高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律精练

8.5实验：验证机械能守恒定律同步测试（含答案）

一、单选题

1．关于验证机械能守恒定律的实验，下列说法中正确的是（　　）

A．必须测出重物的质量

B．必须用秒表测出重物下落的时间

C．先释放纸带，再接通打点计时器电源

D．纸带起始端点迹模糊，也可用于验证机械能守恒

2．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

3．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．

4．在“验证机械能守恒定律”实验中，纸带将被释放瞬间的四种情景如照片所示，其中最合适的是      

A．B．C． D．

5．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

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．在研究重物自由下落过程中机械能守恒的实验中，得到如图所示的一条纸带，该纸带上最初打出的几个点不清楚，纸带上留下的是后面的一些点算出打下B、C两点时重物的速度分别是、，测得 B、C两点间的距离为h，那么验证机械能守恒的表达式可写为（　　）

A． B．

C． D．

8．利用自由落体运动验证机械能守恒定律时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度和下落高度．某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案，正确的是（　　）

A．用刻度尺测出物体下落的高度，并测出下落时间，通过计算出瞬时速度

B．用刻度尺测出物体下落的高度，并通过计算出瞬时速度

C．根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，测算出某点的瞬时速度，并通过计算出物体下落至该点的高度

D．用刻度尺测出物体下落至某点的高度，根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，测算出该点的瞬时速度

9．如图所示为“验证机械能守恒定律”的实验装置，在该实验中（　　）

A．需要用秒表测量重物下落的时间

B．需要用刻度尺测量重物下落的高度

C．释放纸带时，重物应尽量远离电火花计时器

D．电火花计时器的工作电压为交流10V以下

10．为验证在自由落体过程中物体的机械能是守恒的，某同学利用实验系统设计了一个实验，实验装置如图所示，图中A、B两点分别固定了两个速度传感器，速度传感器可以测出运动物体的瞬时速度。在实验中测得一物体自由下落经过A点时的速度是v1，经过B点时的速度是v2，为了证明物体经过A、B两点时的机械能相等，这位同学又设计了以下几个步骤，你认为其中不必要或者错误的是(　　)

A．用天平测出物体的质量

B．测出A、B两点间的竖直距离

C．利用mv－mv算出物体从A点运动到B点的过程中动能的变化量

D．验证v－v与2gh是否相等

11．在倾角为30°的斜面上，某人用平行于斜面的力把原来静止于斜面上的质量为2kg的物体沿斜面向上推了2m的距离，并使物体获得1m/s的速度，已知物体与斜面间的动摩擦因数为，g取10m/s2，则在这个过程中（　　）

A．物体机械能增加41J B．摩擦力对物体做功20J

C．合外力对物体做功1J D．物体重力势能增加40J

12．如图所示，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，利用此装置可验证机械能守恒定律．实验中需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h． 某同学对实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案，这些方案中正确的是：         ．

A．用刻度尺测出物体下落高度h，由打点间隔数算出下落时间t，通过v=gt计算出瞬时速度v

B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过 计算出瞬时速度v

C．根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过 计算得出高度h

D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v

二、实验题

13．如图所示为“验证机械能守恒定律”的实验装置，图中物块的质量为，物块B和遮光片的总质量为，，二者用轻质细线通过定滑轮相连接。一开始用手托着B，二者处于静止状态，细线伸直，此时光电门与遮光片的距离为。释放物块B，当遮光片通过光电门时，光电门记录的遮光时间是。用仪器测量遮光片的宽度，重力加速度为。

（1）物块B经过光电门时的速度为______（用题中相关字母表示）。

（2）验证机械能守恒时，在误差允许的范围内，需要满足关系式____________（用题中所给的字母表示）。

（3）在实际运算验证时，第（2）题中的关系式两边的数值总是有些差异，你认为产生误差原因可能是____________（答对一条即可给分）。

14．在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，让重锤自由下落，打点计时器在带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示。O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取连续点中的三个点。已知打点计时器每隔0.02s打一个点，当地的重力加速度为，那么：

（1）该实验___________（填“需要”或“不需要”）测量重锤的质量。

（2）根据图上所得的数据，应取图中O点到___________点来验证机械能守恒定律。

（3）打点B时重物下落的速度大小为___________（结果保留三位有效数字）。

（4）由于阻力的作用，重物重力势能的减少量___________（填“小于”“等于”或“大于”）重物动能的增加量。

15．利用自由落体来验证机械能守恒定律的实验：若已知打点计时器的电源频率为，当地的重力加速度，重物的质量为，实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，其中0为重物刚要下落时打点计时器打出的第一个点，A、B、C为另外3个连续点。

