2019版高考物理总复习 实验六 验证机械能守恒定律课堂检测

1．用如上图所示实验装置验证机械能守恒定律．通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中经过光电门B时，通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录下挡光时间t，测出AB之间的距离h.实验前应调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束．

(1)为了验证机械能守恒定律，还需要测量下列哪些物理量________．

A．A点与地面间的距离H

B．小铁球的质量m

C．小铁球从A到B的下落时间tAB

D．小铁球的直径d

(2)小铁球通过光电门时的瞬时速度v＝________，若下落过程中机械能守恒，则与h的关系式为＝________.

解析：(1)要验证机械能守恒定律，除知道小铁球下落的高度外，还需要计算小铁球通过光电门时的速度v，因此需要测量出小铁球的直径d.(2)小铁球通过光电门时的瞬时速度v＝.若下落过程中机械能守恒，则mgh＝mv2，解得＝h.

答案：(1)D　(2)　h

2．利用右图实验装置探究重物下落过程中动能与重力势能的转化问题．

(1)实验操作步骤如下，请将步骤B补充完整：

A．按实验要求安装好实验装置；

B．使重物靠近打点计时器，接着先________，后________，打点计时器在纸带上打下一系列的点；

C．下图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…….

(2)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，结合实验中所测得的h1、h2、h3，可得重物下落到B点时的速度大小为________，纸带从O点下落到B点的过程中，重物增加的动能为________，减少的重力势能为________．

(3)取打下O点时重物的重力势能为零，计算出该重物下落不同高度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，根据以上数据在下图中绘出图线Ⅰ和图线Ⅱ.已求得图线Ⅰ斜率的绝对值k1＝2.94 J/m，请计算图线Ⅱ的斜率k2＝________J/m(保留三位有效数字)．重物和纸带下落过程中所受平均阻力与重物所受重力的比值为________(用k1和k2表示)．

(4)通过对k1和k2的比较分析，可得到的结论是(只要求写出一条)：__________________________________.

解析：(3)对图线Ⅰ：Ep＝－mgh，即k1＝mg.

对图线Ⅱ：Ek＝(mg－Ff)h，即k2＝mg－Ff，所以Ff＝k1－k2，＝＝.

答案：(1)接通电源　放开纸带　(2)　　mgh2　(3)2.80(2.73～2.87均可)　(k1用mg表示也可)　(4)k2小于k1，动能的增量小于重力势能的减少量．(其他结论合理的也可)

3．“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用如图所示的甲或乙方案来进行．

(1)比较这两种方案，________(填“甲”或“乙”)方案好些．

(2)该同学开始实验时情形如图丙所示，接通电源释放纸带，请指出该同学在实验操作中存在的两种明显错误或不当的地方：

①______________；②______________.

(3)该实验中得到一条纸带，且测得每两个计数点间的距离如图丁中所示．已知相邻两个计数点之间的时间间隔T＝0.1 s．则物体运动的加速度a＝________；该纸带是采用________(填“甲”或“乙”)实验方案得到的．

解析：(3)由Δx＝aT2，利用逐差法得到物体运动的加速度a＝4.8 m/s2.若用自由落体实验测得物体运动的加速度a应该接近10 m/s2，所以该纸带是采用“乙”实验方案得到的．

答案：(1)甲　(2)①打点计时器接了直流电源　②重物离打点计时器太远　(3)4.8 m/s2　乙

4．某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律．频闪仪每隔0.05 s闪光一次，右图中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取10 m/s2，小球质量m＝0.2 kg，结果保留三位有效数字)：

(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s.

(2)从t2到t5时间内，重力势能增加量ΔEp＝________J，动能减少量ΔEk＝________J.

(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔEp________ΔEk(填“>”、“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是__________________________

__________________________________________________________.

解析：(1)由vn＝可知，v5＝ cm/s＝408 cm/s＝4.08 m/s

(2)由题给条件知

h25＝(26.68＋24.16＋21.66) cm＝72.5 cm＝0.725 m

ΔEp＝mgh25＝0.2×10×0.725 J＝1.45 J

ΔEk＝mv－mv＝×0.2×(5.592－4.082) J≈1.46 J

(3)由(2)中知ΔEp<ΔEk，因为存在空气摩擦等原因，导致重力势能的增加量小于动能的减少量．

答案：(1)4.08　(2)1.45　1.46　(3)<　原因见解析

5．DIS实验是利用现代信息技术进行的实验．教师上课时“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图甲所示，在某次实验中，选择DIS以图象方式显示实验的结果，所显示的图象如图乙所示．图象的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E.试回答下列问题：

(1)图乙的图象中，表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是________(按顺序填写相应图线所对应的文字)．

(2)根据图乙所示的实验图象，可以得出的结论是____________

__________________________________________________________.

解析：(1)小球由A到D过程中重力势能减小，动能增加，由题图乙的图象知机械能总量不变，故表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是乙、丙、甲．

(2)由实验结果知：在误差允许的范围内，在只有重力做功的情况下，小球的机械能守恒．

答案：(1)乙、丙、甲　(2)在误差允许的范围内，在只有重力做功的情况下，小球的机械能守恒

6．利用气垫导轨装置验证机械能守恒定律时，先非常仔细地把导轨调成水平，然后按如图所示的方式，用垫块把导轨一端垫高H，滑块m上面装l＝3 cm的挡光框，使它由轨道上端任一处滑下，测出它通过光电门G1和G2时的速度v1和v2，就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量ΔEk＝m(v－v)，再算出重力势能的减少量ΔEp＝mgh，比较ΔEk与ΔEp的大小，便可验证机械能是否守恒．

(1)滑块的速度v1、v2如何求出？滑块通过G1、G2时的高度差h如何求出？

(2)若测得图中L＝1 m，x＝0.5 m，H＝20 cm，m＝500 g，滑块通过G1和G2的时间分别为5×10－2 s和2×10－2 s，当地重力加速度g＝9.80 m/s2，试判断机械能是否守恒．

解析：(1)因为挡光框宽度很小l＝3 cm，而滑块通过光电门的时间极短，故可以认为滑块通过光电门做匀速运动，则通过两光电门时的平均速度就等于通过G1和G2两位置的瞬时速度，即v1＝，v2＝；由三角形相似知识可知＝，可求得h＝x，H、L、x都是事先设定的．

(2)令Δt1＝5×10－2s，Δt2＝2×10－2 s，则v1＝＝ m/s＝0.6 m/s

v2＝＝ m/s＝1.5 m/s

h＝x＝×0.5 m＝0.1 m

动能增加量

ΔEk＝m(v－v)＝×0.5×(1.52－0.62) J

≈0.473 J

重力势能减少量

ΔEp＝mgh＝0.5×9.80×0.1 J＝0.490 J在误差允许范围内可认为机械能守恒．

答案：见解析