实验6-2 验证机械能守恒定律（抢分巧练）-剑指2019年高考物理的13个抢分实验 19页

剑指2019年高考物理的13个抢分实验 实验6.2 验证机械能守恒定律 抢分巧练 ‎◎考题实战 掌握高考脉搏 ‎1．(2015·浙江理综，21)甲同学准备做“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”实验。‎ 图1‎ ‎(1)图1中A、B、C、D、E表示部分实验器材，甲同学需在图中选用的器材________；乙同学需在图中选用的器材________。(用字母表示)‎ 图2‎ ‎(2)某同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图2所示的两条纸带①和②。纸带________的加速度大(填“①”或“②”)，其加速度大小为________。‎ ‎【答案】　(1)AB　BDE　(2)①　(2.5±0.2) m/s2‎ ‎2．[2015广东理综，34(1)]某同学使用打点计时器测量当地的重力加速度。‎ ‎①请完成以下主要实验步骤：按图(a)安装实验器材并连接电源；竖直提起系有重物的纸带，使重物________(填“靠近”或“远离”)计时器下端；________，________，使重物自由下落；关闭电源，取出纸带；换新纸带重复实验。‎ ‎②图(b)和(c)是实验获得的两条纸带，应选取________(填“b”或“c”)来计算重力加速度。在实验操作和数据处理都正确的情况下，得到的结果仍小于当地重力加速度，主要原因是空气阻力和________________。‎ ‎【答案】　①靠近　先接通打点计时器电源，再释放纸带 ‎②b　纸带与打点计时器之间有摩擦 3． ‎（2016·上海卷）在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，用到的传感器是 传感器。若摆锤直径的测量值大于其真实值会造成摆锤动能的测量值偏 。（选填：“大”或“小”）。‎ ‎【解析】在实验中，摆锤的速度通过光电门进行测量，测量的速度是通过小球直径与挡光时间的比值进行计算，为：，当摆锤直径测量值大于真实值时，小球直径会变大，导致计算出的小球速度变大，故小球动能也会变大。‎ ‎【答案】光电门；大 ‎4．[2016·北京理综，22(2)]利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。‎ 图甲 ‎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．速度变化量与势能变化量 C．速度变化量与高度变化量 ‎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，得到图乙所示的一条纸带。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＝________。‎ 图乙 ‎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 图象，并做如下判断：若图象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是否正确的。‎ ‎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，则v2＝2(g－)h可知，v2－h图象就是过原点的一条直线。要想通过v2－h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g。‎ ‎【答案】　①A　②AB　③－mghB　m()2　④C ‎⑤不正确，理由见解析 ‎5．(2016江苏卷，11)某同学用如图1所示的装置验证机械能守恒定律．一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点．光电门固定在A的正下方．在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条．将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v＝作为钢球经过A点时的速度．记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒．‎ 图1‎ ‎(1)ΔEp＝mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到　____________之间的竖直距离．‎ A．钢球在A点时的顶端 B．钢球在A点时的球心 C．钢球在A点时的底端 ‎(2)用ΔEk＝mv2计算钢球动能变化的大小．用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图2所示，其读数为　________cm.某次测量中，计时器的示数为0.0100 s，则钢球的速度为v＝　_________m/s.‎ 图2‎ ‎(3)下表为该同学的实验结果：‎ ΔEp(×10－2J)‎ ‎4.892‎ ‎9.786‎ ‎14.69‎ ‎19.59‎ ‎29.38‎ ΔEk(×10－2 J)‎ ‎5.04‎ ‎10.1‎ ‎15.1‎ ‎20.0‎ ‎29.8‎ 他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的．你是否同意他的观点？请说明理由．‎ ‎(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议．