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课堂检测

8.5实验：验证机械能守恒定律培优练习（含答案）

一、单选题

1．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

2．如图所示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．必须测出重物的质量

B．应先释放纸带，再接通电源打点

C．需使用秒表测出重物下落的时间

D．即使纸带起始端点迹模糊，也可用来验证机械能守恒定律

3．用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验．下列说法中正确的是

A．该实验必须要使用天平

B．由于空气阻力、纸带与限位孔摩擦等原因，该实验中重物的重力势能减少量小于其动能增加量

C．把秒表测得的时间代入v=gt，计算重锤的速度

D．释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带处于竖直

4．小华同学利用如图所示的装置“验证机械能守恒定律”。下列说法正确的是（　　）

A．电火花计时器工作电压约为8V

B．实验中应先释放纸带，再启动电火花计时器

C．实验中所测重物动能的增加量通常比其重力势能的减少量稍大

D．若打出的纸带前面一小段被损毁，利用纸带剩余部分也能验证机械能守恒

5．利用如图装置验证机械能守恒定律，下列操作错误的是（　　）

A．安装打点计时器时将两限位孔调在一条竖直线上

B．释放纸带时手持纸带上端，保持纸带竖直

C．释放纸带时重物远离打点计时器

D．实验时先接通电源，再释放纸带

6．用如图示装置《验证机械能 守恒定律》实验中，不必要的实验器材是（　　）

A．刻度尺 B．低压交流电源

C．天平 D．电磁打点计时器

7．如图是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。在调整气垫导轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道右端向左运动，发现滑块通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间。为使气垫导轨水平，可采取的措施是（　　）

A．调节P使轨道左端升高一些

B．调节P使轨道左端降低一些

C．遮光条的宽度应适当大一些

D．滑块的质量增大一些

8．如图，小球从左侧斜面上的点由静止滚下，接着冲上平滑对接的右侧斜面，如果没有摩擦，小球能到达的最高位置是图中的（其中、两点等高）（  ）

A．点 B．点 C．点 D．点

9．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．重物动能的增加量一定大于重力势能的减小量

D．打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上

10．如图所示，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

D．速度变化量与重力做功大小

11．下列有关高中物理实验的描述中，正确的是（  ）

A．在“验证力的平行四边形定则”的实验中，拉橡皮筋的细绳要稍长，并且实验时要使弹簧测力计与木板平面平行，同时保证弹簧的轴线与细绳在同一直线上

B．在“验证机械能守恒定律”的实验中，必须要用天平测出下落物体的质量

C．在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，弹簧必须水平使用，以克服弹簧所受重力对实验的影响

D．在“研究平抛物体运动”的实验中，斜槽应尽可能光滑

12．2016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

二、实验题

13．某同学用图甲的实验装置验证机械能守恒定律。

（1）安装好仪器后，实验时应先________（选填“放开纸带”或“接通电源”）；

（2）某次实验得到一条纸带如图乙，在纸带上取一清晰的点记为O，分别测出7个连续点A、B、C、D、E、F、G与O点之间的距离、、、、、、。

（3）已知打点计时器的打点周期为T，重物质量为m，重力加速度为g，结合实验中所测数据，则纸带从O点下落到D点的过程中，减少的重力势能为________，重物增加的动能为________。

（4）接着在坐标系中描点作出如图丙的和图线，求得图线斜率为，图线斜率的绝对值为，则在误差允许的范围内，与满足________关系时重物机械能守恒。若操作规范、计算无误，由于阻力的影响，实际情况________k2（选填“＞”、“＝”或“＜”）；

三、解答题

14．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。

15．如图所示，倾角为30°的光滑斜面的下端有一足够长的水平传送带，传送带正以4m/s的速度顺时针运动，一个质量为2kg的物体（可视为质点），从h=3.2m高处由静止沿斜面下滑，物体经过A点，不管是从斜面到传送带还是从传送带到斜面，其速率都不发生变化。已知物体与传送带间的动摩擦力因数为0.5，取g=10m/s2，求：

（1）物体从第一次滑上传送带到第一次离开传送带所用的时间；

（2）物体从第一次滑上传送带到第一次离开传送带摩擦产生的热量。

16．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。

四、填空题

17．某实验小组利用如图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。

（1）实验前需要调整气垫导轨底座使之水平。

（2）如图乙所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d=___________cm，实验时将滑块从图示位置静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间，则滑块经过光电门时的瞬时速度为___________m/s；在实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、___________和___________（文字说明并用相应的字母表示）。

（3）本实验通过比较___________和___________在实验误差允许的范围内相等（用测量的物理量符号表示），从而验证了系统的机械能守恒。

18．如图所示，用光电门等器材验证机械能守恒定律。直径为d、质量为m的金属小球从A点由静止释放，下落过程中经过A点正下方的位置B，B处固定有光电门，测得AB间的距离为H（），光电门测出小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g，则

