第18讲 实验：验证机械能守恒定律（专项训练）（天津专用）2026年高考物理一轮复习讲练测

第18讲 实验：验证机械能守恒定律 目录 01 课标达标练 题型01 教材原型实验..........................................................................................................2 题型02 创新拓展实验 ........................................................................................................7 02 核心突破练..........................................................................................11 03 真题溯源练..........................................................................................18 01 教材原型实验 1.（23-24高三下·天津中学·一模）用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。 (1)下列操作正确且必要的有 。 A．使用天平测出重物的质量 B．应先接通打点计时器的电源，再松开纸带，让重物自由下落 C．用刻度尺测出物体下落的高度h，通过v=gt算出瞬时速度v D．选择体积小、质量大的重物，纸带、限位孔在同一竖直线上，可以减小系统误差 (2)图乙是实验中得到的一条纸带，将起始点记为O，依次选取6个连续的点，分别记为A、B、C、D、E、F，量出各点与O点的距离分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6，使用交流电的周期为T，在打B点和E点这段时间内，如果重物的机械能守恒，在误差允许的范围内应满足的关系式为 （已知重力加速度为g）。 【答案】 BD 【详解】(1)[1]A．机械能守恒等式左右两边都有质量，所以不用天平测出重物的质量，故A错误； B． 操作上，应先接通打点计时器的电源，再松开纸带，让重物自由下落，故B正确； C．在验证机械能守恒时，计算速度应利用纸带处理，不能直接应用自由落体公式，故C错误； D． 选择体积小、质量大的重物，纸带、限位孔在同一竖直线上，可以减小系统误差，故D正确。 故选：BD。 (2)[2]根据机械能守恒有： 得 2.实验装置如图1，使重锤自由下落，打点计时器在随重锤下落的纸带上打下一系列点迹。挑出点迹清晰的一条纸带，从点迹清晰处依次标出计数点0，1，2，…，7，纸带如图2。 (1)用此装置可以测量当地重力加速度和验证机械能是否守恒，下列说法正确的是_________。 A．测量当地重力加速度必须使用刻度尺与秒表 B．验证机械能是否守恒必须使用天平（含砝码） C．验证机械能是否守恒必须测量速度和高度变化量 D．空气阻力不影响重力加速度的测量 (2)在验证机械能是否守恒的实验中，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．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 C．没有采用多次实验取平均值的方法 (3)打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，纸带如图2所示，计数点0、1间的距离是 cm。打下1点时重锤的瞬时速度大小是 （保留二位有效数字）。 (4)在测量当地重力加速度的实验中，某同学根据纸带打出的点，已经读出2、4间和5、7间的距离分别为：、，打点周期为，当地的重力加速度 （用、、表示）。 【答案】(1)C (2)B (3) 1.08（1.05~1.15） 0.63~0.65 (4) 【详解】（1）A．在测量当地重力加速度实验中需要使用的器材有刻度尺，打点计时器可记录重物的运动时间，所以不需要秒表，故A错误； B．在验证机械能是否守恒的实验中，若重物的机械能守恒，任意两点间的验证公式为 可知重物的质量可以约掉，故不需要用到天平（含砝码），故B错误； C．