新高考物理一轮复习知识梳理+分层练习专题35 验证机械能守恒定律（含解析）

这是一份新高考物理一轮复习知识梳理+分层练习专题35 验证机械能守恒定律（含解析），共21页。
2023届高三物理一轮复习多维度导学与分层专练
专题35 验证机械能守恒定律
导练目标
导练内容
目标1
教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理
目标2
新高考的改进创新实验
【知识导学与典例导练】
一、 教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理

误差分析：
1.减小测量误差:一是测下落距离时都从0点量起,依次将各打点对应下落高度测量完,二是多测几次取平均值。
2.误差来源:由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功,故动能的增加量ΔEk=必定稍小于重力势能的减少量ΔEp=mghn,改进办法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。
注意事项：
1.打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。
2.重物密度要大:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。
3.一先一后:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。
4.测长度,算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=,不能用vn=或vn=gt来计算。
【例1】某实验小组利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。
（1）下列做法正确的有___________（填正确答案标号）：

A． 使用的电源是直流电源
B． 必须使用天平测出重物的质量
C． 必须使用秒表测量重物下落的时间
D． 释放纸带前，应让重物尽量靠近打点计时器
（2） 如图乙为选取的一条符合实验要求的纸带（部分纸带未画出），其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F、G均为连续的点。已知打点周期为T，重力加速度为g。
①从纸带上直接测出各点间的距离，利用下列测量值能验证机械能守恒定律的有___________（填正确答案标号）；

A． OE、OF和OG的长度                 B． OA和AC的长度
C． OF和FG的长度                         D． AC、BF和EG的长度
②若已知OF的长度为，EG的长度为，选取从O点到F点的过程来验证机械能守恒定律，请用题中所给的符号写出需要验证的表达式为：=___________；
（3） 某同学利用实验时打出的纸带，测量出了各计数点到起始点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、v2为纵轴作出了如图丙所示的图线，发现图线明显未过原点O，其主要原因可能是___________（填正确答案标号）。

A．重物下落时受到阻力
B．电源的频率偏高
C．先松开纸带，后接通电源
D．利用公式计算重物速度
【答案】     D     AD          C
【详解】（1）[1]A．打点计时器应用交流电源，故A错误；
B．实验中用来验证重锤的机械能是否守恒，所以可以不用测出重锤的质量，故B错误；
C．打点计时器本身就是一种计时工具，所以不需用秒表计时，故C错误；
D．为充分利用纸带，释放纸带前，应让重物尽量靠近打点计时器，故D正确。故选D。
（2）[2] A．依题所给数据，可以测出点F与初始点O的距离，同时根据E、G两点间距、测得这两点的平均速度、即为点F的瞬时速度，最后用进行验证机械能是否守恒，故A正确；
B．已知OA和AC的长度，可测得B点的瞬时速度、可表示出重锤动能的增加量；但不知B与O点间距、重锤的重力势能的减小量无从得知，无法进行验证，故B错误；
C．若已知OF和FG的长度，依题意，可知O、F的间距，可以表示出重锤的重力势能的减小量，但由所给条件无法测得F点的瞬时速度、所以重锤动能的变化量无从得知，无法进行验证，故C错误；
D．依题意，根据AC和EG的长度，可知B、F两点的瞬时速度、进而可得重锤经过这两点动能的增加量；同时也知BF的间距，所以可测重锤经过B、F两点重力势能的减少量，所以能验证，故D正确。故选AD。
[3]依题意，F点的瞬时速度为则机械能守恒的表达式为即

（3）[4] A．重物下落时受到阻力时，假定阻力为f，则有则有可知，如果f恒定，图线过原点，故A错误；
B．在测某点的瞬时速度时，根据的是匀变速直线运动的平均速度等于中点时刻的瞬时速度，即
如果电源的频率偏高，则打点计时器的实际周期偏小，但计算时仍采用原周期，导致所测速度偏小，所以这样得到的图线应该向下偏移不过原点、与图中不符，故B错误；
C．以h为横轴、v2为纵轴作出了如图丙所示的图线，发现图线明显未过原点O，即条点计时器打第一点时重锤已有速度，其原因可能是先放纸带后接通电源所致，故C正确；
D．本实验不能直接用公式来求解瞬时速度，否则就体现不了实验验证，而变成了理论推导；另一方面，利用公式计算重物速度，两边平方后可知图线一定会过原点，故D错误。故选C。
二、 新高考的改进创新实验
1. 单物体光电门法
【例2】某同学利用如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。先用游标卡尺测出小球直径d，再用米尺测出光电门1和光电门2之间的距离h，然后让小球自由下落，光电计时器记录下小球通过光电门1和光电门2的时间分别为Dt1、Dt2，已知当地的重力加速度为g。

