8.5 实验：验证机械能守恒定律-【无敌原创】2025-2026学年高中物理必修第二册同步课时卷

物理 5 实验：验证机械能守恒定律 ■ 基础过关) 1.如图，是用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置。下列说法中正确的是 打点计 时器 纸带 A.打点计时器应接直流电源 0 夹子 B.应先释放纸带，后接通电源打点 -重物 C.需使用秒表测出重物下落的时间 D.将连有重锤的纸带穿过限位孔，把重锤提升到靠近打点计时器并静止 2.(多选)为验证在自由落体过程中物体的机械能是守恒的，某同学利用实验系统 第1题图 设计了一个实验，实验装置如图所示，图中A、B两点分别固定了两个速度传感器，速度 数 传感器可以测出运动物体的瞬时速度。在实验中测得一物体自由下落经过A点时的 三三三 速度是1，经过B点时的速度是v2,为了证明物体经过A、B两点时的机械能相等，这 位同学又设计了以下几个步骤，你认为其中不必要或者错误的是 ( 露 A.用天平测出物体的质量 B.测出A、B两点间的竖直距离 第2题图 脚 C利用2m,3一m算出物体从A点运动到B点的过程中动能的变化量 长 D.验证22一u2与2gh是否相等 3.在验证机械能守恒定律的实验中，有一名同学按以下步骤进行实验操作： A.用天平称出重锤和夹子的质量； B.固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器； C.松开纸带，接通电源，开始打点。并如此重复多次，以得到多条打点纸带； D.取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O,在距离O点较近处选择几个连续的计数点（或 计时点)，并计算出各点的速度值； E.测出各计数点到O点的距离，即得到重锤的下落高度； F.计算出mgh,和2mu,2,看两者是否相等。 在以上步骤中，不必要的步骤是 ;有错误或不妥的步骤是 (填写代表字母) 更正情况是： ① ② ③ ④ 4.用落体法验证机械能守恒定律，打出如图甲所示的一条纸带。已知打点计时器频率为50Hz。 0 D k1=9.53 18.30￥ 单位：cm -22.24 bh2=9.18 26.56 -31.23 甲 第4题图 (1)根据纸带所给数据，得出打下C点时重物的速度为 m/s(结果保留三位有效数字)。 (2②)某同学选用两个形状相同、质量不同的重物a和b进行实验，测得几组数据，画出h图像，并 求出图线的斜率k,如图乙所示，由图像可知a的质量m1(填“大于”或“小于”)b的质 量m2. (3)通过分析，发现造成k2值偏小的原因是实验中存在各种阻力，已知实验所用重物的质量2= 0.052kg,当地重力加速度g取9.78m/s2,求出重物所受的平均阻力f= N。(结果 保留两位有效数字) 5.在“验证机械能守恒定律”的实验中： 疆学生电源 指示灯 0123456 wwwwwwwwwwwwt 01cm23456789 丙 第5题图 (1)罗同学选用电火花打点计时器，则应接 (填“甲”或“乙”)图中的电源。 (2)释放纸带前，下列操作正确的是 A B C (3)图丙为罗同学在实验中打出的一条纸带，“0”点为打下的第一个点，相邻两点间的时间间隔为 0.02s,重物的质量为300g,打下第5个点时重物减小的重力势能为 J(计算结果保留 三位有效数字，该地重力加速度g=9.8m/s2)。 35 。能力提升) 1.如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置。（g=9.80m/s2) 金属杆 三纸带夹 方形固定卡 打点计时器 接电源 12.41cm 方形固定卡 18.90cm 铁架台、 重锤 27.06cm 乙 丙 第1题图 (1)选出一条清晰的纸带如图乙所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数 点，打点计时器通以频率为50Hz的交变电流。用分度值为1mm的刻度尺测得OA= 12.41cm,OB=18.90cm,OC=27.06cm,在计数点A和B、B和C之间还各有一个点。