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动能变化量与势能变化量，所以必须测量速度和高度变化量，故C正确； D．若存在空气阻力作用，则重物下落的合力小于重力，则所测量的加速度小于重力加速度中，所以空气阻力会影响重力加速度的测量，故D错误。 故选C。 （2）A．若用公式计算重物速度，相当于默认机械能守恒，会使计算出的动能增加量等于重力势能减少量，故A错误； B．实验中，重物下落时会受到空气阻力和纸带与打点计时器间的摩擦阻力作用，这些阻力会做负功，导致部分重力势能转化为内能，重力势能的减少量大于动能的增加量，故B正确； C．“多次实验取平均值” 是为了减小偶然误差，但题中 “重力势能减少量大于动能增加量” 是系统误差，不符合要求，故C错误。 故选B。 （3）[1]由如图2可知计数点0、1间的距离是1.08cm； [2]由如图2可知计数点0、2间的距离为2.56cm，根据匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于平均速度，可得打下1点时重锤的瞬时速度大小 （4）设2、3间的距离为，3、4间的距离为，5、6间的距离为，6、7间的距离为 由题可知， 根据逐差法有， 解得， 可得当地的重力加速度 3.如图1为“验证机械能守恒定律”实验装置。 (1)下列说法正确的是______（多选） A．选用点迹清晰的纸带 B．打点计时器直接使用220V交流电源 C．打点计时器平面须处于竖直方向，且两个限位孔在同一竖直线上 D．选取起始点作为第一个计数点，可用公式（T为打点时间间隔，h为第n点距起始点的距离）来计算打第n点时重物的速度 (2)如图2，O、A、B、C、D、E、F是7个连续的打点，电源频率为50Hz。则打下O点时，重物的速度 （选填“为零”或“不为零”）；打下E点时重物速度为 m/s（保留2位有效数字）。 (3)当地重力加速度，由纸带数据分析重物重力势能的减少量 （选填“大于”、“小于”或“等于”）；如果是由于电源频率造成上述情况，则电源的实际频率 （选填“大于”或“小于”）50Hz。 【答案】(1)AC (2) 不为零 1.4 (3) 小于 小于 【详解】（1）A．为了减小实验误差，应选用点迹清晰的纸带，故A正确； B．图中电磁打点计时器使用的是4~6V的低压交流电源，故B错误； C．为了尽可能减小重物和纸带受到阻力的作用，保证它们竖直自由下落，打点计时器平面须处于竖直方向，且两个限位孔在同一竖直线上，故C正确； D．选取起始点作为第一个计数点，根据 知可用公式（T为打点时间间隔，h为第n点距起始点的距离）来计算打第n点时重物的速度，故D错误。 故选AC。 （2）[1]假设打下O点时，重物的速度为零，电源频率为50Hz，则OA间距大致应为 而由图2可读出OA间的距离为0.80cm，显然可知打下O点时，重物的速度不为零； [2]打下E点时重物速度为 （3）[1]利用纸带提供数据，可求得 可得重物在AE段动能改变量 重力势能改变量 由纸带数据分析可知重物重力势能的减少量小于； [2]如果是由于电源频率造成上述情况，电源的实际频率小于50Hz，根据可知实际打点周期应大于0.02s，则由速度计算公式可知计算得到速度大于实际的打点速度，从而导致重力势能的改变量小于求得动能的改变量。 02 创新拓展实验 4.（23-24高三下·天津中学·一模）某实验小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律，实验主要步骤如下：（不考虑空气阻力的影响） ①将光电门安放在固定于水平地面上的长木板上； ②将细绳一端连在小车上，另一端绕过两个轻质光滑定滑轮后悬挂一钩码，调节木板上滑轮的高度，使该滑轮与小车间的细绳与木板平行； ③测出小车遮光板与光电门之间的距离L，接通电源，释放小车，记下小车遮光板经过光电门的时间t； ④根据实验数据计算出小车与钩码组成的系统动能的增加量和钩码重力势能的减少量。 (1)根据上述实验步骤，实验中还需测量的物理量有 ； A．小车上遮光板的宽度d     B．小车和遮光板总质量m1 C．钩码的质量m2 D．