（1）用50分度的游标卡尺测量小球直径如图乙所示，此示数为___________mm；
（2）小球通过光电门1时的瞬时速度v1= ___________；
（3）如果不计空气阻力，满足关系式：___________，就可以验证小球下落过程中机械能守恒。【第（2）、（3）问用题中所给物理量的符号表示】
【答案】     6.26         
【详解】（1）[1]用50分度的游标卡尺测量小球直径如图乙所示，此示数为
（2）[2]小球通过光电门1时的瞬时速度
（3）[3]小球通过光电门2时的瞬时速度如果不计空气阻力，小球从光电门1和光电门2，若满足即就可以验证小球下落过程中机械能守恒。
2. 系统光电门法
【例3】用如图所示装置可验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量相等的物块A、B，物块B上放一金属片C，铁架台上固定一金属圆环，圆环处在物块B的正下方。开始时，金属片C与圆环间的高度为h，A、B、C由静止开始运动。当物块B穿过圆环时，金属片C被搁置在圆环上，两光电门分别固定在铁架台P1、P2处，通过数字计时器可测出物块B从P1旁运动到P2旁所用时间t，已知重力加速度为g。

(1)若测得P1、P2之间的距离为d，则物块B刚穿过圆环后的速度________。
(2)若物块A、B的质量均用M表示，金属片C的质量用m表示，该实验中验证了下面选项________中的等式成立，即可验证机械能守恒定律。
A．   B．
C．D．
(3)改变物块B的初始位置，使物块B从不同的高度由静止下落穿过圆环，记录每次金属片C与圆环间的高度h以及物块B从P1旁运动到P2旁所用时间t，则以h为纵轴，以________选填“”或“”）为横轴，通过描点作出的图线是一条过原点的直线，该直线的斜率________用m、g、M、d表示。
【答案】          C         
【详解】(1)[1]根据平均速度等于瞬时速度，则有物块B刚穿过圆环后的速度
(2)[2]由题意可知，系统ABC减小的重力势能转化为系统的增加的动能，即为
即为故C正确，ABD错误。故选C。
(3)[3][4]将变形后则有因此以为横轴；由上式可知，作出的图线是一条过原点的直线，直线的斜率
【多维度分层专练】
1．某实验小组利用如图中所示的装置完成“验证机械能守恒定律”实验。将气垫导轨沿倾斜方向固定在水平桌面上，倾角为。将光电门固定在气垫导轨上，带有挡光条的滑块从光电门上方由静止释放。

（1）实验时，该小组的同学利用游标卡尺测了挡光条的宽度，如图乙所示，该游标卡尺的读数为___________。
（2）已知挡光条的宽度为d，释放点到光电门的距离为L，挡光条经过光电门的挡光时间为t，重力加速度为g。若滑块下滑过程中机械能守恒，则关系式___________成立（用题中所给物理量符号表示）。
（3）改变释放点到光电门的距离L，多次实验，并记录滑块每次经过光电门时的挡光时间t，该小组的同学利用图像法验证机械能守恒定律。坐标系以L为纵轴，为了便于验证，应以___________（填“t”“”或“”）为横轴，若图线的斜率为k，重力加速度___________时滑块下滑过程中的机械能守恒。
【答案】     9.30              
【详解】（1）[1]由游标卡尺的读数规则可知，该游标卡尺的精确度为0.05，则读数为

（2）[2]滑块经过光电门时的速度为若滑块下滑过程中的机械能守恒，则由机械能守恒定律得整理得
（3）[3]由得坐标系以L为纵轴，为了便于验证，应以为横轴。
[4]依题意，有解得
2．实验小组同学利用气垫导轨、数字计时器和拉力传感器做“研究沿斜面下滑物体的机械能守恒”实验，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一带有刻度尺的倾斜气垫导轨，导轨上A点处有一带遮光条的长方形滑块，用天平测得其总质量为m。定滑轮与拉力传感器之间的细绳是竖直的，定滑轮与滑块之间的细绳平行于气垫导轨。实验步骤如下：

