验证机械能守恒定律 专项训练（学生版）-2025年高考物理一轮复习

考点25验证机械能守恒定律

IK考情探究,

i.高考真题考点分布

题型考点考查考题统计

实验题验证机械能守恒定律2024年6月浙江卷

实验题验证机械能守恒定律2023年天津卷

实验题验证机械能守恒定律2022年湖北卷、河北卷

2.命题规律及备考策略

【命题规律】各地高考对验证机械能守恒定律这个实验的考查频度较高，考查多在原型实验的所用原理的

基础之上，通过创新实验的方式予以考查。

【备考策略】

1.掌握并会利用实验的原理验证机械能守恒定律，并会做出必要的误差分析。

2.能够在原型实验基础上，通过对实验的改进或者创新，做出同类探究。

【命题预测】重点关键利用创新性实验装置或方法对机械能守恒定律的验证。

n.考点梳理

i.实验目的

验证机械能守恒定律。

2.实验原理

通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和对应过程动能的增加量，在实验误差允许

范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。

「打点匕姑

计时器一纸带

\

夹子

f重物

n

3.实验器材

打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。

4.实验步骤

(1)安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连。

⑵打纸带

用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打

点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3〜5条)。

(3)选纸带：分两种情况说明

①若选第1点。到下落到某一点的过程，即用加来验证，应选点迹清晰，且第1、2两点间距离

接近2mm的纸带(电源频率为50Hz)。或者测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方

峭，然后以｝2为纵轴，以力为横轴，根据实验数据作出图像。若在误差允许的范围内图像是一条过

原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。

②用1办2=加8自3验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为基准点即可。

5.实验结论

在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒。

6.误差分析

(1)测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从。点量起，一次将各打点对应下落高度测量完,

二是多测几次取平均值。

(2)系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量AEku/v/必定稍小于重力势

能的减少量A£p=〃?g〃"，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力。

7.注意事项

(1)打点计时器要竖直：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，以减少摩擦阻力。

(2)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。

(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。

(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用丫"=如手」，不能用荻或v〃=gf来计算。

!考点精讲I

考点一教材原型实验

考向1实验原理与操作

典例引领

1.某物理兴趣小组利用如图1所示装置验证机械能金属杆守恒定律，该小组同学让重物带动纸带从静止

开始自由下落，按正确操作得到了一条完整的纸带如图2所示。

~B~~C

⑴下列关于该实验说法正确的是o

A.实验时重锤可以用木质小球替代

B.打点计时器工作时的电压应选择直流6~8V

C.安装实验器材时，必须使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上

D.实验时应先手掌托住重锤使其紧靠打点计时器，待接通电源后，再释放重锤

（2）在纸带上选取三个连续打出的，点/、B、C,测得它们到起始点。点与下一点的间距接近2mm）

的距离分别为幻、小、生。已知当地重力加速度为g，打点计时器的打点周期为7。设重物质量为加。从打

。点到2点的过程中，重物的重力势能变化量第=,动能变化量A£k=o（用已知字母表

示）

⑶若通过计算发现，物体动能的增加量温大于重力势能减少量明,则原因可能是下列选项的。

A.重物受到空气阻力的影响B.打点计时器的电压较低

C.纸带和打点计时器间存在摩擦D.实验时先释放纸带再接通电源

即典性测

2.某实验小组的同学利用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。规范操作后，得到一条点迹清晰

的纸带，如图2所示，4B、C、D、E、尸是纸带上选取的6个计数点，每相邻两个计数点间还有一个点

未画出，用刻度尺依次测得各计数点到/点的距离分别为矶=2.34cm、hCA=6.22cm电=11.65cm、

垢=18.62cm、砧=27.11cm,已知打点计时器所接交流电源的频率为50Hz,当地的重力加速度

g=9.80m/s2„回答下列问题：

ABCDE

⑴打下计数点2时，重物的速度大小”=m/s（结果保留两位小数）。

（2）根据上述测量数据，为验证重物下落过程中机械能守恒，应使用表达式验证。（填选项前的字

母）

A-g力

=V

B.ghEB~E

,1212

c-ShFA=2Vf~:2VA

⑶有同学认为，若重物下落过程中的加速度在误差允许的范围内等于当地的重力加速度，就可以验证重物

下落过程机械能是守恒的。该说法是否正确？（选填"正确"或"错误"）。

⑷重物下落过程中的加速度大小为m/s?（保留3位有效数字）。

典例引领

3.某实验小组用重锤自由下落的过程来检验机械能守恒。

⑴如图甲是四位同学释放纸带瞬间的照片，你认为操作正确的是

ABCD

甲

（2）关于接通电源和放手让重锤运动的先后顺序,下列说法正确的是o

A.先放手后接通电源B.放手时同时接通电源

C.先接通电源后放手D.以上说法都不对

⑶选出一条清晰的纸带如图乙所示，其中。点为打点计时器打下的第一个点，通过分析已知该点速度为

零，另选连续的三个点/、B、Co用刻度尺测得这三个点到。点间距为：CM=15.55cm,（95=19.20cm,

OC=23.23cm,重锤的质量为0.2kg,打点计时器工作频率为50Hz,当地的重力加速度g为9.8m/s2。从

打下。到打下2点，重力势能减少量等于J,打点计时器打下2点时重锤的速度大小m/s,重锤

动能增加量为J=（计算结果均保留2位小数）

<------->

15.55cm

<-----19.20cm-----►

<23.23cm---------------------►

乙

⑷实验发现重锤自由下落过程中获得的动能并不等于重力势能减少量，分析两者不相等的原因可能

是=（至少写出一条主要原因）。

即

4.某同学利用如图1所示装置进行"验证机械能守恒定律”的实验：

⑴关于这一实验，下列说法正确的是;

A.实验使用电磁打点计时器，应接220V交流电B.选择质量大体积小的物体作为重物

C.还必须配备的器材有秒表和刻度尺D.本实验不需要测重物的质量

⑵实验中，该同学先接通电源，再释放重物，得到一条图2所示的纸带，其中。点为打点计时器打下的第

一个点，/、B、C为纸带上所打的三个点，测得它们到起始点。的距离分别为％、用、自，在/和8、8

和C之间还各有一个点。己知当地重力加速度为g,打点计时器的打点周期为T,重物的质量为加，从打

。点到打8点的过程中，重物的重力势能减少量反0=,动能增力口量AEk=；（用题目中已知字

母表示）

⑶因重物下落过程受各种阻力的影响，则该同学数据处理的结果会出现5f（选填">或

“<"）；

1,

⑷该同学进一步求出纸带上各点的速度大小v,然后作出相应的一丁―〃图像，画出的图线是一条通过坐标

2

原点的直线。该同学认为：只要图线通过坐标原点，就可以判定重物下落过程机械能守恒，该同学的分析_

（选填"合理"或"不合理”）。

!考点精讲I

考点二创新实验

i.实验装置的改进：通过光电门测速度，进一步验证机械能守恒定律。

2.实验思路的改进：通过细线拉力最大值和最小值的关系图像验证机械能守恒定律。

―数据

L-J-I采集器

I计算机I

典例引领

5.某同学设计出如图1所示的实验装置来验证机械能守恒定律。让小球自由下落，下落过程中小球经过

光电门和光电门光电计时器记录下小球先后通过光电门的时间分别为、已知当地的重力加

12,4|Af2,

速度为g。

图1图2

⑴该同学先用螺旋测微器测出小球的直径"如图2所示，则其直径"=mm。

⑵小球通过光电门1时的速度匕=（用题中所给字母表示）。

⑶保持光电门1到光电门2的高度差〃不变，调整电磁铁的位置，使小球从光电门1上方不同高度处释

11

放，多次实验记录多组数据后，以区了为纵轴,以为横轴作出相应的图像，则该图像的斜率

k=。如果不考虑空气阻力，当纵截距6=（用题中所给字母表示）时，就可以验证小球下落过

程中机械能守恒。

6.某实验小组验证机械能守恒定律的装置如图1所示，在铁架台上端固定一轻质滑轮，一条轻质细绳跨

过滑轮悬吊两个完全相同的物块A、B,质量均为物块A侧面粘贴小遮光片（质量忽略不计）。在物块

A下挂6个小钩码、B下挂4个小钩码，小钩码也完全相同且质量为小，光电门C、D通过连杆固定于铁架

台上，并处于同一竖直线上，光电门C、D之间的距离为=50Qcm。两光电门与数字计时器相连（图中未画

2

出），可记录遮光片通过光电门的时间。初始时，通过外力干预使整个装置处于静止状态，g=10m/so实

验步骤如下：

■CM2]II

c!!

IIlB

f=0J0123（cm）

DI山川],1旦1卜!|山1,11ILLhuiI

■“ih।Hii]11111illi「

，01020

uu-------------------------------------------

图1图2

⑴用20分度的游标卡尺测量遮光片的宽度如图2所示，遮光片的宽度d=mm。

⑵从合适位置释放物块，计时器记录遮光片通过光电门C、D的时间分别为。=4.30ms,〃=2.15ms。物块

A下落过程的加速度为m/s2。（结果保留两位小数）

⑶已知当地的重力加速度为g,若要验证机械能守恒定律，需要验证的关系式为o（用所给物理量的

符号表示）

考向2实验思路的改进

典例引领

7.某实验小组的同学利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，在铁架台上固定一角度测量仪，用一

长度为2的细线拴接一小球，自然下垂时小球刚好位于光电门处。首先用游标卡尺测量了小球的直径d

（♦<”）,然后将小球拉离平衡位置一个角度a,使小球由静止释放，记录小球经过光电门时的挡光时间

t,多次改变角度a,并记录每次所对应的挡光时间，已知重力加速度为g。

⑴用50分度的游标卡尺测量小球的直径时，游标卡尺的读数如图乙所示，该小球的直径仁mm；

（2）实验时（填"需要"或"不需要"）测量小球的质量加；

⑶通过记录的实验数据，以cosa为横轴，欲将图线拟合成一条直线应以_____（填"产或"斗"）为纵

tt

轴，若该过程小球的机械能守恒，则图线的斜率h（用题中所给字母表示）。

即时检测

8.某同学设计出如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律.用细线悬挂一个匀质小圆柱体，从细线

与水平方向成。角无初速度地释放，下落过程中小圆柱体中心经过固定在。点正下方的光电门，光电计时

器记录下小圆柱体通过光电门的时间加，已知当地的重力加速度大小为g。

⑴该同学先用螺旋测微器测出小圆柱体的直径如图乙，则直径"=mm。

（2）为了验证机械能守恒定律，该实验不需要测量下列哪些物理量_________（填标号）。

A.小圆柱体的质量加B.细线与水平方向成。角

C.悬线长c和小圆柱体的高度人D.小圆柱体经过光电门的遮光时间。

（3）保持光电门的位置不变，改变释放点，记录多组实验数据，作出sin。-[}[变化的图像如图丙所示，

如果不考虑空气阻力，则满足f=_______（用题中所给的物理量符号表示），就可以验证小圆柱体下摆过

b

程中机械能守恒.

I、.好题冲关，

基础过关

1.如图1所示为验证机械能守恒定律的实验装置。

J

⑴如图2,释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是;

⑵由于受阻力的影响，重锤增加的动能阳与减少的重力势能多的大小关系为"k妆（选填"大

于"、"小于"或"等于"）

⑶如图是某次实验中打出的一条纸带，。点是打下的第一个点，打点计时器打点的时间间隔为T,重力加

速度为g,要验证。点到B点过程机械能是否守恒，则需要验证等式是否成立。

2.如图甲，小张同学做"验证机械能守恒定律”的实验。

修

II计打时点器一纸币带

\—

⑴实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点/、

B、C,测得它们到起始点。的距离分别为相、hB、hC。已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周

期为7。设重物的质量为加。从打。点到打8点的过程中，重物的重力势能减小量△与=,动能增

加量'Ek=o

⑵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O

A.利用公式丫=卬计算重物速度B.利用公式"=廊计算重物速度

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

⑶小张同学继续应用纸带上各点到起始点。的距离〃，计算出相应点对应的速度v,以分为横轴、3为纵

轴作出了如图丙的图线，当地重力加速度为g,该图线的斜率应_______。

A.等于gB.小于2gC.等于2gD.大于2g

3.某学习小组用如图所示的实验装置来验证机械能守恒定律。实验操作步骤如下：

①用天平测出滑块和遮光条的质量M、钩码的质量加；

②调整气垫导轨水平，按图连接好实验装置，固定滑块；

③测量遮光条中点与光电门之间距离Z及遮光条宽度d,将滑块由静止释放，光电门记录遮光条遮光时间

④改变遮光条中点与光电门之间距离£,进行多次实验。

////////

根据上述实验操作过程，回答下列问题：

(1)下列关于该实验的说法正确的是;

A.本实验必须测量M和加的质量

B.实验中必须保证他远小于“

C.滑块运动过程中速度大小等于钩码速度大小的一半

D.本实验的研究对象为滑块

(2)在调整气垫导轨水平时，滑块不要连接钩码，打开气泵，待气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导

轨上的滑块保持静止或者匀速运动，表示气垫导轨已经调节水平。

(3)某同学测量得滑块和遮光条的质量”=300.0g、钩码的质量a=50.0g,遮光条宽度d=0.48cm,某

次实验中，滑块静止时遮光条中点与光电门的距离C=93.00cm,遮光条通过光电门过程中遮光时间

f=4.0xl0-3s,当地重力加速度g=9.8m/s2。测量过程中系统重力势能的减少量反。=J,滑块和

钩码增加的动能总和为阳=Jo(结果均保留三位有效数字)

(4)多次改变挡光条到光电门的距离，重复步骤③、④，测出多组乙和乙作出：随工的变化图像如图

所示，图线为过坐标原点的直线，图像的斜率为左，如果在误差允许的范围内当地的重力加速度大小为

g=时，可以判断钩码带动滑块运动的过程中机械能守恒。(用字母机、M、hd表示)