钩码下落的时间t′ (2)图中游标卡尺所测遮光板宽度d为 mm； (3)由实验步骤和(1)选项中测得的物理量，改变L的大小，重复步骤③、④，可得到系统动能增加量总是小于钩码重力势能减少量，其原因可能是 【答案】 ABC 5.70 小车与长木板之间存在摩擦阻力做功 【详解】(1)[1]要得到小车与钩码组成的系统动能的增加量，则要得到小车的速度，所以要测量小车上遮光板的宽度d和小车和遮光板总质量m1，钩码的质量m2，由于小车运动的距离即为钩码下降的距离，所以不用测量钩码下落的时间t′，故选ABC； (2)[2]由图可知，游标卡尺所测遮光板宽度 (3)[3]由于实验过程中小车与长木板之间存在摩擦阻力做功，系统有部分机械能转化为内能，则系统动能增加量总是小于钩码重力势能减少量。 5.某同学利用平抛运动验证机械能守恒，装置如图甲所示。 (1)先用螺旋测微器测小球的直径，示数如图乙所示，则小球直径 ； (2)按图甲安装装置，调节斜槽末端水平，确保木板竖直且板面与小球做平抛运动所在平面平行，将小球放在斜槽末端，确定小球球心在白纸上的投影位置点，让小球多次从斜槽上同一位置由静止释放，在离点较远处，确定小球运动中在白纸上的一个投影点标为位置，将光电门在该位置水平放置，再将小球在点由静止释放，测得小球通过光电门的挡光时间为，则可求得小球通过光电门时 （填“速度”“水平方向的分速度”或“竖直方向的分速度”）的大小； (3)测出、两点间的竖直高度，如果表达式 （用、、表示）成立，则小球在做平抛运动过程中机械能守恒。 【答案】(1)9.600 (2)竖直方向的分速度 (3) 【详解】（1）螺旋测微器的精确值为，由图乙可知小球直径为 （2）光电门水平放置，测得小球通过光电门的挡光时间为，该过程通过的竖直分位移为小球的直径，则有 可求得小球通过光电门时竖直方向的分速度的大小。 （3）测出、两点间的竖直高度，则有 联立可得如果表达式成立，则小球在做平抛运动过程中机械能守恒。 6.某同学通过如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。将拉力传感器固定在铁架台上，长度为L的细绳（不可伸长）一端连在拉力传感器上，另一端系住直径为d的摆球，图乙是与力传感器连接的计算机屏幕所显示的图像。 (1)为提高实验的精确度，摆球应选用 。 A．塑料球 B．泡沫球 C．钢球 D．木球 (2)开始时，摆球静止于最低位置，此时拉力传感器示数为，重力加速度为g，则摆球质量为 。 (3)将摆球拉至细绳与竖直方向成一定角度由静止释放，让摆球在竖直平面内摆动，则摆球到最低点时，其动能为 。（用F0、F2、L、d表示） (4)记下拉力传感器最小示数及最大示数，改变角度，重复步骤（3）操作，并作出图像，如果摆球的机械能守恒，则下列图像合理的是 。 A． B． C． (5)若实验中发现系统的动能增量总是比重力势能减少量大，以下可能的影响因素有 。 A．摆球运动过程受到空气阻力的影响 B．细绳长度L比摆长偏小 C．释放时初速度不为零 【答案】(1)C (2) (3) (4)C (5)C 【详解】（1）为提高实验的精确度，减小空气阻力的影响，小球应选用钢球；故选C。 （2）据题意，由平衡条件有 解得 （3）在最低点时，拉力传感器最大示数，在最低点拉力与重力的合力提供向心力，根据牛顿第二定律 又 摆球动能的增加量为 （4）设摆球在最高点时，摆线与竖直方向夹角为，则 摆球从最高点摆到最低点的过程，重力势能的减少量为 如果摆球的机械能守恒，则有 整理得，故选C。 （5）A．由于空气阻力的影响，重力势能一部分克服空气阻力做功，一部分转化为小球的动能，导致系统的动能增量总是比重力势能减少量小，故A错误； B．此实验中，摆长的测量值对实验结论无影响，故B错误； C．释放时具有初速度，导致到达最低点时，速度偏大，故C正确。 故选C。 1．某同学利用自由落体运动验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示。 (1)关于本实验，下列说法正确的是________。（多选） A．重物最好选质量大、体积小的 B．打点计时器应接在低压直流电源上 C．可以利用，计算重物自由下落h时的速度 D．重物释放前靠近打点计时器，接通电源后保持纸带竖直释放重物 (2)按照正确的实验步骤操作后得到一条比较理想的纸带，如图乙所示，O点是重物释放时打的第一个点，A、B、C、D是四个连续的计时点。已知重物的质量为，打点计时器打点的时间间隔为0.02s，重力加速度g取，则从开始释放到打C点时，重物减少的重力势能为 J，重物增加的动能为 J，在误差允许的范围内，认为重物的机械能守恒。