①用图乙所示的游标卡尺测出测光条的宽度______cm；

②安装好实验器材，给气垫导轨接上气源，然后读出拉力传感器的示数F，同时从气垫导轨刻度尺上读出遮光条中心与光电门之间的距离L；
③烧断拉力传感器与滑块之间的细绳，让滑块滑向光电门并记录遮光条通过光电门的时间t；
④多次改变滑块与光电门之间的距离，每次实验测量相应的L与t值，填入相应的表格中。
试分析下列问题：
（1）小组同学根据测得的L与t的值，用描点法作出如图丙所示的图像，如果不考虑空气阻力，若该图线的斜率______，即可验证滑块沿下面下滑过程中机械能守恒；

（2）考虑到实际存在的空气阻力，设小球在下落过程中平均阻力大小为f，根据实际数据绘出图像的斜率为k，则______（填“大于”、“等于”或“小于”）。
【答案】     1.060          大于
【详解】①[1]图乙为20分度游标卡尺，根据图示可知
（1）[2]运动物体在极短时间内的平均速度可认为等于瞬时速度，因此滑块经过光电门时的速度为
设气垫导轨与水平面间的夹角为，烧断细绳前滑块静止，根据受力平衡得烧断细绳后，滑块下滑过程，对滑块，由机械能守恒定律可得可得故可知图像的斜率
（2）[3]根据可得可知图像的斜率所以
3．某同学用如图甲装置验证机械能守恒定律。长为L的轻绳一端固定在光滑固定转轴O处，另一端系一小球。让小球绕O点在竖直面内做完整的圆周运动，A、B为运动的最低点和最高点附近的光电门。当地的重力加速度为g，小球的直径远小于轻绳的长。

（1）实验前先用游标为20分度的游标卡尺测出了小球的直径，如图乙所示，则小球的直径d＝______mm。
（2）使小球在竖直面内做圆周运动，测出小球经过最高点光电门的挡光时间为，经过最低点光电门的挡光时间为，则小球经过最高点和最低点时速度大小分别为______、______，小球从最低点运动到最高点的过程中，若表达式______成立，则机械能守恒定律得到验证。（用题中已给的字母表示）
【答案】     12.20              
【详解】（1）[1] 图乙所示游标卡尺分度值为0.05mm，根据游标卡尺读数规则读数为
（2）[2] [3] 根据光电门测量速度的原理得，小球经过最高点与最低点时的速度大小分别为、
[4] 如果表达式成立，即成立，则机械能守恒定律得到验证。
4．某实验小组用如图所示的装置，来做“验证机械能守恒定律”的实验其中，量角器的中心和长为的细线的一个端点重合，并且固定在一起细线的另一端系一个质量为、半径为的小球，当小球静止时量角器的零刻度线与细线重合，在小球所在位置固定安装一个光电门，当小球由处静止释放时，细线与竖直方向的夹角为，重力加速度为。则：

（1）在实验中测得小球通过光电门的时间为，那么，小球通过最低点的瞬时速度为__。
（2）如图所示，当用精确度为的游标卡尺来测量小球直径时，测得小球的直径为，那么，这时游标尺上的第__条刻度线与主尺上的第__刻度线对齐。
（3）若在实验误差允许的范围内，满足__，即可验证机械能守恒定律（用题中字母来表示）。
（4）通过改变小球由静止释放时，细线与竖直方向的夹角，测出相应情况下，小球通过光电门的时间，为了形象、直观地验证机械能是否守恒，在平面直角坐标系中，为使图象是经过坐标原点的直线那么，图象的横坐标为__，纵坐标为。
【答案】          6     1.9cm         
【详解】（1）[1]．根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知，小球经过最低点的速度 ．
（2）[2][3]．当游标卡尺的读数为时，游标尺上的第6条刻度线与主尺上的第1.9cm的刻度线对齐。
（3）[4]．重力势能的减小量 动能的增加量
当小球的机械能守恒有：．
（4）[5]．由可知，为使图象是经过坐标原点的直线那么图象的横坐标为，纵坐标为。
5．某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m。已知弹簧的弹性势能表达式为，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g。

（1）在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置，测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源。从静止释放钩码，弹簧收缩，得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图2所示，纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T（在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点）。从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为______，钩码的动能增加量为______，钩码的重力势能增加量为______。

（2）利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系，如图3所示。由图3可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是______。

