重锤和打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，在选定的纸带上依次取计数点如图乙所示，纸带上所打的点记录了重锤在不同时刻的位置，那么纸带的______(选填“左”或“右”)端与重锤相连.设打点计时器的打点周期为T，且“0”为打下的第一个点，当打点计时器打点“3”时，重锤的动能表达式为____________________，若以重锤的运动起点“0”为参考点，当打点“3”时重锤的机械能表达式为____________________.
【答案】 (1)C　D　(2)左　Ek＝
E＝－mgx3＋
【解析】 (1)在此实验中不需要测出重锤的质量，所以选项C没必要；在实验时应该先接通电源，再释放重锤，所以选项D错误.
(2)因为是自由落体运动，下落的距离应该是越来越大，所以纸带最左端与重锤相连.打点“3”时的瞬时速度v3＝，重锤动能的表达式Ek＝mv＝m()2＝，重锤重力势能的表达式Ep＝－mgx3，重锤机械能的表达式E＝Ep＋Ek＝－mgx3＋.
　4.利用如图装置做“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的________.
A.动能变化量与势能变化量
B.速度变化量和势能变化量
C.速度变化量和高度变化量
(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、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)
(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到下图所示的一条纸带.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hA、hB、hC.已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝__________，动能变化量ΔEk＝__________.
(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是______.
A.利用公式v＝gt计算重物速度
B.利用公式v＝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
(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2 h图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒.请你分析论证该同学的判断依据是否正确.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
【答案】 (1)A　(2)AB　(3)－mghB　m()2　(4)C　(5)见解析
【解析】 (1)如果机械能守恒，则只有动能和势能相互转化，所以本实验需要比较重物下落过程中任意两点的动能变化量与势能变化量，A正确.
(2)电磁打点计时器需要交流电源，数据处理时需要利用刻度尺测量纸带上的距离，A、B正确；本实验不需要测量重物的质量，所以不需要天平.
(3)从O点到B点，重力势能的变化为ΔEp＝0－mghB＝－mghB，因起始点的速度为零，所以动能的变化量等于B点的动能，B点的速度为v＝，则动能变化量为ΔEk＝mv2＝m()2.
(4)由于实验中存在空气阻力和摩擦阻力，重力势能的减少量等于动能的增加量及摩擦产生的热量之和，所以动能的增加量小于重力势能的减少量，C正确.
(5)该同学的判断依据不正确.在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据mgh－fh＝mv2－0，v2＝2(g－)h，可知v2h图像就是过原点的一条直线.要想通过画v2h图像的方法验证机械能是否守恒，还必须看图像的斜率是否接近2g.
　5.在利用“落体法”探究机械能守恒定律时，实验装置如图甲所示，具体操作如下：
①按照图甲中的装置组装实验器材；
②将下端拴接重物的纸带穿过打点计时器的限位孔，使纸带呈竖直状态，且使重物靠近打点计时器；
③接通电源，待打点计时器打点稳定后释放纸带，在纸带上打下一系列的点；
④换用新纸带多次重复上述操作；
⑤从其中选择一条点迹清晰的纸带，如图乙所示，测量出图乙中的计数点1、2、3到打点计时器所打的第一个点0的间距分别为h1、h2、h3.
由以上操作回答下列问题：
(1)如果重物的质量为m，打点计时器的打点周期为T，重力加速度用g表示，则当打点计时器打下计数点2时重物动能的增加量为______________，重力势能的减少量为______________.
(2)如果以打0点时重物的位置为零势能点，求出重物下落任一高度时的动能以及重力势能，根据得出的多组数据，建立如图丙所示的坐标系，其中图线A为重物的重力势能的绝对值随下落高度的变化规律图线，图线B为重物的动能随下落高度的变化规律图线，且两图线的斜率分别为kA、kB.两图线没有重叠的原因是 .
【答案】 (1)　mgh2　(2)重物和纸带下落过程中需要克服阻力做功
【解析】 (1)打点计时器打下计数点2时重物的速度为v＝，此时重物增加的动能为Ek＝mv2＝2，重物减少的重力势能为mgh2.
(2)图线A与图线B不重叠的主要原因是重物和纸带下落过程中需要克服阻力做功.