（结果均保留三位有效数字） (3)根据（2）中数据发现，重物减少的重力势能与重物增加的动能并不相等，分析其原因可能是 。（写出一条即可） 【答案】(1)AD (2) 0.428 0.423 (3)重物受到空气阻力（或纸带与打点计时器间存在摩擦力） 【详解】（1）A．重物最好选择质量大、体积小的，可以减小空气的阻力，故A正确； B．打点计时器应接在交流电源上，故B错误； C．不能利用计算瞬时速度，这是自由落体运动的速度—位移公式，这样算减少的重力势能和增加的动能一定相同，故C错误； D．重物释放前靠近打点计时器，接通电源后保持纸带竖直释放重物，为实验时操作规范要求，故D正确。 故选AD。 （2）[1]减少的重力势能 [2]打C点时重物的速度 则重物增加的动能 （3）减少的重力势能比增加的动能稍大一些，可能是由于空气对重物的阻力以及纸带和打点计时器间的摩擦力对物体做负功造成的。 2.某探究小组想利用验证机械能守恒定律的装置测量当地的重力加速度，如图甲所示。框架上装有可上下移动位置的光电门1和固定不动的光电门2；框架竖直部分紧贴一刻度尺，零刻度线在上端，可以测量出两个光电门到零刻度线的距离x1和x2；框架水平部分用电磁铁吸住一个质量为m的小铁块，小铁块的重心所在高度恰好与刻度尺零刻度线对齐。切断电磁铁线圈中的电流时，小铁块由静止释放，当小铁块先后经过两个光电门时，与光电门连接的传感器即可测算出其速度大小v1和v2。小组成员多次改变光电门1的位置，得到多组x1和v1的数据，建立如图乙所示的坐标系并描点连线，得出图线的斜率为k。 (1)当地的重力加速度为 （用k表示）。 (2)若选择刻度尺零刻度线所在高度为零势能面，则小铁块经过光电门1时的机械能表达式为 。（用题中已知物理量的字母表示） (3)关于光电门1的位置，下面哪个做法可以减小重力加速度的测量误差________。 A．尽量靠近刻度尺零刻度线 B．尽量靠近光电门2 C．既不能太靠近刻度尺零刻度线，也不能太靠近光电门2 【答案】(1) (2) (3)C 【详解】（1）以0刻度线为零势能面，小铁块从光电门1运动到光电门2的过程中机械能守恒，根据机械能守恒定律得 整理得 所以图像的斜率 解得 （2）小铁块经过光电门1时的机械能等于小铁块经过光电门1时的动能加上势能，若选择刻度尺零刻度线所在高度为零势能面，则有 （3）用电磁铁释放小铁块的缺点是：当切断电流后，电磁铁的磁性消失需要一段时间，铁块与电磁铁铁芯可能有一些剩磁，都会使经过光电门1的时间较实际值大，引起误差，因此光电门1应远离刻度尺零刻度线；适当增大两光电门之间的距离，可使位移测量的相对误差减小。 故选C。 3．物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法，实验操作、数据分析等。 (1)用游标卡尺测量圆管的外径，示数如图所示，则 mm。 (2)如图所示，用半径相同，质量为、的两个小球的碰撞“验证动量守恒定律”，在实验中需要测量的物理量是______。 A．小球开始释放时距离桌面的高度 B．小球抛出点距离地面的高度 C．小球做平抛运动的水平射程 (3)利用图所示的实验装置验证机械能守恒定律，打点计时器打出的纸带如图所示，纸带上打点时重物的瞬时速度为。通过测量和计算，两点间的平均速度为，两点间的平均速度为。下列说法正确的是______。 A．更接近，且小于 B．更接近，且大于 C．更接近，且小于 D．更接近，且大于 (4)利用图所示的装置验证机械能守恒定律，实验结果往往是物体的重力势能的减少量略大于其动能的增加量。关于这个误差，下列说法正确的是______。 A．该误差属于偶然误差 B．该误差属于系统误差 C．可以通过多次测量取平均值的方法来减小该误差 D．可以通过减小摩擦阻力的影响来减小该误差 【答案】(1)24.4 (2)C (3)B (4)BD 【详解】（1）用游标卡尺测量圆管的外径d=2.4cm+0.1mm×4=24.4mm （2）实验要验证的关系是 因小球做平抛运动，下落相同的高度时间相同，可用水平射程代替水平位移，则 即 可知在实验中需要测量的物理量是小球做平抛运动的水平射程。 故选C。 （3）由匀变速直线运动的规律以及瞬时速度的概念可知，两点间的平均速度为等于AB中间时刻的速度，两点间的平均速度为等于B点的瞬时速度，则更接近于且大于，大于。 