(1)小球通过光电门B时的速度表达式_____；

(2)多次改变高度H，重复上述实验，描点作出随H的变化图象如图所示，若作出的图线为通过坐标原点的直线，且斜率为______（表达式用已给的物理量表达），可判断小球下落过程中机械能守恒；

(3)实验中发现动能增加量总是_______（填“大于”、“小于”或“等于”）重力势能减少量，增加下落高度后，则（）_______将（填“增加”、“减小”或“不变”）；

(4)小明用AB段的运动来验证机械能守恒时，他用，计算与B点对应的小球的瞬时速度，得到动能的增加量，你认为这种做法正确还是错误？答：_________。

19．在《用自由落体验证机械能守恒定律》的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，测得当地的重力加速度g=9.8m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg，实验中得到一点迹清晰的纸带（如图），把第一点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道 A、B、C、D到O点的距离分别为62.99cm，70.18 cm，77.76 cm，85.73 cm，根据以上的数据，可知重物由O运动到C点，重力势能的减小量等于_______J，动能的增加量等于_______J，（取三位有效数字）你得出的结论是 ______。

20．某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图（a）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）实验中涉及到下列操作步骤：

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（b）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50Hz．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，__（填“M”或“L”）纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大．

参考答案

1．D

【详解】

电磁打点计时器使用的是低压交流电，故A错误；公式是根据推导出来的，现在我们要验证机械能守恒，所以不能用机械能守恒推导公式计算，B错误；实验时为了获得更多数据，应先接通电源后释放纸带，C错误；安装纸带时，应将纸带置于复写纸的下方，D正确．

2．D

【详解】

试题分析：验证机械能守恒定律，即验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，两端都有质量，可以约去，所以不需要测量重物的质量，故A错误；实验时应先接通电源，再释放纸带，故B错误；重物下落的时间可以通过打点计时器测量，不需要秒表测量，故C错误；即使纸带起始端点点迹模糊，也可以用来验证机械能守恒，在纸带上取两个相距较远的两点，通过动能的增加量和重力势能的减小量进行验证，故D正确．

考点：验证机械能守恒定律

【名师点睛】对于基础实验要从实验原理出发去理解，要亲自动手实验，深刻体会实验的具体操作，不能单凭记忆去理解实验．

3．D

【解析】

此实验要验证的表达式是 ，即，故不需测量物体的质量，选项A错误；由于空气阻力、纸带与限位孔摩擦等原因，该实验中重物的重力势能减少量大于其动能增加量，选项B错误；计算重锤的速度是通过纸带上相邻相等时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度来计算的，选项C错误；释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带处于竖直，选项D正确；故选D.

4．D

【详解】

A．电火花计时器工作电压为220V，故A错误；

B．实验中应先启动电火花计时器，再释放纸带，故B错误；

C．由于纸带和限位孔之间存在摩擦以及空气阻力的作用，实验中所测重物动能的增加量通常比其重力势能的减少量稍小，故C错误；

D．若打出的纸带前面一小段被损毁，利用剩余部分纸带，通过测量任意两点A、B之间的高度差和计算出这两点的速度，根据

也能验证机械能守恒，故D正确。

故选D。

5．C

【详解】

A．安装打点计时器使两限位孔在同一竖直线上，从而减小阻力的影响，故A正确；

B．释放纸带前，手应提纸带上端并使纸带竖直，可以减小阻力，故B正确；

C．为了充分利用纸带，释放纸带时重物应适当靠近打点计时器。故C错误；

D．为了充分利用纸带，实验时先接通电源，再释放纸带。故D正确。

本题选错的，故选C。

6．C

【详解】

实验需要用低压交流电，交流电方向改变时，探针可以在纸带上打点；根据重物下落过程中机械能守恒

可知，质量可以约掉，因此不需要天平，实验中需要用到打点计时器计时、刻度尺测量距离，利用

求出速度，故天平不必要。

故选C。

7．A

【详解】

滑块通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间，说明滑块在加速运动，可以调节P使轨道左端升高一些，让导轨处于水平状态。遮光条的宽度和滑块质量的调节无法使导轨水平。

故选A。

8．C

【分析】

小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动，并沿右侧斜面上升，阻力越小则上升的高度越大，如果没有摩擦，则到达等高位置。

【详解】

小球从左侧斜面上的O点由静止滚下，接着冲上平滑对接的右侧斜面，如果斜面光滑，小球不会有能量损失，将上升到与O点等高的位置，即P点，故C正确，ABD错误。

故选C。

【点睛】

此题考查了伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法，要想分清哪些是可靠事实，哪些是科学推论要抓住其关键的特征，即是否是真实的客观存在，这一点至关重要。

