2020版高考物理100考点最新模拟题千题精练专题7.12气垫导轨验证机械能守恒定律(含解析)

专题7.12 气垫导轨验证机械能守恒定律

1．(2019洛阳二模)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。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B，滑块P上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出一定电压，两光电传感器与计算机相连滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器A、B时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U随时间t变化的图象。

(1)实验前，接通气源，将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的△t1___________△t2 (选填>m“=”或“<”)时，说明气垫导轨已经水平。

(2)用螺旋测微器测遮光条宽度d测量结果如图丙所示，则d=___________mm。

(3)滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码Q相连，将滑块P由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图象如图乙所示若△t1、△t2和d已知，重力加速度为g，要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒，还应测出两光电门间距离L和___________(写出物理量的名称及符号)。

(4)若上述物理量间满足关系式___________，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。【参考答案】

【命题意图】本题考查利用气垫导轨验证机械能守恒定律实验及其相关知识点。

【实验攻略】用测量的物理量表示出钩码Q减小的重力势能和滑块和钩码增加的动能，若两者相等，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。

【解题思路】(1)实验前，接通气源，将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的△t1=△t2时，说明滑块做匀速直线运动，则气垫导轨已经水平。

（2）根据螺旋测微器的读数规则，遮光条宽度d=8mm+0.474mm=8.474mm。

（3）要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒，需要得到钩码Q减小的重力势能等于滑块和钩码增加的动能，因此还应测出两光电门间距离L和滑块质量M。

（4）滑块通过两个光电门的速度分别为v 1=1d t ∆，v 2=2

d t ∆，滑块通过两个光电门的过程中，钩码Q 减小的重力势能为mgL ，滑块和钩码增加的动能为12(M+m ) v 22-12(M+m ) v 12=12(M+m )(2

d t ∆)2-12(M+m ) (1d t ∆)2，若上述物理量间满足关系式mgL =

12(M+m )(2

d t ∆)2-12(M+m ) (1d t ∆)2，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒。 2.（2019云南楚雄州姚安一中期末）为了“验证机械能守恒定律”，某学生想利用气垫导轨和光电门及质量为m 的小车来进行实验，如图所示，他将长为L 、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高H ，在导轨上的两点处分别安装光电门A 和B ，然后将小车从导轨上端释放，光电门自动记录小车经过A 、B 光电门时，车上挡光片的挡光时间△t 1、△t 2，用游标卡尺测得挡光片宽度为d 。

（1）要验证小车在运动过程中机械能守恒，还必须测出______。

（2）本实验验证机械能守恒定律的原理式为______。（用上面已知测量量和还必须测出的物理量的符号表示）

【参考答案】.两光电门之间的距离l 2g =（）2-（）2

【名师解析】 （1）根据v 2-v 02=2ax 可知，还需要测出两光电门之间的距离l 。

（2）重力势能的减少量为：△E p =mgl sin θ=mgl·H/L，

动能增加量为：△E K =mv B 2-mv A 2=m （）2-m （

）2， 需要验证△E p =△E k ，可得需要验证的表达式为：2g =（

）2-（）2

。 故答案为：（1）两光电门之间的距离l ；（2）2g =（）2-（）2。 3.（2018黑龙江齐齐哈尔一模）某同学用气垫导轨验证机械能守恒定律，在气垫导轨的滑块上装上一个挡光片和一个方盒，测得滑块、方盒及挡光片的总质量为M ，气垫导轨的右端固定一个定滑轮，细线绕过定滑轮，一端与滑块相连，另一端挂有6个钩码，每个钩码的质量为m ，当地的重力加速度为g 。（桌面足够高）

（1）先用游标卡尺测出挡光片的宽度，读数如图所示，则宽度d= mm 。

（2）实验前应先调节气垫导轨水平，方法是：取下砝码，接通气垫导轨装置的电源，调节导轨下面的螺母，若滑块放在气垫导轨上任意位置都能 ，则导轨水平。

（3）先挂上6个钩码，将横跨由某一固定位置由静止释放，滑块上的挡光片通过光电门的时间为t ，则滑块通过光电门的速度为 （用题中所给字母表示）。

（4）每次将1个钩码移放到滑块上的方盒中，滑块均由同一位置由静止释放，重复实验，记录每次悬挂钩码的个数n 及挡光片通过光电门的时间t ，在坐标纸上作出n —2

1t 图象，如图所示。要验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量是 。设此物理量的测量值为x ，要验证机械能守恒定律，在误差允许的范围内，作出的图象斜率k= 。

【参考答案】（1）5.20 （2）保持静止 （3）d/t

（4）滑块开始滑动时挡光片到光电门的距离

【名师解析】（1）根据游标卡尺读数规则，游标卡尺读数d=5mm+4×0.05mm=5.20mm

（2）调节气垫导轨水平时，通过调节导轨下面的螺母，使滑块放在气垫导轨上任意位置都能保持静止，则导轨调节水平。

（3）根据速度的定义可知，滑块通过光电门的速度为v=d t

。 （4）要验证机械能守恒定律，还需要测量的物理量是滑块开始滑动时挡光片到光电门的距离。根据机械能守恒定律，nmgx=12(M+6m)( d t )2，解得n=21t 。因此要验证机械能守恒定律， n —2

1t 图象为一条过原点的倾斜直线。设需要测量的物理量的测量值为x ，要验证机械能守恒定律，在误差允许的范围内，