故选B。 （4）实验结果往往是物体的重力势能的减少量略大于其动能的增加量。这个误差属于系统误差，是由于阻力造成的，可以通过减小摩擦阻力的影响来减小该误差，多次测量取平均值的方法不能减小该误差， 故选BD。 4．小明同学用如图所示实验装置验证机械能守恒定律，主要步骤如下： （1）测得小球所带遮光片的宽度为d。 （2）将轻质细弹簧上端固定于O点，下端挂上小球后缓慢释放，待小球静止时，记下该位置，测出弹簧的伸长量为x0，并在该位置固定好光电门。如图所示。 （3）把小球竖直向下拉至距弹簧原长2x0的位置，由静止释放，记录小球经过光电门时遮光片的遮光时间t，则小球经过光电门时的速度大小v= （用题中所给字母表示）；若已知弹簧的弹性势能（k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量），当地的重力加速度为g，若满足关系 （用题中所给或测量的合适的物理量字母表示），则可验证小球和弹簧组成的系统机械能守恒， （填“还需要”或“不需要”）测量小球的质量。 【答案】 不需要 【详解】[1]小球经过光电门时的速度大小 [2]若机械能守恒则满足 其中 可得 [3]由上述表达式可知，该实验不需要测量小球的质量。 5．机械能守恒定律有很多种方式验证． 用如图实验装置验证、组成的系统机械能守恒，从高处由静止开始下落，上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量．下图给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．已知、，则（g取，结果保留两位有效数字） (1)在纸带上打下计数点5时的速度 ； (2)在打点0～5过程中系统动能的增量 J，系统势能的减少量 J； (3)某同学决定用作出图像验证机械能守恒．根据该同学选取的横纵坐标轴，若需要说明机械能守恒则图像应满足的条件是 ． (4)根据该同学实测数据，作出图乙中直线，根据图象求得重力加速度 。该同学认为这可能是由于操作时先释放重物后打开打点计时器造成的。你认为他所说 。（选填“合理”或“不合理”） 【答案】(1)2.4 (2) 0.58 0.60 (3)图像为一过原点的直线，在误差允许的范围内斜率等于 (4) 9.7 不合理 【详解】（1）打点计时器所接电源为频率是的交变电源，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），所以相邻的计数点的时间间隔是 根据匀变速直线运动的规律：某段时间内的平均速度大小等于这段时间中间时刻的瞬时速度大小，则有 （2）[1]根据动能的定义得：系统动能的增量 [2]从开始下落算起，打点计时器记录5点时，系统势能的减少量为 （3）根据机械能守恒定律得 整理得 又因为 联立可得 可知图像应为一过原点的直线，在误差允许的范围内斜率等于。 （4）[1]由图象可知斜率 联立解得 [2]在这里重力势能减小量大于动能增加量。如果提前释放重物后开打点计时器，应会造成重力势能减小量小于动能增加量．所以该同学的推测不合理。 1. （2025·河南·高考真题）实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源（频率）、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。 (1)下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列： （填步骤前面的序号） ①先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带 ②先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点 ③用电子天平称量重锤的质量 ④将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端 ⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据 ⑥关闭电源，取下纸带 (2)图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为 （保留3位有效数字）。 (3)纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图3所示的关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应 （填“通过”或“不通过”）原点且斜率为 （用重力加速度大小g表示）。由图3得直线的斜率 （保留3位有效数字）。 (4)定义单次测量的相对误差，其中是重锤重力势能的减小量，是其动能增加量，则实验相对误差为 （用字母k和g表示）；当地重力加速度大小取，则 （保留2位有效数字），若，可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒。 【答案】(1)④①⑥⑤ (2)1.79 (3) 通过 19.1 (4) 3.1 【详解】（1）实验步骤为：将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端，先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带，关闭电源，取下纸带，在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据，根据原理可知质量可以约掉，不需要用电子天平称量重锤的质量。 故选择正确且正确排序为④①⑥⑤。 （2）根据题意可知纸带上相邻计数点时间间隔 根据匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度可得 代入数据可得 （3）[1][2]根据 整理可得 可知理论上，若机械能守恒，图中直线应通过原点，且斜率 [3]由图3得直线的斜率 （4）[1]根据题意有 可得 [2]当地重力加速度大小取，代入数据可得。 2. （2025·江苏·高考真题）小明同学探究机械能守恒定律，实验装置如图。实验时，将小钢球在斜槽上某位置A由静止释放，钢球沿斜槽通过末端O处的光电门，光电门记录下钢球的遮光时间t。用游标卡尺测出钢球的直径d，由得出其通过光电门的速度v，再计算出动能增加量。用刻度尺测得钢球下降的高度h，计算出重力势能减少量。 (1)安装实验装置的操作有： ①在斜槽末端安装光电门    ②调节斜槽在竖直平面内 ③调节斜槽末端水平        ④将斜槽安装到底座上 其合理的顺序是__________（选填“A”“B”或“C”）。 A．①②③④ B．④②③① C．④①②③ (2)测量钢球直径的正确操作是图中 （选填“甲”或“乙”）所示的方式。 3. (3)在斜槽上5个不同的位置由静止释放钢球。测量得出的实验数据见表1。已知钢球的质量，重力加速度。请将下表的数据补充完整。 表1 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 4.90 6.25 7.45 8.78 10.0 7.84 9.80 11.8 13.7 (4)实验数据表明，明显小于，钢球在下降过程中发生机械能的损失。小明认为，机械能的损失主要是由于钢球受到的摩擦力做功造成的。 为验证此猜想，小明另取一个完全相同的斜槽按下图平滑对接。若钢球从左侧斜槽上A点由静止释放，运动到右侧斜槽上，最高能到达B点，A、B两点高度差为H．则该过程中，摩擦力做功大小的理论值 （用m、g、H表示）。 (5)用上图的装置，按表1中所列部分高度h进行实验，测得摩擦力做功大小。由于观察到H值较小，小明认为，AO过程摩擦力做功近似等于AB过程的一半，即。然后通过表1的实验数据，计算出AO过程损失的机械能。整理相关数据，见表2。 表2 4.00 5.00 6.00 7.00 2.94 3.55 4.35 4.92 0.98 1.08 1.18 1.27 上表中与相差明显。小明认为这是由于用近似计算不合理。你是否同意他的观点？ 请根据表2数据简要说明理由。 【答案】(1)B (2)甲 (3)15.7 (4)mgH (5) 不同意 小球减小的重力势能有一部分转化为小球的转动动能，相差很大的原因是小球的转动动能没有计入 【详解】（1）正确步骤为将斜槽安置于底座，调节斜槽在竖直平面内，调节斜槽末端水平，安装光电门，序号为④②③①。 故选B。 （2）测量小球直径的正确操作需要确保测量工具与小球接触良好，并且小球的位置不会导致测量误差。在图中的情形中，甲图示显示出的卡尺测量方式更准确地使卡尺的两测量面与小球的表面垂直接触，适合测量直径。