8.5 实验：验证机械能守恒定律 分层作业-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

8.5实验：验证机械能守恒定律 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．某同学设计了如图甲所示的装置验证机械能守恒定律：将量角器竖直固定在铁架台上，使直径边水平；小球通过长为L且不可伸长的细线悬挂于量角器的圆心O处；O点正下方安装光电门。实验时，利用电磁铁吸住小球，断开电源，小球在紧贴量角器的竖直平面内运动，运动到最低点时刚好挡住光电门的细光束。挡光距离视为小球直径d，当地重力加速度为g。 (1)对于该实验，应选用________ A．铝球 B．钢球 C．铜球 (2)读出细线与竖直方向的夹角后释放小球，小球通过光电门的时间为，则小球的速度________。多次改变夹角θ，重复上述步骤，记录对应的θ和t； (3)计算重力势能变化时，所取小球的高度变化应为________ A． B． C． (4)若以为纵坐标、为横坐标描点画图，图像应为一条过原点的倾斜直线，可得出小球运动过程中满足机械能守恒，图像斜率k=________（用L、d、g表示）； (5)小明按上述方案进行实验操作和数据处理，得到图像如乙图所示，他认为是空气阻力的影响。你是否同意他的观点，并从图像变化来说明原因。 ___ _____ 2．在“验证机械能守恒定律”的实验中： (1)下列操作正确的是（　　） A． B． C． (2)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图1所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量___________，动能变化量___________。 (3)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是（　　） A．利用公式计算重物速度 B．利用公式计算重物速度 C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 D．没有采用多次实验取平均值的方法 3．用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，重物从高处由静止开始下落，重物拉动纸带通过打点计时器，打出一系列的点，对纸带上点间的距离进行测量，可验证机械能守恒定律。 (1)实验常选用电磁打点计时器，最符合电磁打点计时器工作要求的电源电压是（　　） A．直流 B．直流 C．交流 D．交流 (2)实验中，用打点计时器打出一条纸带，如图所示，点为打点计时器打出的第一个点。选取连续打出的点、、为计数点，各计数点间距离已在图上标出。已知打点计时器所用交流电源的频率为，重物质量，从释放到打下点，重物减少的重力势能为__________；打下点时，重物的动能为__________（重力加速度为）。若与近似相等，则机械能守恒。 4．利用图示装置做“验证机械能守恒定律”实验。 (1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的______。 A．动能变化量与势能变化量 B．速度变化量与势能变化量 C．速度变化量与高度变化量 (2)除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材有______。 A．交流电源 B．刻度尺 C．天平（含砝码） D．秒表 (3)根据纸带算出相关各点的速度，测出下落距离，则以为纵轴，以为横轴，画出的图像应是图中的______。 B层 5．甲同学利用图1中的装置，乙同学利用图2中的装置分别进行验证机械能守恒定律的实验。 (1)甲乙两组为完成实验，下列实验器材中需要的是（　　） A．秒表 B．刻度尺 C．低压直流电源 D．低压交流电源 (2)关于上述实验，下列说法中正确的是（　　） A．甲乙实验中，重物最好选择密度较大，体积较小的物体 B．甲乙实验中，仅为验证机械能守恒，重物的质量可以不测量 C．甲乙实验中，实验中应先释放纸带，后接通电源 D．甲实验中，可以利用公式来求解瞬时速度 (3)图3是两组同学各自得到了一条纸带，其中编号①中的点为实际点迹；编号②中的点为计数点，且相邻计数点间还有四个点没有画出，则纸带_____（填“①”或“②”）是甲同学验证机械能守恒定律实验得到的，纸带②上C点对应的速度是_____m/s（保留两位有效数字）。 (4)甲同学利用多条纸带算出加速度为g=9.78m/s2，并用此值g算出的重物减少的重力势能为Ep，增加的动能为0.98Ep，甲同学认为实验结果验证了机械能守恒，但乙同学认为甲同学的实验不能验证机械能守恒，你赞同_____（填“甲”或“乙”），理由是：_____。（填A或B） A．在误差允许的范围内        B．没有用当地的重力加速度 6．