重锤 的质量为1.00kg.甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重锤的重力势能比开 始下落时减少了 J;此时重锤的速度Vg= m/s,此时重锤的动能比开始下落 时增加了 J。(结果均保留三位有效数字) (2)某同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距 离九，算出了各计数点对应的速度，然后以h为横轴、以？为纵轴作出了如图丙所示的图线。 图线的斜率近似等于 A.19.6 B.9.8 C.4.90 图线未过原点O的原因是 36 无敌原创·同步课时卷物理·必修第二册 2.用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。 打点 计时器@ 纸带 0 电源 夹子 A B D 0重锤 第2题图 (1)下列物理量需要测量的是 ,通过计算得到的是 。(填写代号) A.重锤质量 B.重力加速度 C.重锤下落的高度 D.与下落高度对应的重锤的瞬时速度 (2)设重锤质量为m,打点计时器的打点周期为T,重力加速度为g.图乙是实验得到的一条纸带， A、B、C、D、E为相邻的连续点.根据测得的51、S2、53、S4写出重锤由B点到D点重力势能减少量 的表达式为 ,动能增加量的表达式为 由于重锤下落时要克服阻力做功，所以该实验的动能增加量总是 (填“大于”“等于”或 “小于”)重力势能的减少量。量相互转化，没有与其他形式的能发生交换，也就说小球的动 能、重力势能和弹簧的弹性势能之和保持不变，D正确；对于小 球从接触弹簧到将弹簧压缩到最短的过程中，小球的重力势能 一直减小，则小球动能和弹簧弹性势能之和不断增大，A正确； 在刚接触弹簧时，小球的加速度等于重力加速度，在压缩的过程 中，弹簧的弹力越来越大，小球的加速度越来越小，直到弹簧的 弹力等于小球所受到的重力，这时小球的加速度为0，要注意在 小球刚接触弹簧到加速度变为0的过程中，小球一直处于加速 状态，由于惯性的原因，小球还是继续压缩弹簧，这时弹簧的弹 力大于小球受到的重力，小球减速，直到小球的速度为0，这时 弹簧压缩到最短，小球的动能先增大后减小，所以重力势能和弹 性势能之和先减小后增加，B错误；弹簧是一直被压缩的，所以 弹簧的弹性势能一直在增大，因为小球的动能、重力势能和弹簧 的弹性势能之和保持不变，重力势能和动能之和始终减小，C错 误。故选AD。] 3.BC[解析：因为a=6m/s2<10m/s2,故药品在下落过程中 受到阻力，机械能不守恒，A错误；根据牛顿第二定律可知mg一 F:=ma,解得F:=2N,克服阻力做功为W:,=F:h=24J,故机 械能减少了24J,B正确；落地时的速度=2ah,解得v=12m/s, 故动能增加量△E,=之md-0=36J,C正确；根据动能定理可 知，合力做功等于动能的增加量，故合力做功为36J,D错误。 故选BC。】 4.AC[解析：两滑块组成的系统只有重力做功，系统机械能守 恒，A正确；对a,有重力及绳子拉力做功，所以重力及绳子拉力 做功之和等于动能的增加量，B错误：根据功能关系，非重力 做功等于物体机械能的变化，所以a克服拉力做的功等于a机 械能的减小量，轻绳对b做的功等于b机械能的增加量，C正 确，D错误。故选AC。] 5.B[解析：若不计空气阻力，则系统机械能守恒，3mgh一mgh= ·4m·,解得=V,根据a球机械能守恒，2md= 1 mgh,解得1=之，a球可能达到的最大高度为H=h十1= 1.5h。若有空气阻力，则最大高度h<H<1.5h。故选B。】 6.AC[解析：a、b两球用轻杆相连，角速度大小始终相等，A正 确；杆在水平位置时，重力对b球做功的瞬时功率为零，杆在竖 直位置时，b球的重力和速度方向垂直，重力对b球做功的瞬时 功率也为零，但在其他位置，重力对b球做功的瞬时功率不为 零，因此，重力对b球做功的瞬时功率先增大后减小，B错误；设 b球转动到最低位置时的速度为，两球角速度大小相等，转动 半径相等，所以两球的线速度大小也相等，对a、b两球和杆组成 的系统，由机械能守恒定律得2mgL一mgL=号(2m)d十 1 2 mt,解得o=√兮gL,C正确：b球的重力势能减少了 2mgL,动能增加了号mgL,机械能减少了，所以杆对b球做负 功，D错误。