而乙图因为夹持不住小球，使得小球并没有夹在量爪之间，测量不准确。 故选甲。 （3）根据 可知下降高度为时减少的重力势能为下降高度为的二倍，代入数据可得 （4）根据动能定理可得 可得 （5）[1][2]不同意，原因是小球减小的重力势能有一部分转化为小球的转动动能，相差很大的原因是小球的转动动能没有计入。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第18讲 实验：验证机械能守恒定律 目录 01 课标达标练 题型01 教材原型实验..........................................................................................................2 题型02 创新拓展实验 ........................................................................................................5 02 核心突破练..........................................................................................7 03 真题溯源练..........................................................................................11 01 教材原型实验 1.（23-24高三下·天津中学·一模）用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。 (1)下列操作正确且必要的有 。 A．使用天平测出重物的质量 B．应先接通打点计时器的电源，再松开纸带，让重物自由下落 C．用刻度尺测出物体下落的高度h，通过v=gt算出瞬时速度v D．选择体积小、质量大的重物，纸带、限位孔在同一竖直线上，可以减小系统误差 (2)图乙是实验中得到的一条纸带，将起始点记为O，依次选取6个连续的点，分别记为A、B、C、D、E、F，量出各点与O点的距离分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6，使用交流电的周期为T，在打B点和E点这段时间内，如果重物的机械能守恒，在误差允许的范围内应满足的关系式为 （已知重力加速度为g）。 2.实验装置如图1，使重锤自由下落，打点计时器在随重锤下落的纸带上打下一系列点迹。挑出点迹清晰的一条纸带，从点迹清晰处依次标出计数点0，1，2，…，7，纸带如图2。 (1)用此装置可以测量当地重力加速度和验证机械能是否守恒，下列说法正确的是_________。 A．测量当地重力加速度必须使用刻度尺与秒表 B．验证机械能是否守恒必须使用天平（含砝码） C．验证机械能是否守恒必须测量速度和高度变化量 D．空气阻力不影响重力加速度的测量 (2)在验证机械能是否守恒的实验中，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．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 C．没有采用多次实验取平均值的方法 (3)打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，纸带如图2所示，计数点0、1间的距离是 cm。打下1点时重锤的瞬时速度大小是 （保留二位有效数字）。 (4)在测量当地重力加速度的实验中，某同学根据纸带打出的点，已经读出2、4间和5、7间的距离分别为：、，打点周期为，当地的重力加速度 （用、、表示）。 3.如图1为“验证机械能守恒定律”实验装置。 (1)下列说法正确的是______（多选） A．选用点迹清晰的纸带 B．打点计时器直接使用220V交流电源 C．打点计时器平面须处于竖直方向，且两个限位孔在同一竖直线上 D．选取起始点作为第一个计数点，可用公式（T为打点时间间隔，h为第n点距起始点的距离）来计算打第n点时重物的速度 (2)如图2，O、A、B、C、D、E、F是7个连续的打点，电源频率为50Hz。