利用图1所示的装置验证机械能守恒定律。 (1)下列操作步骤，正确的是（　　） A．先接通电源后释放纸带 B．用秒表测量重物下落的时间 C．在纸带上用刻度尺测量重物下落的高度 (2)实验得到如图2所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点、、，测得它们到重物下落的起始点的距离分别为。已知当地重力加速度为，计时器打点周期为，设重物的质量为，运动到点时的动能为_______________________________。 (3)小明用两个物体、分别进行实验，多次记录下落的高度和对应的速度大小，作出图像如图3所示，实验操作规范。通过图像可以确定（　　） A．受到的阻力大小恒定 B．的质量小于的质量 C．选择进行实验误差更小 (4)小丽用图4所示的装置验证机械能守恒定律。实验时，将气垫导轨调至水平，在气垫导轨上安装一个光电门，滑块上固定一个遮光条，将滑块用细线绕过轻质定滑轮与托盘相连。测出遮光条的宽度为，托盘和砝码的总质量为，滑块和遮光条的总质量为，滑块由静止释放，读取遮光条通过光电门的遮光时间。重力加速度为。为验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量是_________________，将该物理量用表示。机械能守恒定律，以上测得的物理量满足的关系式为_________________________。 C层 7．某学习小组用如图甲所示的装置探究机械能守恒定律。手托住用轻绳跨过定滑轮连接的A、B两物块，某时刻静止释放。已知A的质量，B的质量为M（M未知，且）。用周期的频闪照相机拍摄B物块，获得的照片如图乙所示。取重力加速度。 (1)根据图乙信息可判断B物块在拍摄第一张频闪照片时处于______状态（选填“静止”或“运动”）； (2)根据图乙信息可求得B物块的加速度______（结果保留3位有效数字）； (3)根据图乙信息，可求得B物块质量大小______（结果保留3位有效数字）； (4)该小组同学选取一张清晰的频闪照片，取多个不同的点，算出各点速度，测量各点到起始点的距离，作出如图丙所示的图，图像斜率为。不计空气阻力及各处摩擦，则重力加速度的表达式为______（用表示）。由于空气阻力和定滑轮与轻绳间摩擦力的影响，测量出来的重力加速度与当地重力加速度比较结果______（选填“偏大”“偏小”或“相等”）。 8．利用如图甲所示的装置研究均匀规则定滑轮的转动动能。一根足够长的轻细绳一端缠绕在滑轮边缘，另一端与质量为2m、带有挡光条的小物体A连接，A放光滑的倾斜轨道上，A与滑轮之间的绳与斜轨平行，距顶端L处有一光电门。将A从斜面顶端由静止释放，测得A通过光电门处的速度v。采用半径均为R但质量M不同的定滑轮进行多次试验，测得多组数据如下表所示。L、g、m、R为已知量，不计滑轮转轴处摩擦，绳与滑轮不打滑。 数据记录表 滑轮质量M m 0.8m 0.6m 0.4m 0.2m    （1）若A上的挡光条宽为d，经过光电门时的挡光时间为，则A通过光电门处的速度______。 （2）根据表格中数据，在图乙坐标系中作出图像______。 （3）上述图像的纵截距表示了当滑轮的质量时，A物体通过光电门的速度平方的倒数，由此可求得斜轨倾角为______。 （4）利用表中的第1组数据，可以推出质量m的滑轮以角速度转动时其转动的动能______。（用m、R、表示） 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 1．(1)B (2) (3)B (4) (5)见解析 【详解】（1）为了减小空气阻力对实验的影响，应选择密度大、体积小的小球，这样能让小球的运动更接近理想的机械能守恒状态。虽然铜球密度最大，但释放前，它不能被电磁铁吸引住，故选钢球。 故选B。 （2）小球通过光电门的时间为，则小球的速度 （3）已知细线与竖直方向的夹角，小球的球心到悬挂点O的距离为 则小球从释放点到最低点，根据几何关系，可得高度的变化为 故选B。 （4）小球运动过程中满足机械能守恒，则有 又 联立可得 可知图像的斜率为 （5）同意，释放角度较小时，空气阻力对实验基本无影响；随着释放角度增大，空气阻力增大，机械能损失增多。 2．(1)B (2) (3)C 【详解】（1）实验开始时应该用手捏住纸带最上端，让纸带保持竖直，重物靠近打点计时器，故选B。 （2）[1]从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量 [2]动能变化量 （3）AB．利用公式或者用计算重物速度等于间接应用了机械能守恒定律，不会产生题中所述的误差，AB错误； C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响，导致重物克服阻力做功，一部分重力势能转化为内能，使得重力势能的减少量大于动能的增加量，C正确； D．