4.某实验小组利用如图甲所示的装置完成“验证机械能守恒定律实验”。将气垫导轨沿倾斜方向固定在水平

桌面上。将光电门固定在气垫导轨上，带有挡光条的滑块从光电门上方由静止释放。

⑴实验中测出滑块及挡光条的总质量为〃?，挡光条的宽度为d,释放点到光电门的竖直高度为〃，挡光条

经过光电门的挡光时间为3重力加速度为g,挡光条经过光电门时的速度大小为。滑块及挡光条

由释放点运动到光电门的过程中，动能的增加量为,重力势能的减少量为,若关系式

成立，则滑块下滑过程中机械能守恒。（用题中所给物理量符号表示）

（2）改变肌多次实验，并记录滑块每次经过光电门时的挡光时间该小组的同学利用图像法验证机械能守

恒定律。以〃为横轴、以5为纵轴建立坐标系，根据实验数据得到图乙所示的图线，若该图线的斜率左=_

时，滑块下滑过程中的机械能守恒。（用题中所给物理量符号表示）

!能力提升I

5.某实验小组用图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。在铁架台的横梁上固定一拉力传感器，弹簧

的一端与拉力传感器相连，另一端连接带有遮光片的小钢球。调整光电门1、2的位置并固定在铁架台上48

处，使钢球由静止释放后遮光片能够无碰撞地通过两光电门。已知弹簧处于原长时，小钢球处在光电门1

的上方。用手向上推小钢球到某一位置。处，后由静止释放小钢球，遮光片能过光电门1、2,重力加速度

g=9.8m/s"实验过程中弹簧均处于弹性限度内。

（1）用天平测得小钢球和遮光片的总质量以=O」kg。

（2）用螺旋测微器测量遮光片的宽度如图2所示，则宽度"=mmo

（3）用刻度尺测出OA之间的距离比弹簧的原长多出羽=5cm,05之间的距离比弹簧的原长多出

AX2=10cmo

（4）测得遮光片经过光电门1、2时力传感器的读数分别为片=0.52N、乙=1.04N,遮光片的遮光时间分别

为％、从以上数据分析可知小钢球从光电门运动到光电门的过程中，小钢球的动

=0.008sZ2=0.004s,12

能0（选填"增加"或"减少"）

（5）小钢球从光电门1运动到光电门2的过程中，由于弹簧弹力与伸长量成正比，计算弹簧弹性势能的

改变量反弹=J,小钢球的重力势能的改变量％=J,小钢球动能的改变量A^=

J,由以上实验结果表明，在误差允许范围内，小钢球和弹簧组成的系统机械能守恒。（结果均保留两位有

效数字）

6.北京市一兴趣小组利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。装置中M为斜槽，N为水平放置可上

下调节的挡板，白纸和复写纸固定在竖直背板上。钢球在斜槽中从某一位置由静止释放，从末端飞出后，

落到N上，挤压复写纸，在白纸上留下印迹。上下调节挡板N,通过多次实验，利用描迹法描绘出钢球的

运动轨迹。在描出的轨迹上安装光电门1和光电门2。改变光电门2的位置，使钢球多次释放（钢球均可

以无阻碍地通过两光电门）。记录光电门1的挡光时间/,光电门2的挡光时间多组数据），测量钢球直

径d作为挡光时间里钢球的位移。

⑴关于本实验，下列说法正确的是（填字母）。

A.必须测量钢球的质量B.斜槽M必须光滑

C.必须将斜槽M末端调至水平D.钢球必须从斜槽M上同一位置由静止释放

（2）用螺旋测微器测量钢球的直径力其读数如图乙所示，则"=mm。

⑶钢球通过光电门1的速度（用题中给出字母表示）。

⑷测量两光电门间的高度差肌查得当地重力加速度为g。该兴趣小组根据多组实验数据，作出〃的关

系图像如图丙所示，发现图像是倾斜直线并求得图像斜率左，若后=（用已知物理量的字母表示）；则

可验证机械能守恒定律。

⑸兴趣小组作出图像后，发现图像的斜率略小于理论值，原因可能是（填字母）。

A.钢球要克服阻力做功

B.钢球通过光电门的平均速度略小于球心经过光电门的速度

C.误将北极重力加速度记为当地重力加速度

D.误将赤道重力加速度记为当地重力加速度

7.某同学验证机械能守恒定律，具体步骤如下：

（1）用细绳将质量均可不计的定滑轮和动滑轮按照图（a）所示的方式连接，细绳的一端系在天花板上，

另一端系着重物。纸带竖直穿过固定好的打点计时器并与重物下端相连。用手托住动滑轮与钩码，让系统

图（a）

（2）先接通电源，待打点稳定后同时释放钩码和重物，打点计时器打出一系列清晰的点迹。为使重物带

动纸带向上运动，钩码的质量〃与重物的质量m