（1）若要验证重物由0点下落到B点的过程中的机械能守恒，则应选择第一、第二两点间的距离接近________mm的纸带；

（2）根据图中数据可知，该过程中重物动能的增加量________J（结果保留三位有效数字），重物重力势能的减少量________J（结果保留三位有效数字）；

（3）本实验产生系统误差的主要原因是________；

16．用如图实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。物体m1用一轻绳绕过定滑轮与m2相连。现将m2从高处由静止开始释放下落一定的高度h，带着m1向上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。如图给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图所示。已知m1=130g、m2=270g，则（不计纸带的质量，g取9.8m/s2，结果保留两位有效数字）

（1）在纸带上打下记数点5时m1、m2的速度v＝__________m/s；

（2）在打下0~5点过程中系统动能的增量Ek＝__________J，系统势能的减少量Ep＝_________J；由此得出的结论是：在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒。

（3）若某同学作出图像如图所示，由图可算得重力加速度g＝______m/s2。查资料发现计算得的重力加速度比当地重力加速度小，主要原因是______。

三、填空题

17．使用电磁打点计时器测量重力加速度g，已知该打点计时器的打点频率为。图是采用较合理的装置并按正确的实验步骤进行实验打出的一条纸带，其中打出的第一个点标为1，后面依次打下的一系列点迹分别标为2、3、4、5…经测量，第15至第17点间的距离为，第1至第16点间距离为，则打下第16个点时，重锤下落的速度大小为_____，测出的重力加速度值为_____。（要求保留两位有效数字）

18．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”）。

19．某实验小组的学生们为探究“机械能守恒定律”设计了如图所示的实验装置：用一个电磁铁吸住一个质量为m，直径为d的小铁球；当将电磁铁断电后，小铁球由静止开始向下加速运动；小铁球经过光电门时，计时装置将记录其通过光电门的时间t。小铁球由静止开始下降至光电门时的高度h，当地的重力加速度为g，那么

(1)小铁球通过光电门的速度v=_______（用d、t表示）；

(2)验证此过程小铁球机械能守恒定律的表达式_____________；   

(3)考虑小铁球在运动过程中受到阻力的因素，其重力势能减少量____动能的增加量（选填 “大于”，“等于”或“小于”）

20．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＝________．

参考答案

1．D

【详解】

A．实验中验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，式子两边都有质量，可以约去，实验不需要测量重物的质量，故A错误；

B．实验不需要用秒表测出重物下落的时间，故B错误；

C．开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，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C错误；

D．纸带起始端点迹模糊，可以选比较清晰的点作为初始位置，所以可以用来验验证机械能守恒，故D正确。

故选D。

2．D

【详解】

A．在重锤下落过程中，重锤需克服空气的阻力及打点计时器对纸带的阻力做功，重锤减少的重力势能在克服阻力做功的过程中消耗掉一部分，因此重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，故A错误；

B．“验证机械能守恒定律”的实验结论与重锤的质量无关，故B错误；

CD．若交流电的频率，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏大，周期值偏小，算得的速度值偏大，动能值也就偏大，则可能出现的结果，故C错误，D正确。

故选D。

3．B

【详解】

2→3的过程

所以需验证的表达式为

即

故选B。

4．D

【分析】

本题考查验证机械能守恒实验中的操作，按照正确的操作要求选择即可．

【详解】

A．纸带弯曲了，在重锤下落过程中，纸带与计时器之间的摩擦会造成较大的实验误差；

B．重锤没有靠紧计时器，纸带上记录的点会比较密集，清晰可用的计数点会减少，增大测量误差，而且纸带弯曲了，在重锤下落过程中，纸带与计时器之间的摩擦会造成较大的实验误差；

C．重锤没有靠紧计时器，纸带上记录的点会比较密集，清晰可用的计数点会减少，增大测量误差；

D．重锤靠紧计时器，纸带上记录的点间距会比较明显，清晰可用的计数点会较为充足，测量误差较小，纸带拉直了，在重锤下落过程中，纸带与计时器之间的摩擦造成的实验误差较小；

5．D

【详解】

如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，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；打点计时器就是计时仪器，不需要秒表测量重锤下落的时间，选项B错误；实验结束应立即切断电源以防仪器的损坏，然后再取下固定在重物上的打好点的纸带，故C错误；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，故D正确．故选D．

6．D

【详解】

试题分析：重力越大，体积越小，受到的空气阻力越小，所以为了减小空气阻力，应选择体积小，质量大的重锤，A错误；因为是根据自由落体运动推导出来的，而自由落体运动满足机械能守恒，即该公式满足机械能守恒，现在需要验证机械能守恒，故不能使用，B错误；在实验时，应先接通电源后释放纸带，C错误；重锤下落的高度可通过纸带上点间的距离来确定，D正确；

