2020年高考物理 必考17個(gè)實(shí)驗(yàn)精講精練 專(zhuān)題07 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律（含解析）

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1、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 基本知識(shí) 機(jī)械能守恒定律：只有重力做功，動(dòng)能與重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)研究物體自由下落過(guò)程中動(dòng)能與勢(shì)能的變化，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 實(shí)驗(yàn)裝置： 實(shí)驗(yàn)步驟： （1） 按上圖安裝裝置 （2） 先接通電源，后釋放紙帶 （3） 選擇打點(diǎn)清晰的紙帶 （4） 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理： （1） 選取0點(diǎn)（從0點(diǎn)到1點(diǎn)距離約為2cm） （2） 選取適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)P （3） 測(cè)物體下落的高度h （4） 計(jì)算P點(diǎn)的速度v （5） 驗(yàn)證是否符合即 注意事項(xiàng)：不需要測(cè)物體質(zhì)量m。 例題和習(xí)題 1. 如圖所示，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，使重物帶

2、動(dòng)紙帶從靜止開(kāi)始自由下落，利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。 ①對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，下列操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是______________。 A．重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘 B．兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)正 C．精確測(cè)量出重物的質(zhì)量 D．用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撒手釋放重物 ②某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到50 Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長(zhǎng)，圖中有部分未畫(huà)出，如圖所示。紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出，利用下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有____

3、________。 A．OA、AD和EG的長(zhǎng)度 B．OC、BC和CD的長(zhǎng)度 C．BD、CF和EG的長(zhǎng)度 D . AC、BD和EG的長(zhǎng)度 2.某同學(xué)用圖（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源，可以使用的頻率有和。打出紙帶的一部分如圖（b）所示。 該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有記錄交流電的頻率，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其它題給條件進(jìn)行推算。 (1) 若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用和圖（b）中給出的物理量可以寫(xiě)出：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重物下落的速度大小為_(kāi)_____________，打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為_(kāi)___

4、_________，重物下落的加速度大小為_(kāi)____________。 (2)已測(cè)得當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?，?shí)驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%，由此推算出為_(kāi)_________。 【答案】⑴，，；⑵40 【解析】⑴由于重物勻加速下落，各相鄰點(diǎn)之間時(shí)間間隔相同，因此點(diǎn)應(yīng)是從運(yùn)動(dòng)到的過(guò)程的中間時(shí)刻，由勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的推論可得： 點(diǎn)的速度等于段的平均速度，即 由于，故 同理可得 勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的加速度 故 ① ⑵重物下落的過(guò)程中，由牛頓第二定律可得： ② 由已知條件 ③ 由②③得 代入①得：，代入數(shù)據(jù)得 3.利用

5、圖2裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)。 ①為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量 A. 速度變化量和勢(shì)能變化量 B. 速度變化量和高度變化量 ②除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(tái)（含鐵夾）、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線(xiàn)及開(kāi)關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是。 A.交流電源 B.刻度尺 C.天平（含砝碼） ③實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到圖3所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C，測(cè)得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA、hB、hC。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T(mén)。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打Ｏ

6、點(diǎn)到打Ｂ點(diǎn)的過(guò)程中，重物的重力勢(shì)能變化量＝　　　　　，動(dòng)能變化量＝　　　　　。 ④大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，原因是。 A．利用公式計(jì)算中午速度 B．利用公式計(jì)算重物速度 C．存在空氣阻力和摩擦力阻力的影響 D．沒(méi)有采用多次試驗(yàn)去平均值的方法 ⑤某同學(xué)想用下述方法研究機(jī)械能是否守恒，在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h，計(jì)算對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度v，描繪圖像，并做如下判斷：若圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，則重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒，請(qǐng)你分析論證該同學(xué)的判斷是否正確。 【解析】（2）①根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得，故需要比較動(dòng)能變化量，A正確；

7、 ②電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是交流電源，故A正確；因?yàn)樵谟?jì)算重力勢(shì)能變化量時(shí)，需要用到紙帶上兩點(diǎn)之間的距離，所以還需要刻度尺，故B正確；根據(jù)可得等式兩邊的質(zhì)量抵消，故不需要天平，C錯(cuò)； ③重力勢(shì)能改變量為,由于下落過(guò)程中是勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)中間時(shí)刻規(guī)律可得B點(diǎn)的速度為,所以 ④實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在空氣阻力，紙帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在摩擦力，C正確； ⑤該同學(xué)的判斷依據(jù)不正確，在重物下落h的過(guò)程中，若阻力f恒定，根據(jù)可知，圖像就是過(guò)原點(diǎn)的一條直線(xiàn)。要向通過(guò)圖像的方法驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，還必須看圖像的斜率是否接近2g。 4.在“用DIS研究機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，用到的傳感器是 傳感