‎ ‎【答案】　(1)B　(2)1.50 (1.49～1.51都算对)　1.50　(1.49～1.51都算对)‎ ‎(3)不同意，因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp ‎(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度为L和l，计算ΔEk时，将v折算成钢球的速度v′＝v ‎6．(2016·全国卷Ⅰ，22)某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图(b)所示。‎ 图(a)‎ 图(b)‎ 该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其它题给条件进行推算。‎ ‎(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，打出C点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度大小为________。‎ ‎(2)已测得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，s3＝10.10 cm；当重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为________Hz。‎ mg－F阻＝ma②‎ 由已知条件F阻＝0.01mg③‎ 由②③得a＝0.99g 由①得f＝，代入数据得f≈40 Hz ‎【答案】　(1)(s1＋s2)　(s2＋s3)　(s3－s1)　(2)40‎ ‎7.(2017·天津卷，9(2))如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律．‎ ‎(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是　____.‎ A．重物选用质量和密度较大的金属锤 B．两限位孔在同一竖直面内上下对正 ‎ C．精确测量出重物的质量 D．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物 ‎(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示．纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点．重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有　________.‎ A．OA、AD和EG的长度 B．OC、BC和CD的长度 C．BD、CF和EG的长度 D．AC、BD和EG的长度 ‎【答案】　(1)AB　(2)BC ‎◎考法模拟 悟透破题之道 ‎8．(2018·青岛二中高考打靶卷)某活动小组利用图甲装置验证机械能守恒定律．钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB.用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度．测出两光电门间的距离为h，当地的重力加速度为g.‎ ‎(1)用20分度游标卡尺测量钢球的直径，读数如图乙所示，钢球直径为D＝　________cm.‎ ‎(2)要验证机械能守恒，只要比较　________.‎ A．D2(－)与gh是否相等 B．D2(－)与2gh是否相等 C．D2(－)与gh是否相等 D．D2(－)与2gh是否相等 ‎(3)钢球通过光电门的平均速度　________(选填“＞”或“＜”)钢球球心通过光电门的瞬时速度，由此产生的误差　________(选填“能”或“不能”)通过增加实验次数减小．‎ ‎【答案】　(1)0.950　(2)D　(3)＜　不能 ‎9．（2016湖北省八校高三第一次联考）某同学用如图所示装置来验证机械能守恒定律．将单摆用磁铁悬挂在铁质黑板上的O点，在O点下方将穿在圆环状磁铁的细铁钉同样吸在黑板上的P点，同时在黑板上用粉笔画一条水平线MN，将细线拉直，让非磁性摆球从MN上的A点由静止释放．当其摆至另一侧最高点时，观察其位置是否在水平线上，从而验证摆球在此过程中在误差范围内机械能是否守恒．‎ ‎（1）为进行多次实验验证，该同学通过调整 ，然后再次重复实验。‎ ‎（2）在实验中，该同学发现小球摆至右侧最高点时位置总比水平线MN略低，造成该结果的原因是 （写出一条即可）。‎ ‎【解析】‎ ‎【答案】P点的位置或水平线的高度 ‎ 空气阻力或黑板阻力或与铁钉接触过程能量损失均可 ‎ ‎10．在利用电磁打点计时器(所用电源频率为50Hz)“验证机械能守恒定律”的实验中：‎ ‎(1)某同学用如图甲所示装置进行实验,得到如图乙所示的纸带,把第一个点(初速度为零)记作O点,测出点O、A间的距离为68.97cm,点A. C间的距离为15.24cm,点C. E间的距离为16.76cm,已知当地重力加速度为9.80m/s2,重锤的质量为m=1.0kg,则打点计时器在打O点到C点的这段时间内,重锤动能的增加量为_________J,重力势能的减少量为_________J.(结果精确到小数点后两位)‎ ‎(2)由于阻力的作用,导致加速度发生变化,利用该装置可以测量重锤下落的加速度a=___m/s2.‎ ‎【解析】‎ ‎(1)C点的速度等于AE段的平均速度,,则动能的增加量 重力势能的减小量 (2) 根据逐差法得：‎ ‎【答案】(1)8.00；8.25 (2)9.5‎ ‎11．