1、专题专题 46验证机械能守恒定律的实验验证机械能守恒定律的实验 12021武汉调研如图所示是某同学在“探究动能定理”和“验证机械能守恒定律”的 实验中分别得到的两条纸带已知打点计时器使用的交流电源的频率为 50Hz，纸带上各点是 打点计时器打出的计时点，纸带上记录的数据的单位均为厘米 (1)纸带_(填“甲”或“乙”)是在“验证机械能守恒定律”的实验中得到的 (2)任选一条纸带，计算在记录计时点 5 时，物体运动的速度 v5_m/s.(结果保留 三位有效数字) 22021贵州凯里联考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，在气垫导轨上安装一个光电门，滑块上固定一遮光
2、条 (1)用天平测得重物的质量为 m1，滑块的质量为 m2. (2)用螺旋测微器测遮光条的宽度 d，测量结果如图乙所示，则 d_cm. (3)按图甲所示组装实验装置，将滑块由静止释放，测得遮光条起始位置到光电门的距离 为 x，遮光条通过光电门的时间为 t.若实验结果表明，重物和滑块运动过程中机械能守恒，则 机械能守恒的表达式为 m1gx_(用已知量相应的字母表示，g 为重力加速度). 32021湖南师大附中联考如图甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械 能守恒定律”的实验有一直径为 d、质量为 m 的金属球从 A 处由静止释放，下落过程中能 通过 A 处正下方、固定于 B 处的光电门
3、，测得 A、B 间的距离为 H(Hd)，光电计时器记录 下金属球通过光电门的时间为 t，当地的重力加速度为 g.则： (1)如图乙所示，用游标卡尺测得金属球的直径 d_mm. (2)多次改变高度 H， 重复上述实验， 作出1 t2随 H 的变化图像如图丙所示， 当图中已知量 t 0、 H0和重力加速度 g 及金属球的直径 d 满足以下表达式：_时，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Ek总是稍小于重力势能减少量Ep，增加下落高度后，则Ep Ek将_(填“增加”“减小”或“不变”). 42021石家庄质检小明同学利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中红 外线发射
4、器、接收器可记录小球的挡光时间小明同学进行了如下操作： (1)用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径为_mm； (2)该小球质量为 m、直径为 d.现使小球从红外线的正上方的高度 h 处自由下落，记录小 球挡光时间 t，已知重力加速度为 g，则小球下落过程中动能增加量的表达式为_；重 力势能减少量的表达式为_(用所给字母表示). (3)改变小球下落高度 h， 多次重复实验， 发现小球动能的增加量总是小于重力势能的减少 量，你认为可能的原因是_ _(至少写出 一条). 52021陕西摸底某实验小组的同学利用自由落体法验证机械能守恒定律，实验装置如 图甲所示，该小组的同学完成了如下的操作
5、： (1)首先利用螺旋测微器测出了小球的直径，其示数如图乙所示，则该小球的直径 d _cm. (2)将该小球由光电门 1 的正上方无初速度释放，测得小球先后通过光电门 1 和光电门 2 所用的时间为t1和t2，则小球通过两光电门的速度分别为 v1_，v2_(用 所测量的物理量符号表示) (3)该小组的同学测出了两光电门之间的距离为 H，重力加速度用 g 表示，若小球的机械 能守恒，则需要验证的关系式为_(用所测量的物理量符号表示) 62021河北卷某同学利用图 1 中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系所用 器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50g 的钩码若干、光电门 2 个、数字计时器
6、、带遮光 条的滑块(质量为 200g，其上可放钩码)、刻度尺当地重力加速度为 9.80m/s2.实验操作步骤如 下： 安装器材，调整两个光电门距离为 50.00cm，轻细绳下端悬挂 4 个钩码，如图 1 所示； 接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两 个光电门的速度； 保持绳下端悬挂 4 个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的 质量，重复上述步骤； 完成 5 次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量 M、系统(包含滑块、滑 块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量Ek及系统总机械能的减少量E，如下表所示 M/kg0.2000.2
7、500.3000.3500.400 Ek/J0.5870.4900.3920.2940.195 E/J0.3930.4900.6860.785 回答下列问题： (1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为_J(保留 3 位有效数字)； (2)步骤中的表格所缺数据为_； (3)以 M 为横轴，E 为纵轴，选择合适的标度，在图 2 中绘出EM 图像； 若只考虑滑块与木板之间的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为_(保 留 2 位有效数字). 7情境创新某同学利用图示装置，验证以下两个规律： 两物块通过不可伸长的细绳相连接，沿绳方向分速度大小相等； 系统机械能守恒 P、Q、R 是三个完全相同
