力学专题实验——《验证机械能守恒定律》专项提升

在“验证机械能守恒定律”实验中，释放纸带瞬间，两位同学的实验操作示意图分别如图甲、乙所示。

（1）对比甲、乙两图，重物相对打点计时器位置合理的是（填“A”或“B”）；

A．甲图                                 B．乙图

（2）实验中由于阻力等因素的影响，重物的重力势能减少量（填“A”或“B”）动能增加量。

A．略大于                           B．略小于

某实验小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律。轻绳两端分别系着质量为m的物块A（含挡光片）和质量为M的物块B，将挡光片的中心位置固定在物块A的中间位置。实验时，由静止释放物块B，B向下运动。为了减小实验误差进行多次实验，改变物块A的初始位置，使物块B从不同的高度由静止释放，记录每次释放前挡光片的中心位置到光电门的高度差h以及挡光片穿过光电门的时间。

在进行“验证机械能守恒定律”的实验中，甲、乙两实验小组分别采用了如图（1）和（2）所示的装置进行实验。

某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。用细线把钢制的圆柱挂在架子上，架子下部固定一个小电动机，电动机轴上装一支软笔。电动机转动时，软笔尖每转一周就在钢柱表面画上一条痕迹。（忽略软笔尖对钢柱运动的影响，已知当地重力加速度为g）

某实验小组利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”，实验装置如图甲所示。已知重物质量为 ， 当地重力加速度为。

王同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，他按正确步骤操作，得到一条点迹清晰的纸带，图乙为纸带的一部分，相邻计时点的间距x₁、x₂、x₃、x₄均已标出。打点计时器的打点周期为T。

如下图所示为一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。已知重力加速度为g。实验步骤如下：

A．将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调节水平；

B．测出遮光条宽度d；

C．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离L；

D．释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间；

E．用天平测出槽码和托盘总质量m，滑块和遮光条总质量M；

F．改变遮光条到光电门的距离，重复步骤回答下列问题：

某实验小组利用实验系统测量某动力学轨道的动摩擦因数。实验步骤如下：

（1）将动力学轨道倾斜放置在水平桌面上，如图（a）所示，运动传感器和小车分别放在动力学轨道的高端和低端，将小车配有的弹力器压缩至最大，顶住末端的缓冲器。

（2）点击系统软件“启动”按钮采集数据，按下弹力器开关释放小车，小车瞬间弹开，让小车上下往复运动几次即可停止。根据软件中处理得到的位置—时间图象建立小车重力势能随时间变化的曲线，如图（b）所示；并根据速度—时间图象建立小车动能随时间变化的曲线，如图（c）所示。则小车第一次离开缓冲器时的动能E_k=J。（结果保留两位小数）

（3）由以上两图，计算出小车第一次沿斜面向上运动的过程中，小车的机械能减少量J。（结果保留两位小数）

（4）记录动力学轨道与水平面的夹角θ，若小车沿斜面向上运动的过程，机械能的减少量与重力势能的增加量之比为k，推导动摩擦因数μ与θ、k的关系式，可得μ=（用θ和k表示）

（5）若θ=37°，利用小车第一次沿斜面向上运动过程的数据，得μ=。（结果保留两位小数）

某小组利用图甲的装置做验证机械能守恒定律实验：

利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。

   

将打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，已知当地的重力加速度g。

（1）关于本实验，下列说法中正确的是。

A．必须用秒表测出重物下落的时间

B．打点计时器应连接直流电源

C．一定要测量重物的质量

D．应选择质量较大、体积较小的重物

（2）已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地的重力加速度 ， 重物的质量为m=1. 00kg。某同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为连续的六个点，根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重物的速度为m/s，从O点下落到B的过程重物重力势能的减少量为J。（结果均取3位有效数字）

   

（3）实验中发现重物增加的动能总是稍小于重物减小的重力势能，可能的原因是。

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的金属小球从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，测得A、B间的距离为H（H>>d），光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则：

   

（1）小球经过光电门B时的速度表达式为v=。

（2）多次改变高度H，重复上述实验，作出随H的变化图象如图乙所示，当图中已知量t₀、H₀和重力加速度g及小球的直径d满足表达式＝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△E_k总是稍小于重力势能减少量△E_p ， 减小下落高度后，则△E_p－△E_k将（选填“增加”、“减小”、“不变”）。

某探究小组利用图示装置探究机械能守恒。将拉力传感器固定在天花板上，不可伸长的轻质细线一端连在拉力传感器上的O点，另一端系住可视为质点的钢球。钢球静止于最低点位置时拉力传感器示数为；现将钢球分别拉至不同高度由静止释放，小球释放前后细线一直处于伸直状态，如图甲所示。记下每次释放瞬间拉力传感器示数和每次释放后钢球第1次摆到最低点时拉力传感器示数。并作出图像如图乙所示，若小球第1次下摆过程中机械能守恒，则：

在验证机械能守恒定律的实验中，某同学采用如下图装置，绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的重物和 ， 在下面再挂钩码。已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz。

   

（1）如图所示，在重物下方固定打点计时器，用纸带连接 ， 测量的运动情况。下列操作过程正确的是；

A.固定打点计时器时应将复写纸定位轴置于系重物的细线的正下方

B.安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直线上

C.接通电源前让重物尽量靠近打点计时器

D.应选取最初第1、2两点间距离接近2mm的纸带

（2）某次实验结束后，打出的纸带的一部分如图所示，、、为三个相邻计时点。则打下点时重锤的速度m/s；（结果保留三位有效数字）

   

（3）如果本实验室电源频率大于50Hz，则瞬时速度的测量值（选填“偏大”或“偏小”）；

（4）已知重物和的质量均为 ， 钩码的质量为 ， 某次实验中从纸带上测量重物由静止上升高度为时对应计时点的速度为 ， 取重力加速度为 ， 则验证系统机械能守恒定律的表达式是；

（5）为了测定当地的重力加速度，改变钩码的质量 ， 测得多组和对应的加速度 ， 作出图像如图所示，图线与纵轴截距为 ， 则当地的重力加速度为。

   

在“验证机械能守恒定律”的实验中

验证机械能守恒的实验

如图放置实验器材，接通电源，释放托盘与砝码，并测得：

 

作者的备注：此处绘图粗糙，连接遮光片小车与托盘砝码的绳子应与桌面平行；原卷中已说明，遮光片与小车位于气垫导轨上（视为无摩擦力），这里没有画出。

a．遮光片长度d

b．遮光片小车到光电门长度l

c．遮光片小车通过光电门时间Δt

d．托盘与砝码质量m₁ ， 小车与遮光片质量m₂

某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为k，原长为L₀ ， 钩码的质量为m。已知弹簧的弹性势能表达式为 ，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g。

某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值T_max和最小值T_min。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的T_max-T_min图像是一条直线，如图乙所示。

为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。