在用“打点计时器验证机械能守恒定律”的实验中，质量为m=1.00kg的重物拖着纸带竖直下落，打点计时器在纸带上打下一系列点，如图所示，相邻计数点间的时间间隔为0.04s，P为纸带运动的起点，从P点到打下B点的过程中重力势能的减少量_____________J，在此过程中物体的动能增量_____________J，（，答案表刘三位有效数字）。用v表示各计数点的速度，h表示各计数点到P点的距离，以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线，该图线的斜率表示某个物理量的数值时，说明重物下落过程中的机械能守恒，该物理量是___________。‎ ‎【解析】‎ 利用图线处理数据，物体自由下落过程中机械能守恒，有：，‎ 即：‎ 所以以为纵轴，以h为横轴画出的图线应是过原点的倾斜直线。‎ 那么图线的斜率就等于当地重力加速度g.‎ ‎【答案】2.28 2.26 当地重力加速度g.‎ ‎12．(2016·湖南十三校联考)(4分)如图所示，某同学想利用滑块在倾斜气垫导轨上的运动来验证机械能守恒定律。实验步骤如下：‎ ‎①将长为L、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高H，在导轨上靠右侧P点处安装一个光电门 ‎②用20分度的游标卡尺测量滑块上遮光条的宽度d ‎③接通气源及光电计时器，将滑块从导轨靠近左端某处自由释放。测得滑块通过光电门时遮光时间为Δt。‎ 阅读上面的实验步骤回答下列问题：‎ ‎(1)实验中已知当地重力加速度为g，除上述步骤中测量的物理量之外，还需测量的物理量是________。‎ A．滑块的质量M B．气垫导轨的倾斜角度θ C．滑块释放处遮光条到光电门的距离x D．滑块从开始运动至到达光电门所用的时间t ‎(2)请用题中所给的物理量及第(1)问中所选的物理量写出本实验验证机械能守恒的表达式___________________________________________________________。‎ ‎【答案】　(1)C　(2)2gxH＝L 13． ‎(2016河南信阳一调)如图为验证小球做自由落体运动时机械能守恒的装置图，图中O点为释放小球的初始位置，A、B、C、D各点为固定速度传感器的位置，A、B、C、D、O各点在同一竖直线上。‎ ‎(1)已知当地的重力加速度为g，则要完成实验，还需要测量的物理量是________。‎ A．小球的质量m ‎ B．小球下落到每一个速度传感器时的速度v C．各速度传感器与O点之间的竖直距离h D．小球自初始位置至下落到每一个速度传感器时所用的时间t ‎(2)作出v2－h图象，由图象算出其斜率k，当k＝________时，可以认为小球在下落过程中机械能守恒。‎ ‎(3)写出对减小本实验误差有益的一条建议：________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________。‎ ‎【答案】　(1)BC　(2)2g　(3)见解析 ‎14．(2016新疆乌鲁木齐二诊)某兴趣小组设计了如下的实验，验证弹簧弹性势能的公式Ep＝kx2，式中k 是劲度系数，x是形变量(压缩量或伸长量)。‎ 提供的器材：刻度尺、木板、木块、长度不同的弹簧(材料和规格相同)若干。‎ 第一步：验证弹性势能与形变量的关系。‎ 水平放置的木板左端固定一个弹簧，弹簧处于原长状态，木板与弹簧恰好接触并静止于O点。用外力将木块向左推至A点后释放，木块在运动过程中与弹簧脱离，最终停在B点。测得O、B间的距离为x1，A、B间的距离为x2。重复上述过程多次。‎ ‎(1)若以________为横轴，以x2为纵轴做出的图象为过原点的直线，就验证了弹簧的弹性势能与其形变量的平方成正比的结论。‎ 第二步：验证弹性势能与劲度系数的关系 ‎(2)通过推导可得材料和规格相同但长度不同的弹簧，其劲度系数与弹簧的长度成________比。换用不同长度L的弹簧实验，保证弹簧每次有相同的形变量，测得多组x2。若以为横轴，以________为纵轴做出的图象为过原点的直线，这就验证了弹簧形变量相同时，弹簧的弹性势能与其劲度系数成正比的结论。‎ ‎(3)用本实验提供的器材和方法________(填“能”或“不能”)验证弹性势能公式中的系数。‎ ‎【答案】　(1)(x2－x1)2　(2)反　x2　(3)不能 ‎15．用如图甲所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1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．如图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，所用电源的频率为50‎ ‎ Hz，计数点间的距离如图所示．已知m1＝50 g、m2＝150 g，则：(结果均保留两位有效数字)‎ ‎(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝　________　m/s；‎ ‎(2)在打下第0点到打下第5点的过程中系统动能的增量ΔEk＝　________　J，系统重力势能的减少量ΔEp＝　________　J；(取当地的重力加速度g＝10 m/s2)‎ ‎(3)若某同学作出v2h图象如图丙所示，则当地的重力加速度g＝　________　m/s2.‎ 图丙 ‎【答案】　(1)2.4　(2)0.58　0.60　(3)9.7‎ ‎16．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 ‎17．