没有采用多次实验取平均值的方法只能减小偶然误差，不会出现重力势能的减少量总大于动能的增加量的情况，D错误。 故选C。 3．(1)D (2) 【详解】（1）电磁打点计时器工作电压是交流，故选D。 （2）[1] 从释放到打下点，重物减少的重力势能为 [2] 打下点时，重物的动能为 4．(1)A (2)AB (3)C 【详解】（1）验证机械能守恒定律的核心是：重物下落过程中，重力势能的变化量等于动能的变化量，因此需要比较任意两点的动能变化量与势能变化量。 故选A。 （2）A．电磁打点计时器需要交流电源供电，故A正确； B．实验需要测量纸带上点迹间的距离（下落高度），因此需要刻度尺，故B正确； C．验证公式时，质量可以约去，不需要天平，故C错误； D．打点计时器本身可以计时，不需要秒表，故D错误； 故选AB。 （3）若机械能守恒，由 整理得，可知与成正比，因此图像是过原点的倾斜直线。 故选C。 5．(1)BD (2)A (3) ① 0.41 (4) 乙 B 【详解】（1）由于打点计时器可以记录运动时间，所以甲乙两组实验均不需要秒表，但打点计时器使用低压交流电源，以及确定纸带上点迹间的距离需要用刻度尺。 故选BD。 （2）A．为了减少空气阻力给实验带来的影响，重物应选用质量大、体积小的物体，故A正确； B．甲实验中，重物减少的重力势能等于增加的动能，表达式两边均含有质量，可以约掉，所以不需要测量重物的质量，而乙实验中验证系统机械能守恒，即系统重力势能的减少量等于系统动能的增加量，均含有质量，但两重物的质量不相等，不可约掉，所以需要测量两重物的质量，故B错误； C．实验中应先接通电源，后释放纸带，故C错误： D．利用公式来计算瞬时速度，间接的利用了机械能守恒定律，则不能用该公式来计算瞬时速度，故D错误。 故选A。 （3）[1]甲同学实验过程中重物下落的加速度较大，乙同学实验中重物受到绳的拉力作用，加速度较小，根据逐差法可得， 所以纸带①是甲同学验证机械能守恒定律实验得到的； [2]纸带②相邻两计数点间还有4个点没有画出，则纸带②相邻两计数点间的时间间隔为 所以纸带②上C点对应的速度大小为 （4）[1]赞同乙，由于重物运动过程中受到空气阻力作用，所以根据纸带算出的重力加速度小于当地的实际重力加速度，所以不能根据算出的重力加速度计算重物减少的重力势能； [2]由以上分析可知，计算重物重力势能的减少量应用当地的重力加速度。 故选B。 6．(1)AC (2) (3)AC (4) 遮光条初始位置到光电门的距离 【详解】（1）A．利用打点计时器打点时，要先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，故A正确； B．打点计时器本身就可以记录打点的时间，故不需要停表记录时间，故B错误； C．验证机械能守恒，需要知道重物下落的高度，通过再纸带上用刻度尺测量点迹之间的距离可以得到重物下落的高度，故C正确。 故选AC。 （2）重物运动到B点时的速度大小 则重物运动到B点时的动能为 （3）A.对物体有 整理得 可知图像斜率为 图像可知Q的图像斜率恒定，因此Q受到的阻力大小恒定，故A正确； B.图像可知P的图像斜率大，因此有 整理得 因此阻力对P的影响更小，故选择P进行实验误差更小，故B错误，C正确； 故选AC。 （4）[1]由于要计算重力势能的变化量，需要知道重物下落的高度，故需要测量遮光条释放的位置到光电门之间的距离； [2]要验证系统的机械能守恒，则需要验证 因为 联立整理得 7．(1)静止 (2)2.40 (3)1.22 (4) 偏小 【详解】（1）物块B做匀加速直线运动，根据图乙可知，拍第二张频闪照片后相邻相等时间间隔内的位移差在误差允许范围内均为2.40cm，表明拍第二张频闪照片后的运动满足匀加速直线运动的要求，根据图乙有 该值与2.40cm相隔太多，表明拍第一张频闪照片与拍第二张频闪照片过程中，B实际运动时间小于0.1s，可知，B物块在拍摄第一张频闪照片时处于静止状态。 （2）舍去图乙中的第一段，利用逐差法，加速度 （3）对A进行分析，根据牛顿第二定律有 对B进行分析，根据牛顿第二定律有 结合上述解得M=1.22kg （4）[1]结合上述解得B运动的加速度 根据速度与位移的关系有 则有 图像斜率为，则有 解得 [2]令空气阻力和定滑轮与轻绳间摩擦力大小为f，则有 解得 结合上述有 解得 可知，由于空气阻力和定滑轮与轻绳间摩擦力的影响，测量出来的重力加速度与当地重力加速度比较结果偏小。 8．    30° 【详解】（1）[1]A通过光电门的时间极短，则通过光电门的速度 （2）[2]作出图像如图    （3）[3]上述图像的纵截距表示了当滑轮的质量M=0时，A物体通过光电门的速度平方的倒数，即 由能量关系可知 由此可求得斜轨倾角为 =30° （4）[4]当滑轮的质量为m时，根据第1组数据可知 即 由能量关系 其中 解得 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $