2025年高考中“验证机械能守恒定律”实验归类赏析-《中学生数理化》高中理化2025年9月刊

如考真辛费折中学生表理化 2025年高考的 “验证机械能宗恒定律实类赏折 ■湖北省松滋市第一中学 刘万强（特级教师） ■湖北省松滋市教师发展中心 黄家彬 “验证机械能守恒定律”实验作为高中物 ①先接通电源，打点计 理动力学部分的核心实验，一直是高考物理 时器开始打点，再释放纸带 命题的重点和热点。2025年高考中河南、甘 ②先释放纸带，再接通 肃、江苏和湖北四省都对这一实验进行了考 电源，打点计时器开始打点 查，这四省高考对这一实验的考查注重对实 ③用电子天平称量重 验原理的深度理解、对数据处理能力及实验 锤的质量 创新思维的综合评估。下面将从实验原理、 ④将纸带下端固定在 考查方式、误差分析等维度，结合2025年高 重锤上，穿过打点计时器的 图1 考真题进行分析，希望能够帮助同学们提升 限位孔，用手捏住纸带上端 解决这类实验问题的能力。 ⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该 一、利用落体运动验证机械能守恒定律 段内各点到起点的距离，记录分析数据 利用落体运动来验证机械能守恒定律是 ⑥关闭电源，取下纸带 教材中的分组实验。理解实验原理（小球自 (2)如图2所示是纸带上连续打出的五 由下落高度h,重力势能转化为动能，则mgh 个点A、B、C、D、E到起点的距离，则打出B =,可应用心h图像进行研究)，掌握 点时重锤下落的速度大小为 m/s(保留3 位有效数宇)。 实验步骤（先接通电源后释放纸带、正确测量 A D E 数据)，准确进行数据分析（能够运用纸带上 13.2016.6020.34 245029.00单位：cm 的数据计算瞬时速度和动能变化，比较重力 图2 势能诚少量与动能增加量的大小，判断机械 (3)纸带上各点与起点间的距离即为重 能是否守恒)，这一层次主要考查同学们对实 锤下落高度h,计算相应的重锤下落速度， 验基本流程的掌握程度，要求同学们具备较 并绘制如图3所示的v2-h图像。理论上，若 高的数据处理能力和公式应用能力。 机械能守恒，则图中直线应（填“通过”或 例1（河南卷）实验小组利用如图1 “不通过”)原点且斜率为 (用重力加速度 所示的装置验证机械能守恒定律。可选用的 大小g表示)。由图3得直线的斜率k= 器材有：交流电源（频率为50Hz)、铁架台、 (保留3位有效数字)。 电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度 (4)定义单次测量的相对误差？= 尺等。 E。一Ek (1)下列所给实验步骤中，有4个是完成 E。 ×100%,其中E,是重锤重力势能 实验必需且正确的，把它们选择出来并按实 的诚少量，Ek是其动能的增加量，则实验相 验顺序排列：（填步骤前面的序号）。 对误差7=」 ×100%(用字母k和g表 13 中学生款理化贺室化声黄氨翠名资析 ms) 1 6.0 mgh- 2 mv ×100%,化简得7= 2g一k× mgh 2g 5.0 100%,又有当地重力加速度大小取g= 4.0 9.80m/s2,解得7=3.1%。 答案：(1)④①⑥⑤(2)1.79(3)通过 3.0 2g19.0(4)2g-k 2g 3.1 赏析：本题是以教材中的实验为探索性 .0 情境而命制的实验题，注重考查实验原理的 理解、实验步骤的掌握、实验数据的处理。要 0.050.100.150.200.250.30hm 想正确求解此类实验题，同学们一定要走进 图3 实验室进行实验操作，规范读数，认真分析实 示)；当地重力加速度大小取g=9.80m/s2, 验数据，落实实验过程，培养物理直觉和学习 兴趣。 则7=%（保留2位有效数字），若？