9．D

【详解】

A．必须先接通电源，后释放纸带，否则有一段纸带打不上点，甚至整条纸带都打不上点，A错误；

B. 不用天平测量重物质量，因为验证机械能守恒定律的表达式两侧都有质量；不用秒表测量重物下落时间，用打点计时器记录时间，B错误；

C. 由于重物下落过程中受到空气阻力而损失机械能，重物动能的增加量一定小于重力势能的减小量，C错误；

D. 为了减小纸带与打点计时器的摩擦，打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上，D正确。

故选D。

10．A

【详解】

重力势能和动能的总和，称为机械能，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动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，故A正确，BCD错误。

故选A。

11．A

【详解】

A．在“验证力的平行四边形定则”的实验中，拉橡皮筋的细绳要稍长，并且实验时要使弹簧测力计与木板平面平行，同时保证弹簧的轴线与细绳在同一直线上，故A正确；

B．在“验证机械能守恒定律”实验中，不一定要测量物体的质量，因为验证动能的变化量和重力势能的变化量时，两边都有质量，可以约去比较，故B错误；

C．在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，弹簧可以竖直放置，但是要考虑实验前弹簧所受重力伸长的距离，故C错误；

D．在“研究平抛物体运动”的实验中，要求小球每次抛出的初速度要相同而且水平，因此只要小球从同一位置静止释放即可，至于是否光滑没有影响，故D错误。

故选A。

12．B

【详解】

“神舟十一号”飞船达到与“天宫二号”同一轨道后，从后面加速的飞船将脱离轨道，做离心运动，不能实现对接，故A错误；“神舟十一号”飞船在较低的轨道上向后喷出炙热气体，加速运动，轨道半径增大，才能完成与“天宫二号”的对接，所以B正确；“神舟十一号”飞船的发射速度大于第一宇宙速度7.9km/s小于第二宇宙速度11.2km/s，所以C错误；在“天宫二号”空间实验室中的物体处于完全失重状态，所以不能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，D错误．

13．接通电源                ＜   

【详解】

（1）[1]安装好仪器后，实验时应先“接通电源”再“放开纸带”。

（3）[2]纸带从O点下落到D点的过程中，减少的重力势能为；

[3]根据中点时刻的瞬时速度等于重物下落到D点的速度有

所以从O点下落到D点的过程中重物增加的动能为

（4）[4]图线斜率的绝对值为

图线斜率为

若机械能守恒，则有

联立可得

即则在误差允许的范围内，与满足

[5]实际上由于阻力的影响，下落过程中有

则

14．(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)小滑块作平抛运动，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。

15．（1）3.6s；（2）144J

【详解】

（1）物体下滑到A点，根据机械能守恒有

mgh=

解得v1=8m/s

根据牛顿第二定律有

ma=mgsin30°

解得a1=5m/s2

则运动时间为

t1==1.6s

物体上传送带的速度大于传送带的速度所以物体以传送带的度v=4m/s返回，取向右为正

由

向右

v=v1+a2t2

可得

t2=2.4s

由

由

t3=

得

t3=1.2s

t总=t2+t3=3.6s

（2）传送带的位移为

x传=vt2=9.6m

则相对位移为

x相=x传-x物=9.6+4.8=14.4m

故产生的热量为

Q=fx相=144J

16．(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。

17．0.48    0.4    滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s    滑块的质量M           

【详解】

主尺：4mm，游标尺：对齐的是8，所以读数为：

故遮光条宽度

设遮光条前进了s，钩码的重力势能减少了mgs，系统动能增加了

所以我们可以通过比较mgs和的大小来验证机械守能守恒定律。

需要测量的物理量有：滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s，滑块的质量M。

18．        小于    增加    错误   

【详解】

(1)根据速度定义式可知小球通过光电门B时的速度。

(2)由机械能的表达式可知

联立可得

分析上面的表达式可知斜率等于。

(3)[3][4]由于该过程中有阻力做功，重力势能一部分转化为内能，则动能增加量总是小于重力势能减小量，且高度越高，阻力做功越多，故增加下落高度后，则△Ep-△Ek将增加。

 (4)[5]这种作法错误，因为用公式计算与B点对应的小球的瞬时速度，加速度为重力加速度，这样已默认系统机械能守恒，无法进一步验证系统机械能守恒。

19．7.62    7.57    在误差允许范围内，物体在自由落体的过程中机械能守恒   

【解析】

重力势能减小量为：△Ep=mgh=1.0×9.8×0.7776J=7.62J．

在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此有：

所以动能增加量为：

由此得到的结论是：在误差允许的范围内物体的机械能守恒； 

20．④①③②    1.29    M   

【详解】

（1）实验中应先向物块推到最左侧，测量压缩量，再把纸带向左拉直；先接通电源，稳定后再释放纸带；故步骤为④①③②；

（2）由M纸带可知，右侧应为与物块相连的位置；由图可知，两点间的距离先增大后减小；故2.58段时物体应脱离弹簧；则由平均速度可求得，其速度v==1.29m/s；

因弹簧的弹性势能转化为物体的动能，则可知离开时速度越大，则弹簧的弹性势能越大；由图可知，M中的速度要大于L中速度；故说明M纸带对应的弹性势能大；