考点：“验证机械能守恒定律”的实验

7．B

【详解】

从B运动到C的过程中，重力势能的减少量为

动能的增加量为

所以验证机械能守恒的表达式为

即

故选B。

8．D

【详解】

AB．由于空气阻力和纸带与打点计时器间的摩擦阻力的作用，使得物体由静止开始自由下落的运动不是自由落体运动，而

都是自由落体运动的公式，AB错误；

CD．物体下落到某点时的瞬时速度，应根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度测算得到，而物体下落的高度是用刻度尺测量得到的，不是计算得到的，C错误，D正确。

故选D。

9．B

【详解】

A．打点计时器本身就是计时仪器，则不需要用秒表测量重物下落的时间，选项A错误；

B．需要用刻度尺测量重物下落的高度，选项B正确；

C．释放纸带时，重物应尽量靠近电火花计时器，以充分利用纸带，选项C错误；

D．电火花计时器的工作电压为交流220V，选项D错误。

故选B。

10．A

【详解】

AD．若机械能守恒，则

即验证与2gh是否相等，不需要测量质量，故A错误，符合题意，D正确，不符合题意；

B．实验中需要测量从A到B过程中重力势能的减小量，因此需要测量AB之间的距离h，故B正确，不符合题意；

C．A点运动到B点的过程中利用算出物体从A点运动到B点的过程中动能增加量，故C正确，不符合题意。

故选A。

11．C

【详解】

C．对物体，合外力做功等于动能的增加量，为

故C正确；

D．物体重力势能增加为

故D错误；

A．物体机械能的增加量等于物体动能的增加量以及物体重力势能的增加量的总和，即

故A错误；

B．物体克服摩擦力做功为

则摩擦力对物体做功为，故B错误；

故选C。

12．D

【详解】

AB．瞬时速度应由纸带根据

求出，因为重物下落过程中受到阻力作用，实际加速度小于当地重力加速度，不能用

或者

v=gt

来求速度，故AB错误；

C．应用米尺量出纸带下落高度，不能用

求高度，故C错误；

D．下落高度应用米尺测量，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测出瞬时速度，故D正确。

故选D。

13．        存在阻力作用   

【详解】

（1）物块经过光电门的瞬时速度为

（2）系统重力势能的减小量

系统动能的增加量为

则当系统机械能守恒时

（3）在实际运算验证时，（2）中的关系式两边的数值总是有些差异，可能的原因是存在阻力作用。

14．不需要    B    1.92    大于   

【详解】

(1)在验证机械能守恒时，验证的是重力势能减小量

△EP=mgh

和重锤的动能增加量

是否相等，左右两侧的质量可约去，不需要测量重锤的质量。

(2)在验证机械能守恒时，验证的是重力势能减小量

△EP=mgh

和重锤的动能增加量

是否相等，所以我们要选择能够测h和v的数据，故选B点。

(3)根据中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度可得B点的瞬时速度为

(4)实验中发现重物下落的过程中存在阻力作用，因阻力做功，则导致重物减小的重力势能总是大于重物增加的动能。

15．2mm            见解析   

【详解】

(1)重物从初速度为零开始下落后，在第一个打点周期内重物下落的高度，根据公式有

，

代入数据，可得

应选择第一、第二两点间的距离接近2mm的纸带；

(2)根据匀变速直线运动的推论，可得

该过程中重物动能的增加量

重物重力势能的减少量

(3)本实验产生系统误差的主要原因是由于空气阻力和打点计时器对纸带的摩擦力使重物的机械能减少。

16．2.4    1.15    1.19    9.7    物体细绳和纸带都受到阻力的作用，系统机械能有损失   

【详解】

（1）由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程的平均速度可得

v＝＝m/s＝2.4m/s

（2）0是第一个点，此处速度为零，则

ΔEk＝＝J＝1.15J

m2重力势能减小，m1重力势能增大，所以系统重力势能的减少量为

Ep＝m2gh05－m1gh05＝（m2－m1）gh05＝0.14×9.8×0.864J＝1.19J

（3）由

v2＝2gh

得

知，图象斜率表示g，由图象得

g＝m/s2＝9.7m/s2

物体细绳和纸带都受到阻力的作用，系统机械能有损失，所以实验结果会偏小。

17．2.9    9.8   

【详解】

打下第16个点时,重物下落的速度大小为

根据得

18．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。

19．        大于   

【详解】

（1）根据速度公式可得小铁球通过光电门的速度

（2）实验根据小铁球的重力势能转化为小铁球的动能来探究机械能守恒，即 由（1）知 ，所以小铁球机械能守恒定律的表达式为

（3）根据能量守恒：重力势能转化为动能的同时，还克服空气阻力做功，所以其重力势能减少量大于动能的增加量

20．65.0cm                  

【详解】

（1）根据刻度尺的读数原则，可知其读数为：65.0cm．

（2）物体从B点平抛，所以有：x=v0t     

h2=gt2  

联立解得：v0=x

（3）重力势能的减小量等于重力做功：△Ep=mgh=mg（h1-h2）

动能增量为：△EK=mv02=．