故选AC。] 7.AD[解析：由题意知圆环到达B点时速度最大，则加速度为 0,即mg=Mgc0s37,解得M=m,A正确；在A位置时圆环 的加速度a=mg一Fcos53,由于重物加速上升，F≠Mg,故圆 46 无敌原创·同步课时卷物理·必修第二册 环的加迷度大小a≠一cs3江-子，B错误，下带过程中系 m 统机被能守恒，可得ms7=M(7一L)+子m+ L 之Mc0s37r）),解得。-区，C错误；设圆环下落的最大距离 为x,则mgx=Mg(√D十7-L,解得工=智L.D正确.故 选AD.] 【能力提升】 1.D[解析：做匀速运动的物体，其机械能不一定守恒，如在空 中匀速下降的降落伞，机械能减小，A错误；机械能守恒定律的 条件是只有重力或弹力做功，B错误；做匀速圆周运动的物体， 其机械能不一定守恒，如在竖直平面内做匀速圆周运动的物体 机械能不守恒，C错误；除重力做功外，其他力不做功，物体的机 械能一定守恒，D正确。故选D。】 1 2.B【解析：由小球静止释放经过最低点时有mgL=2m心，解 得=√2gL,所以悬线越长的动能越大，速度也越大，A正确， 不符合题意；B错误，符合题意。a、b球静止释放过程机械能守 恒，a、b球的质量、初始位置一样，初始时机械能相同，所以a球 的机械能一定等于b球的机械能，C正确，不符合题意。在最低 点有F一mg=m二，解得F=3mg,则绳子对小球的拉力与悬线 的长度无关，所以绳对a球的拉力一定等于绳对b球的拉力，D 正确，不符合题意。故选B。] 3.B[解析：小球与弹簧组成的系统机械能守恒，当弹簧的弹性 势能最大时，小球的机械能最小，此时小球速度为0，则有mgx 一号F(x一)=0，F=(x一)，由弹力F的大小与x的关系 可得k(2x一x)=mg,由以上几式解得x=(2十5)x,x=(2- √3)x。(舍去)，A错误；当弹簧的弹力与小球的重力相等时，小球 速度最大，由动能定理则有mg2,一宁(2x,一，)户=合m, 解得m=√3gx,B正确；由A可知当x=(2十√3)xo时，弹力 最大有F=k(x一xo)=(1十√3)mg,C错误；由A可知当x= (2十√3)x时，弹性势能最大，有E。=mgx=mg(2十√3)xo,D 错误。故选B。】 4.C[解析：P、Q用同一根绳连接，则Q沿绳子方向的速度与 P的速度相等，则当0=30时，Q的速度%cos30°=，解得 气，A正确，不符合题意；P机械能最小时，为Q到达O点正下 方时，此时Q的速度最大，即当0=90°时，Q的速度最大，加速度 最小，B正确，不符合题意；0角逐渐增大到90°的过程中，Q的速 度增大，Q的动能增加，当0=90°时，%cos90°=你，此时P的速 度为零，因此P的速度先增大后减小，所以P的动能先增大后减 小，C错误，符合题意；0角逐渐增大到90°的过程中，Q的速度增 大，动能增大，而重力势能不变，所以Q的机械能增加，P、Q组 成的系统机械能守恒，所以P的机械能减小，D正确，不符合题 意。故选C。】 5.A【解析：设物体A在下降h距离时的速度为o,则此时B O点较远的点，这样测量时距离较远，测量的相对误差较小；F 物体的速度为号，由机械能守恒得mgh十mg×分sin30°- 步骤中应计算g和分u,2的值，若m没有被测量，则mgh、 子m+m(受)》'，解得。=V2g。故选A.】 交mu,就不能计算出具体的值。】 6.BC【解析：a的动能最大时，设b和c受到地面的支持力大 4.(1)2.25(2)大于(3)0.031 小均为F,此时整体在竖直方向受力平衡，可得2F=3mg,所以 【解析，1DC点的瞬时速度等于BD段的平均速度，则有心-号- F=号mg,在a的动能达到最大前，一直是加速下降，处于失重 (31.23-22.24)×10-2 m/s=2.25m/s。