< 二、利用摆球的圆周运动验证机械能守 5%,则可认为在实验误差允许的范围内机械 能守恒。 恒定律 解析：(1)利用如图1所示的装置验证机 利用摆球的圆周运动来验证机械能守恒 械能守恒定律的实验步骤为将纸带下端固定 定律是对实验原理的迁移应用。理解实验原 在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏 理是创新实验的关键，摆球做圆周运动，高度 下降到达平衡位置，重力势能转化为动能， 住纸带上端，先接通电源，打点计时器开始打 点，再释放纸带，关闭电源，取下纸带，在纸带 则mgh= 2mw,而摆球到达平衡位置时的 上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起 点的距离，记录分析数据，判断机械能是否守 速度v= (d为摆球的直径，△t为摆球通 △t 恒。 根据实验原理mgh=名m心可知，质量 过平衡位置所用的时间)，即验证（△） 可以约掉，故不需要用电子天平称量重锤的 质量。因此选择正确且按实验顺序排列为 经·A,可应用h图像进行研究。 1 ④①⑥⑤ 例2 (甘肃卷)某 (2)根据题意可知，纸带上相邻两计数点 学习小组使用如图4所示 的实验装置验证机械能守 的时间间隔T=了=0.02s,根据匀变速直 恒定律。把一个直径为d 线运动中间时刻的瞬时速度等于这段运动过 的小球用不可伸长的细线 电 程的平均速度得0一2T 20.34-13.20× 悬挂，光电门置于小球平 2×0.02 司计时 衡位置处，其光线恰好通 102m/s,解得v=1.79m/s。 过小球球心，计时器与光 图4 1 （3)根据实验原理mgh=2mu,整理得 电门相连。 将小球拉离平衡位置并记录其高度h, v2=2g·h,因此在理论上，若机械能守恒， 然后由静止释放（运动平面与光电门光线垂 则图3中直线应通过原点且斜率k=2g。由 直)，记录小球经过光电门的挡光时间△t。 5.62-1.53 图3得直线的斜率k= =19.0。 改变h,测量多组数据。已知重力加速度为 0.295-0.08 g,忽略阻力。 (4)根据实验相对误差的定义得？ 14 如克带复车装折中学生凝理化 (1)以h为横坐标、（填“△t”“(△t)2” 情境命制实验题，注重考查实验器材的使用、 “”或“1”为纵坐标作直线图。若所 实验原理的理解、实验数据的分析。图像线 △t (At) 性化的数据处理是本题的亮点，将测量的物 得直线过原点，且斜率为__（用d和g表 理量进行数学转换变形成一次函数是数据处 示)，即可证明小球在运动过程中机械能 理的核心。 守恒。 三、利用小球的有轨运动研究机械能的 (2)实验中，用游标卡尺测得小球直径 变化 d=20.48mm。 利用小球在轨道上的运动来研究机械能 ①由结果可知，所用的是分度的游 变化是对实验原理的深度迁移。小球在轨道 标卡尺（填“10”“20”或“50”）； 上运动时受到摩擦力∫，根据功能关系可知， ②小组设计了一把25分度的游标卡尺， 在某一运动过程中，小球重力势能的变化量 未测量时的状态如图5所示。若用此游标卡 △E,大于其动能的变化量△Ek。同学们需要 尺测量该小球的直径，则游标尺上第 条 思考能量的转化情况，通过假设构建模型，研 刻度线与主尺上的刻度线对齐。 究摩擦力做功与机械能损失的关系。 例3（江苏卷）小 明同学探究机械能守恒 定律，实验装置如图6 所示。实验时，将小钢 球在斜槽上某位置A由 图6 图5 静止释放，钢球沿斜槽 解析：(1)小球经过光电门的挡光时间为 通过末端O处的光电门，光电门记录下钢球 △，则小球到达平衡位置时的速度0=，为 的遮光时间t。用游标卡尺测出钢球的直径 验证机械能守恒定律，此过程中小球的重力 d,先由v= 得出其通过光电门的速度，再 势能转化为动能，则mgh=2mv,整理得 计算出动能增加量△Ek= 1 mu。用刻度尺 1 2g ,·h,因此横坐标为h,纵坐标为 测得钢球下降的高度h,计算出重力势能减 少量△Ep (△)，所得直线的斜率k= 1 (1)安装实验装置的操作有： d2 ①在斜槽末端安装光电门 (2)①根据10分度、20分度、50分度游 ②调节斜槽在竖直平面内 标卡尺的精确度分别为0.1mm、0.05mm、 ③调节斜槽末端水平 0.02mm,用游标卡尺测得小球直径d= ④将斜槽安装到底座上 20.48mm,可以判断出所用的是50分度的 其合理的顺序是（选填“A”“B”或 游标卡尺。 “C”)。 ②若为25分度的游标卡尺，则其精确度 A.①D②③④①D 为0.04mm。用此游标卡尺测量该小球的直 B.④②③① 径，则n=。04=12,即游标尺上第12条刻 C.④①②③ 度线与主尺上的刻度线对齐。 (2)测量钢球直径的正确操作是图7中 答案：1)(A) 1 g (选填“甲”或“乙”)所示的方式。 (2)①50 ②12 (3)在斜槽上5个不同的位置由静止释 赏析：本题以摆球的圆周运动为探索性 放钢球。测量得出的实验数据见表1。已知 15 知识篇高考真题之赏析 中学生教数理化高中理化2025年9月 这是由于用"学近似计算w,不合理。你是 否同意他的观点？答：一。请根据表2数 据简要说明理由：。 解析：(1)安装实验装置的正确步骤为将 图7 斜槽安装到底座上，调节斜槽在竖直平面内， 钢球的质量m=0.02kg,重力加速度g 调节斜槽末端水平，在斜槽末端安装光电门， 9.80m/s2。请将表中数据补充完整。 合理顺序为④②③①，故选B。 表1 (2)测量钢球直径的正确操作需要确保 测量工具与钢球接触良好，并且钢球的位置 h/(10-2m) 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 不会导致测量误差，在如图7所示的两种方 △Ek/(10-3J) 4.90 6.25 7.45 8.78 10.0 式中，甲图显示出的卡尺测量方式更准确地 △E./(10-3J) 7.84 9.80 11.8 13.7 使卡尺的两测量面与钢球的表面垂直接触， (4)实验数据表明，△Ek明显小于△E。, 适合测量钢球的直径，而乙图因为量爪夹持 说明钢球在下降过程中发生机械能的损失。 不住钢球，使得测量不准确，故选甲。 小明认为，机械能的损失主要是由于钢球受 (3)根据△E。=mgh可知，当钢球的下 到的摩擦力做功造成的。为验证此猜想，小 降高度为8.0×102m时，其减少的重力势 明另取一个完全相同的斜槽按图8平滑对 能为下降高度为4.0×102m时的2倍，故 接。若钢球从左侧斜槽上A点由静止释放， △E。=7.84×103×2J=15.7×103J。 运动到右侧斜槽上，最高能到达B点，A、B (4)根据动能定理得mgH一W=0,即 两点的高度差为H。则该过程中，摩擦力做 W理=mgH。 功大小的理论值W理=一（用、g、H (5)同意，原因是钢球减少的重力势能有 表示)。 一部分转化为钢球的转动动能，而在计算△E 时没有计入钢球的转动动能。 答案：(1)B(2)甲(3)15.7 (4)mgH(5)同意钢球减少的重力势能 有一部分转化为钢球的转动动能，钢球的转 动动能没有计人 图8 赏析：本题以钢球在轨道上的运动为探 (5)用如图8所示的装置，按表1中所列 究性情境命制实验题，注重考查实验操作的 部分高度h进行实验，测得摩擦力做功大小 掌握、实验原理的理解、实验数据的分析。本 W。由于观察到H值较小，小明认为，A→ 题从发现问题（动能和重力势能的变化量不 。过程摩擦力做功近似等于A→B过程的一 相等)、假设论证（摩擦力做功引起机械能损 半，即w,=2 。然后通过表1的实验数据， 失)、原因分析（除摩擦力做功外，还存在能量 计算出A→O过程损失的机械能△E= 损失)，完成了实验探究能力的培养。实验中 △E。一△Ek。整理相关数据，见表2。 的误差分析是考查的重要环节，定量分析误 表2 差的影响因素并解释可能原因，也是帮助考 生理解实验原理和提升思维品质的关键。 h/(102m) 4.00 5.00 6.00 7.00 四、利用阿特伍德机验证机械能守恒 △E/(10-3J) 2.94 3.55 4.35 4.92 定律 W,/(10-2J) 0.98 1.08 1.18 1.27 阿特伍德机装置是典型的由两个重锤组 表2中△E与W,相差明显。 小明认为 成的连接体系统，利用阿特伍德机验证机械 16 如带真车装折中学生凝理化 能守恒定律，并结合牛顿第二定律计算加速 时，g的测量值明显小于真实值。主要原因 度，是对实验原理的深度拓展。选由两重锤 是圆柱体表面不光滑，导致跨过圆柱体的细 组成的连接体系统为研究对象，根据功能关 绳两端拉力不相等。理论分析表明，当圆柱 系可知，在某一运动过程中重力加速度的理 体与细绳之间的动摩擦因数很小时，跨过圆 (M+m)d2 论值g三2Mm)d为遮光片的宽度 Mm 柱体的细绳两端拉力差△T=4yM十m8,其 t为遮光片经过光电门所用的时间)，而g的 中Y是细绳与圆柱体表面动摩擦因数有关的 测量值小于理论值，分析误差的产生原因，通 常数 过假设构建模型，探究力与加速度的关系，能 保持M+m=2m。不变，其中M=(1+ 够培养同学们的综合分析能力。 B)m。、m=(1一)mo。B足够小时，重锤运动 例4（湖北卷）某同 的加速度大小可近似表示为a=(B一Y)g。 光电门 学利用如图9所示的实验 调整两重锤的质量，测得不同3时重锤的加 装置来测量重力加速度的 速度大小a,结果见表3。根据表格数据，采 大小g。细绳跨过固定在 遮光片 用逐差法得到重力加速度大小g=m/s2 铁架台上不可转动的小圆 (保留3位有效数字)。 柱体，两端各悬挂一个重 表3 锤。实验步骤如下： 图9 0.04 0.06 0.08 0.10 ①用游标卡尺测量遮 光片的宽度d。 a/(m/s2) 0.084 0.281 0.477 0.673 ②将遮光片固定在重锤1上，用天平测 解析：(1)20分度游标卡尺的精确度为 量重锤1和遮光片的总质量m、重锤2的质 0.05mm,主尺部分读数为5mm,游标尺上 量M(M>m)。 第3条刻度线与主尺上的刻度线对齐，因此 ③将光电门安装在铁架台上，将重锤1 游标卡尺的读数d=5mm十0.05×3mm= 压在桌面上，保持系统静止，重锤2离地面足 5.15mm=0.515cm。 够高。用刻度尺测量出遮光片中心到光电门 的竖直距离H。 (2)由平均速度公式得=。在不计 ④启动光电门，释放重锤1，用数字毫秒 摩棕的情况下，对由两重锤组成的系统应用 计测出遮光片经过光电门所用时间t。 机械能守恒定律得(M一m)gH=2(M十 ⑤根据上述数据求出重力加速度的大 m)u2,解得g= (M+m)d2 小g。 2H(M-m)t ⑥多次改变光电门高度，重复步骤③④ (3)由题意得a,=(β，-Y)g,变形得g= ⑤，求出g的平均值。 (1)测量d时，游标卡尺的示数如图10 B,-y,由逐差法得g=a十a:-(a:十a1) B1+B1-(B2十B1) 所示，可知d= cm。 9.81m/s2。 主尺cm 答案：(1)0.515(2) (M+m)d2 t 2H(M-m)t' 0 游标尺10 20 (3)9.81 图10 赏析：本题以阿特伍德机为探究性情境 (2)重锤1通过光电门时的速度大小 命制实验题，要求应用系统的机械能守恒定 v=(用d、t表示)。若不计摩擦，g与 律表达重力加速度g,并应用逐差法计算重 m、M、d、t、H的关系式为g= 力加速度的大小。本题注重考查实验原理的理 (3)实验发现，当M和m之比接近于1 (下转第28页)