利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳和一质量为m的小球相连；遮光片两条长边与导轨垂直，导轨上B点有一光电门，可以测量遮 光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B处的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A处由静止开始运动．‎ ‎(1)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk＝　________，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝　________，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp，则可认为系统的机械能守恒．(用题中字母表示)‎ ‎(2)在上次实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的v2d图象如图乙所示，并测得M＝m，则重力加速度g＝　______ m/s2.‎ ‎【答案】　(1)　gd　(2)9.6‎ ‎18．(2016安徽省八校高三期中)某实验小组用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”实验。‎ ‎(1)实验中除了打点计时器，还必须用到的测量工具为________。‎ ‎(2)在实验操作和数据处理过程中，下列做法必须有的是________。‎ A．用天平测出重物的质量 B．为减小长度测量的误差，处理纸带时每五个点取一个计数点 C．必须选择打的第1个点与第2个点的间隔约为2 mm的纸带 D．必须先接通电源，再释放纸带 ‎(3)图乙为实验中得到的一条纸带，O为打的第一个点，A、B、C、D、E为纸带上打点计时器打出的五个连续的点，测出这五点到O点的距离分别为xA、xB、xC、xD、xE。打点计时器所接交流电的频率为f，当地的重力加速度为g，现用OC段验证机械能守恒定律，要验证的表达式为________，若实验中算得动能的增加量大于重力势能的减少量，可能原因是__________________________。‎ ‎(4)根据打出的纸带算出离打第一个点较远处连续几个点时的速度，以为纵轴，以x为横轴绘－x 图线，如果图线是________，且图线的斜率等于________，则机械能守恒得到验证；如果根据打点间隔算出打每个点重物运动的时间t，根据测得的x和算得的t，作出－t图象，如果图线是________，且图线的斜率等于________，则机械能守恒定律得到验证。‎ ‎【解析】　‎ ‎(4)如果机械能守恒，由＝gx可知，则－x图线为一条过原点的倾斜直线，图线的斜率为当地的重力加速度g；如果机械能守恒，则重物做自由落体运动，由x＝gt2知＝gt，因此－t图线是一条过原点的直线，图线的斜率为当地重力加速度的一半，即机械能守恒定律得到证实。‎ ‎【答案】　(1)刻度尺　(2)D ‎(3)gxC＝，先释放纸带后接通电源 ‎(4)过原点的倾斜的直线　g　过原点的倾斜的直线　当地重力加速度的一半 ‎19．（2016江西省南昌二中上期第四次考试）利用如图1实验装置探究重锤下落过程中重力势能与动能的转化问题．‎ ‎（1）图2为一条符合实验要求的纸带，O点为打点计时器打下的第一点．分别测出若干连续点A、B、C…与 O点之间的距离h1、h2、h3…．已知打点计时器的打点周期为T，重锤质量为m，重力加速度为g，可得重锤下落到B点时的速度大小为_________．‎ ‎（2）取打下O点时重锤的重力势能为零，计算出该重锤下落不同高度h时所对应的动能Ek和重力势能Ep．建立坐标系，横轴表示h，纵轴表示Ek和Ep，根据以上数据在图3中绘出图线Ⅰ和图线Ⅱ．已求得图线Ⅰ斜率的绝对值k1=2.94J/m，图线Ⅱ的斜率k2=2.80J/m．重锤和纸带在下落过程中所受平均阻力与重锤所受重力的比值为_________（用k1和k2表示）．‎ ‎【解析】‎ ‎【答案】（1）；（2）‎ 20. ‎(2018江西抚州模拟)利用气垫导轨可验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，滑块左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连，遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B处的距离，用b表示遮光片的宽度，实验时滑块在A处由静止开始运动．‎ ‎(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度b，结果如图乙所示，由此读出b＝　________　mm.‎ ‎(2)滑块通过B点的瞬时速度大小可表示为vB＝　________　(用题中字母表示)．‎ ‎(3)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处的过程中小球和滑块(包括遮光片)组成的系统动能增加量可表示为ΔEk＝　________　，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝　________　，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp，则可认为系统的机械能守恒．‎ ‎【答案】　(1)3.80　(2)　　(m－)gd ‎ ‎