(2)根据动能定理，得 2×0.02 情况，所以b受到地面的支持力小于号mg,A错误，B正确：当a (mg一A=之m,则有号=”h,知图线的斜率为= 达到最低点时动能为零，此时弹簧的弹性势能最大，a的加速度 m 方向向上，C正确；a下落的高度为h=Lsin60°-Lsin30°，根据 mg二=g一上，b的斜率小，知b的质量小，所以a的质量m大 m m 功能关系可知，小球的机械能全部转化为弹簧的弹性势能，即 弹簧的弹性势能最大值为，=mg=。一mgL,D销误。故 于b的质量m。(3)根据动能定理知(mg一Dh=子md,则有 亡=mg一h,可知k2=m2g二上=9.18，代人数据，解得f- 选BC。] 2 1m2 m2 7,D【解析：E-A图像的斜率为G,即G-2-20N,解得 0.031N。J 5.(1)乙(2)C(3)0.129 m=2kg,A错误；h=0时，E。=0,Ek=E总一E。=100J-0= [解析：(1)罗同学选用电火花打点计时器，应该接220V交流电 100J,故2md=100J,解得0=10m/s,B错误；h=2m时， 源，则应按乙图中的方法连接电源。(2)释放纸带前，应该用手 提着纸带的一端使纸带在竖直方向，且重物靠近打点计时器，故 E,=40J,Ek=E。-E。=90J-40J=50J,C错误；h=0时， 图C正确。(3)打下第5个点时重物减小的重力势能为△E。= Ek=Ea一E。=100J-0=100J,h=4m时Ex'=E总-E。= mgh=0.3×9.8×4.4×10-2J=0.129J。] 80J-80J=0J,故Ex-Ex'=100J,D正确。故选D.】 8.解：(1)a、b球和轻杆组成的系统机械能守恒，则有mgR十 【能力提升】 1.(1)1.851.831.67(2)B先释放了纸带，后合上打点计 2mgR=之×2m时，解得a,b球滑到水平轨道上时速度大小为 时器的开关 v=√3gF。 [解析：(1)当打点计时器打到B点时，重锤的重力势能减小量 (2)从释放a、b球滑到水平轨道上，对a球，由动能定理有W十 △E,=mg·OB=1.00×9.80×18.90×10-2J≈1.85J;打B点时 mgR=之m,解得轻杆对a球做的功为W=mgR 重锤的速度%=0C0A-(27.06-12.41)X10 4T -m/s 2 4×0.02 5实验：验证机械能守恒定律 183m/s,此时重锤的动能增加量△E=2mw2=之×1.0× 〖基础过关】 1.832J≈1.67J.(2)由机械能守恒定律，有合md=mg,可得 1.D[解析：打点计时器工作的电压为交流电，A错误；打点计 时器工作时应该先接通电源，再释放纸带，B错误；打点计时是 名寸-g,由此可如图线的斜率近似等于重力加速度后，故B正 计时的仪器，所以不需要使用秒表记录时间，C错误；固定好打 确。由图线可知=0时，重锤的速度不等于零，原因是该同学 点计时器，将连有重物的纸带穿过限位孔，用手提住，将纸带和 做实验时先释放了纸带，然后才合上打点计时器的开关。] 重锤提升到一定高度，尽量靠近打点计时器，D正确。] 2.(1)CD(2)mg(53-51) m5(4-2s2） 8T2 小于 2.AC【解析：物体重力势能减少量为mgh,动能增加量为 [解析：(1)重锤的质量可测可不测，因为动能的增加量和重力势 合mw一号m,计算g和宁w一合，如果在实验误差允 能的减少量式子中都有质量，可以约去。需要测量的物理量是 许的范围内gk=子w一之2，则机械能守恒定律得到验证。 重锤下落的高度；通过计算得到的物理量是与下落高度对应的 重锤的瞬时速度。(2)重锤由B点到D点重力势能减少量的表 A、C不必要。故选AC。] 3.A BCDF①B中手应抓住纸带末端，让重锤尽量靠近打点 达式为△E,=mg(一1)，B点的速度=齐，D点的速度 计时器②C中应先接通电源，再松开纸带③D中应选取离 0=2齐，则动能的增加量A区=合mw-名mw2 O点较远的点④F中应计算g,和2的值 m。一2》；由于重锤下落时要克服阻力做功，有内能产生， 8T [解析：A步骤不必要，不称量重锤和夹子的质量也可验证机械 根据能量守恒定律知，该实验的动能增加量总是小于重力势能 能守恒定律；B步骤中应让重锤尽量靠近打点计时器，而不是手 的减少量。] 靠近；C步骤中应先接通电源，后释放纸带；D步骤中应选取离