8、的物块，上面固定有相同的遮光片，P、Q 用细绳连接，放在水 平气垫导轨上物块 R 与轻质滑轮连接，放在细绳正中间，三个光电门分别放置于 a、b、c 处，调整三个光电门的位置，能实现同时遮光最初细绳水平，现将三个物块由静止释放(忽 略 R 上的遮光片到轻质滑轮间的距离) (1)为了能完成实验，除了记录 P、Q、R 上面三个遮光片的遮光时间 t1、t2、t3外，还需测 量的物理量有_(多选). AP、Q、R 的质量 M B两个定滑轮间的距离 d CR 的遮光片到 c 的距离 H D遮光片的宽度 x (2)根据装置可以分析出 P、Q 的速度大小相等，则验证的表达式为_ (3)若要验证物块 R 沿绳方
9、向分速度与物块 P 速度大小相等，则验证的表达式为 _ (4)若已知当地重力加速度 g，则验证系统机械能守恒的表达式为_ 8某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律一根细线系住钢球，悬挂在铁架台 上，钢球静止于 A 点，光电门固定在 A 的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为 d 的遮 光条将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间 t 可由计时器测出，取 vd t 作为钢球经过 A 点时的速度记录钢球每次下落的高度 h 和计时器示数 t，计算并比较钢 球在释放点和 A 点之间的势能变化大小Ep与动能变化大小Ek，就能验证机械能是否守恒 (1)用Epmgh 计算钢球重力势能变
10、化的大小， 式中钢球下落高度 h 应测量释放时的钢球 球心到_之间的竖直距离 A钢球在 A 点时的顶端 B钢球在 A 点时的球心 C钢球在 A 点时的底端 (2)用Ek1 2mv 2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图乙所示， 其读数为_cm.某次测量中， 计时器的示数为 0.0100s， 则钢球的速度为 v_m/s. (3)下表为该同学的实验结果： Ep(10 2J) 4.8929.78614.6919.5929.38 Ek(10 2J) 5.0410.115.120.029.8 他发现表中的Ep与Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的你是否同意他的 观点？请说明理
11、由 (4)请你提出一条减小上述差异的改进建议 专题专题 46验证机械能守恒定律的实验验证机械能守恒定律的实验 1(1)乙(2)1.75 或 2.42 2(2)0.5500(3)1 2(m 1m2) d t 2 3(1)7.25(2)2gH0t2 0d2 (3)增加 解析：(1)根据游标卡尺读数规则得读数为 7mm50.05mm7.25mm. (2)若要满足机械能守恒，则金属球减小的重力势能等于金属球增加的动能 mgH0 1 2m d t0 2 ，化简得 2gH0t20d2. (3)重力势能的减少量等于动能的增加量和克服阻力做功之和，下落高度增加，则克服阻 力做功增加，EpEk将增加 4(1)1
12、5.220(15.21915.221 均可)(2)1 2m d t 2 mgh (3)阻力做负功(表述合理，体现出阻力作用，即可) 解析：(1)螺旋测微器要估读，它的读数为主尺读数螺旋尺读数，图示读数为 15mm 0.220mm15.220mm. (2)Ek1 2m d t 2 01 2m d t 2 ，Epmgh. (3)小球下落的过程要克服阻力做功，所以小球动能的增加量总是小于重力势能的减少量 5(1)0.3800(2) d t1 d t2 (3)2gH d t2 2 d t1 2 6(1)0.980(2)0.588(3)如图所示0.40 解 析 ： (1) 实 验 中 轻 细 绳 所 悬
13、 挂 钩 码 重 力 势 能 的 减 少 量 Ep 4mgL 40.05kg9.80m/s20.50m0.980J. (2)根据能量守恒定律得E3EpEk30.980J0.392J0.588J. (3)根据表格中的数据描点、连线，得到EM 图像如图所示由功能关系得EMgL gLM，可知 kgL 0.790.39 0.4000.200，解得0.40. 7(1)BCD(2)t1t2(3)t3 t1 2H 4H2d2 (4)2gH x2 1 t23 1 t22 1 t21 解析：(1)要证明，需要测量 d 和 H，通过几何关系可证明沿绳方向分速度大小相等； 要证明， 需要测量 H 和 x， 通过验证
14、系统重力势能减少量和动能增加量相等来验证机械能守 恒，故需要测量的物理量有 d、H、x，故 BCD 三项正确(2)物块 P 的速度 vPx t1，物块 Q 的 速度 vQx t2，因此要验证 P、Q 的速度大小相等需要验证 t 1t2.(3)物块 R 的速度 vRx t3，要验 证物块 R 沿绳方向分速度与物块 P 速度大小相等，则需要验证表达式 vRcosvP，即 vR H H2 d 2 2vP， 代入解得t 3 t1 2H 4H2d2.(4)整个系统减少的重力势能是E pMgH， 增加的 动能是Ek1 2Mv 2 P 1 2Mv 2 Q1 2Mv 2 R ， 要验证机械能守恒， 需验证EpEk， 即验证表达式2gH x2 1 t23 1 t22 1 t21 . 8解析：(1)钢球下落高度 h，应测量释放时的钢球球心到钢球在 A 点时的球心之间的竖 直距离，故选 B. (2)遮光条的宽度 d1.50cm，钢球的速度 vd t 1.50m/s. (3)不同意，因为空气阻力会造成Ek小于Ep，但表中Ek大于Ep. (4)分别测出光电门和球心到悬点的长度 L 和 l，计算Ek时，应找到钢球的速度 vl Lv.