【答案】               mgh5     见解析
【详解】（1）[1]从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为
整理有
[2]打F点时钩码的速度为由于在误差允许的范围内，认为释放钩码的同时打出A点，则钩码动能的增加量为
[3]钩码的重力势能增加量为DEp重 = mgh5
（2）[4]钩码机械能的增加量，即钩码动能和重力势能增加量的总和，若无阻力做功则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量。现在随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功，则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大，导致空气阻力逐渐增大，以至于空气阻力做的功也逐渐增大。
6．阿特伍德机是著名的力学实验装置。如图甲所示，绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的重锤A和B，在B下面再挂重物C时，由于速度变化不太快，测量运动学物理量比较方便。

（1）实验过程中，下列操作正确的是( )
A．固定打点计器时，应将重锤A与打点计时器距离尽量远一些
B．开始时纸带应尽量竖直下垂并与系重锤A的细线在同一竖直线上
C．应先松开重锤A，然后再接通打点计时器电源
D．打点结束后先将纸带取下，再关闭打点计时器电源
（2）某次实验结束后，打出的纸带如图乙所示，E、F、G、H、J连续几个点对应刻度尺读数分别为0.69、2.21、4.00、6.12、8.51。已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz，则重锤A运动拖动纸带打出H点时的瞬时速度为__________（结果保留三位有效数字）；

（3）如果本实验室电源频率小于50Hz，但参与实验的同学不知道，则瞬时速度的测量值___________真实值（填“大于”“等于”或“小于”）；
（4）已知重锤A和B的质量均为，某小组在重锤B下面挂质量为m的重物C，由静止释放验证运动过程中系统的机械能守恒。某次实验中；从纸带上测量重锤A由静止上升不同高度h时对应的速度v，描点作图后得到如图丙所示图像，取，则重物C质量__________（结果保留三位有效数字）。

【答案】     B     1.13     大于     1.03
【详解】（1）[1] A．固定打点计器时，应将重锤A与打点计时器距离尽量近一些，充分利用纸带，故A错误；
B．开始时纸带应尽量竖直下垂并与系重锤A的细线在同一竖直线上，可以尽可能地减小纸带所受阻力，故B正确；
C．应先接通打点计时器电源，打点稳定后，再松开重锤A，故C错误；
D．打点结束后先关闭打点计时器电源，再将纸带取下，故D错误。故选B。
（2）[2] 打点计时器的打点周期为，H点是GJ点的中间时刻，则打出H点时的瞬时速度为
（3）[3]如果本实验室电源频率小于50Hz，则实际打点周期长，由以上分析可知，瞬时速度的测量值大于真实值。
（4）[4]选A的初位置为零势面，根据机械能守恒，有可得

7．某实验小组利用气垫导轨做“验证机械能守恒定律”的实验，实验装置如图所示。

主要实验步骤如下：
①将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平；
②测出遮光条的宽度d；
③将滑块移至图示位置，释放滑块，记录遮光条通过光电门的挡光时间；
④用天平称出钩码质量m，滑块及遮光条总质量M。
已知重力加速度大小为g，请回答下列问题：
（1）滑块经过光电门时的瞬时速度大小为_________；
（2）实验中还需要测量的物理量有_________（注明物理量并用相应的字母表示）；
（3）在实验误差允许的范围内等式_________成立，则钩码和滑块组成的系统机械能守恒（用测量的物理量符号表示）；
（4）该实验产生系统误差的主要原因有_________。
【答案】          滑块释放位置到光电门的距离L          钩码和滑块运动过程中受到空气阻力影响
【详解】（1）[1]由于d和都较小，所以滑块经过光电门时的瞬时速度可以用遮光时间内的平均速度来近似代替，即
（2）[2]在钩码质量m和滑块及遮光条质量M已知的情况下，通过上式可以求得系统动能的增加量，若要验证机械能守恒，还需知道系统重力势能的减少量，即需要知道钩码下落的高度，而这一高度等于滑块释放位置到光电门的距离L，可通过导轨上标尺直接测量。
（3）[3]在误差允许范围内，若钩码和滑块组成的系统机械能守恒，则相应物理量应满足的关系式为

（4）[4]该实验产生系统误差的主要原因是钩码和滑块运动过程中受到空气阻力影响。
8．某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B，滑块P上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连。滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器A、B时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U随时间t变化的图象。


（1）实验前，接通电源，将滑块（不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的Δt1________（填“>”“＝”或“