8、器。若擺錘直徑的測(cè)量值大于其真實(shí)值會(huì)造成擺錘動(dòng)能的測(cè)量值偏 。（選填：“大”或“小”）。 【答案】光電門(mén)；大 【解析】在實(shí)驗(yàn)中，擺錘的速度通過(guò)光電門(mén)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的速度是通過(guò)小球直徑d與擋光時(shí)間的比值進(jìn)行計(jì)算，為，當(dāng)擺錘直徑大于真實(shí)值時(shí)，小球直徑d變大，導(dǎo)致計(jì)算出的小球速度變大，故小球動(dòng)能也會(huì)變大。 5.某同學(xué)用如題圖所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．一根細(xì)線(xiàn)系住鋼球，懸掛在鐵架臺(tái)上，鋼球靜止于A點(diǎn)，光電門(mén)固定在A的正下方．在鋼球底部豎直地粘住一片寬帶為d的遮光條．將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經(jīng)過(guò)光電門(mén)的擋光時(shí)間t可由計(jì)時(shí)器測(cè)出，取作為鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度．記

9、錄鋼球每次下落的高度h和計(jì)時(shí)器示數(shù)t，計(jì)算并比較鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小ΔEp與動(dòng)能變化大小ΔEk，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒． 題圖1 （1）用ΔEp=mgh計(jì)算鋼球重力勢(shì)能變化的大小，式中鋼球下落高度h應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到 ▲ 之間的豎直距離． （A）鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端 （B）鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心 （C）鋼球在A點(diǎn)時(shí)的底端 （2） 用ΔEk=計(jì)算鋼球動(dòng)能變化的大小，用刻度尺測(cè)量遮光條寬度，示數(shù)如題圖2所示，其讀數(shù)為cm．某次測(cè)量中，計(jì)時(shí)器的示數(shù)為0.0100 s，則鋼球的速度為v=m/s． 題圖2 （3） 下表為該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 他發(fā)現(xiàn)表

10、中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的．你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)說(shuō)明理由． （4）請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議． 【答案】（1）B （2）1.50（1.49~1.51都算對(duì)） 1.50（1.49~1.51都算對(duì)）（3）不同意，因?yàn)榭諝庾枇?huì)造成ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp．（4）分別測(cè)出光電門(mén)和球心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L和l，計(jì)算ΔEk時(shí)，將v折算成鋼球的速度． 【解析】 試題分析：(1)小球下落的高度為初末位置球心間的距離，所以選B；（2）由題圖知讀數(shù)為1.50cm，小球的速度為，代入數(shù)據(jù)解得v=1.50m/s；（3）若是空氣阻力造成的，則ΔEk小于Δ

11、Ep，根據(jù)表格數(shù)據(jù)知ΔEk大于ΔEp，故不是空氣阻力造成的． 6.甲同學(xué)準(zhǔn)備做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，乙同學(xué)準(zhǔn)備做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。 （1）圖1中A、B、C、D、E表示部分實(shí)驗(yàn)器材，甲同學(xué)需在圖中選用的器材_____________；乙同學(xué)需在圖中選用的器材___________。（用字母表示） （2）乙同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室選齊所需器材后，經(jīng)正確操作獲得如圖2所示的兩條紙帶①和②。紙帶__________的加速度大（填①或者②），其加速度大小為_(kāi)___________. 【答案】（1）AB；BDE （2）①，（2.50.2）m/s2 【解析】計(jì)算相鄰位移

12、的路程差，①為②為，所以①的加速度大，加速度。 【點(diǎn)評(píng)】本題考查“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，乙同學(xué)準(zhǔn)備做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的器材選擇，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶的處理：計(jì)算加速度。難度：容易。 7．有4條用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（所用交流電頻率為50Hz）打出的紙帶A、B、C、D，其中一條是做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)時(shí)打出的。為找出該紙帶，某同學(xué)在每條紙帶上取了點(diǎn)跡清晰的、連續(xù)的4個(gè)點(diǎn)，用刻度尺測(cè)出相鄰兩個(gè)點(diǎn)間距離依次為S1、S2、S3。請(qǐng)你根據(jù)下列S1、S2、S3的測(cè)量結(jié)果確定該紙帶為 。（已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.791m/s2） A.61.0mm 65.8mm

13、70.7mm B. 41.2mm 45.1mm 53.0mm C.49.6mm 53.5mm 57.3mm D. 60.5mm 61.0mm 60.6mm 【答案】C 【解析】驗(yàn)證機(jī)械能守恒采用重錘的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，所以相鄰的0.02s內(nèi)的位移增加量為：，答案為C。 8．利用圖示裝置進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量物體由靜止開(kāi)始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度和下落高度。某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案。 a. 用刻度尺測(cè)出物體下落的高度，并測(cè)出下落時(shí)間,通過(guò)計(jì)算出瞬時(shí)速度. b. 用刻度尺測(cè)出物體下落的高度，并通過(guò)計(jì)算出瞬時(shí)速度. c

14、. 根據(jù)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度，并通過(guò)計(jì)算出高度. d. 用刻度尺測(cè)出物體下落的高度，根據(jù)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶 上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度。 以上方案中只有一種正確，正確的是 。（填入相應(yīng)的字母） 【答案】d 【解析】因?yàn)榍?種方法用的公式都是在物體自由落體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上得到的，也就是認(rèn)為機(jī)械能守恒成立的基礎(chǔ)上得到的。但本實(shí)驗(yàn)是“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，所以a，b，c是錯(cuò)誤的。D是分別用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量h和計(jì)算v，然后判斷是否，即，所以只有d正確。

15、9.某同學(xué)利用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．弧形軌道末端水平，離地面的高度為H．將鋼球從軌道的不同高度h處?kù)o止釋放，鋼球的落點(diǎn)距軌道末端的水平距離為s． h H s （1）若軌道完全光滑，s2與h的理論關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足s2＝　　　　　?。ㄓ肏、h表示）． （2）該同學(xué)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到一組數(shù)據(jù)，如下表所示： h（10－1m） 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 s2 （10－1m2） 2.62 3.89 5.20 6.53 7.78 請(qǐng)?jiān)谧鴺?biāo)紙上作出s2－h(huán)關(guān)系圖． （3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算得到的s2－h(huán)關(guān)系圖線(xiàn)（圖中已畫(huà)出），

16、自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率 （填“小于”或“大于”）理論值． 1 2 3 4 5 6 7 0 2 4 6 8 10 12 14 理論 h/10－1 m s2/10－1 m2 （4）從s2－h(huán)關(guān)系圖線(xiàn)中分析得出鋼球水平拋出的速率差十分顯著，你認(rèn)為造成上述偏差的可能原因是 ． 【答案】⑴4Hh； ⑵見(jiàn)圖； ⑶小于；摩擦，轉(zhuǎn)動(dòng)（回答任一即可） 【解析】 (1) 解得: （2）描點(diǎn)作圖 1 2 3 4 5 6 7 0 2

17、4 6 8 10 12 14 理論 h/10－1 m s2/10－1 m2 (3) 小于 (4) 摩擦 10. 如圖所示，兩個(gè)質(zhì)量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過(guò)定滑輪的軟繩兩端，已知m1＞m2，現(xiàn)要利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律. （1）若選定物塊A從靜止開(kāi)始下落的過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，則需要測(cè)量的物理量有 （在答題卡上對(duì)應(yīng)區(qū)域填入選項(xiàng)前的編號(hào)） ①物塊的質(zhì)量m1、m2； ②物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時(shí)間； ③物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時(shí)間； ④繩子的長(zhǎng)度. （2）為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，某小組同學(xué)對(duì)

18、此實(shí)驗(yàn)提出以下建議： ①繩的質(zhì)量要輕： ②在“輕質(zhì)繩”的前提下，繩子越長(zhǎng)越好； ③盡量保證物塊只沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，不要搖晃； ④兩個(gè)物塊的質(zhì)量之差要盡可能小. 以上建議中確實(shí)對(duì)提高準(zhǔn)確程度有作用的是 。（在答題卡上對(duì)應(yīng)區(qū)域填入選項(xiàng)前的編號(hào)） （3）寫(xiě)出一條上面沒(méi)有提到的提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確程度有益的建議： . 【解析與答案】(1)設(shè)A下降的高度為h, 下落這段距離所用的時(shí)間為t, 速度為V, 機(jī)械能守恒的表達(dá)式為 , , 物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時(shí)間與物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時(shí)間相等，所以選① ②或 ① ③ （2）① ③ （3）對(duì)同一高度進(jìn)行多次測(cè)量求平均值，或選取受力后伸長(zhǎng)盡量小的繩。 12