则打下O点时，重物的速度 （选填“为零”或“不为零”）；打下E点时重物速度为 m/s（保留2位有效数字）。 (3)当地重力加速度，由纸带数据分析重物重力势能的减少量 （选填“大于”、“小于”或“等于”）；如果是由于电源频率造成上述情况，则电源的实际频率 （选填“大于”或“小于”）50Hz。 02 创新拓展实验 4.（23-24高三下·天津中学·一模）某实验小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律，实验主要步骤如下：（不考虑空气阻力的影响） ①将光电门安放在固定于水平地面上的长木板上； ②将细绳一端连在小车上，另一端绕过两个轻质光滑定滑轮后悬挂一钩码，调节木板上滑轮的高度，使该滑轮与小车间的细绳与木板平行； ③测出小车遮光板与光电门之间的距离L，接通电源，释放小车，记下小车遮光板经过光电门的时间t； ④根据实验数据计算出小车与钩码组成的系统动能的增加量和钩码重力势能的减少量。 (1)根据上述实验步骤，实验中还需测量的物理量有 ； A．小车上遮光板的宽度d     B．小车和遮光板总质量m1 C．钩码的质量m2 D．钩码下落的时间t′ (2)图中游标卡尺所测遮光板宽度d为 mm； (3)由实验步骤和(1)选项中测得的物理量，改变L的大小，重复步骤③、④，可得到系统动能增加量总是小于钩码重力势能减少量，其原因可能是 5.某同学利用平抛运动验证机械能守恒，装置如图甲所示。 (1)先用螺旋测微器测小球的直径，示数如图乙所示，则小球直径 ； (2)按图甲安装装置，调节斜槽末端水平，确保木板竖直且板面与小球做平抛运动所在平面平行，将小球放在斜槽末端，确定小球球心在白纸上的投影位置点，让小球多次从斜槽上同一位置由静止释放，在离点较远处，确定小球运动中在白纸上的一个投影点标为位置，将光电门在该位置水平放置，再将小球在点由静止释放，测得小球通过光电门的挡光时间为，则可求得小球通过光电门时 （填“速度”“水平方向的分速度”或“竖直方向的分速度”）的大小； (3)测出、两点间的竖直高度，如果表达式 （用、、表示）成立，则小球在做平抛运动过程中机械能守恒。 6.某同学通过如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。将拉力传感器固定在铁架台上，长度为L的细绳（不可伸长）一端连在拉力传感器上，另一端系住直径为d的摆球，图乙是与力传感器连接的计算机屏幕所显示的图像。 (1)为提高实验的精确度，摆球应选用 。 A．塑料球 B．泡沫球 C．钢球 D．木球 (2)开始时，摆球静止于最低位置，此时拉力传感器示数为，重力加速度为g，则摆球质量为 。 (3)将摆球拉至细绳与竖直方向成一定角度由静止释放，让摆球在竖直平面内摆动，则摆球到最低点时，其动能为 。（用F0、F2、L、d表示） (4)记下拉力传感器最小示数及最大示数，改变角度，重复步骤（3）操作，并作出图像，如果摆球的机械能守恒，则下列图像合理的是 。 A． B． C． (5)若实验中发现系统的动能增量总是比重力势能减少量大，以下可能的影响因素有 。 A．摆球运动过程受到空气阻力的影响 B．细绳长度L比摆长偏小 C．释放时初速度不为零 1．某同学利用自由落体运动验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示。 (1)关于本实验，下列说法正确的是________。（多选） A．重物最好选质量大、体积小的 B．打点计时器应接在低压直流电源上 C．可以利用，计算重物自由下落h时的速度 D．重物释放前靠近打点计时器，接通电源后保持纸带竖直释放重物 (2)按照正确的实验步骤操作后得到一条比较理想的纸带，如图乙所示，O点是重物释放时打的第一个点，A、B、C、D是四个连续的计时点。已知重物的质量为，打点计时器打点的时间间隔为0.02s，重力加速度g取，则从开始释放到打C点时，重物减少的重力势能为 J，重物增加的动能为 J，在误差允许的范围内，认为重物的机械能守恒。（结果均保留三位有效数字） (3)根据（2）中数据发现，重物减少的重力势能与重物增加的动能并不相等，分析其原因可能是 。（写出一条即可） 2.某探究小组想利用验证机械能守恒定律的装置测量当地的重力加速度，如图甲所示。框架上装有可上下移动位置的光电门1和固定不动的光电门2；框架竖直部分紧贴一刻度尺，零刻度线在上端，可以测量出两个光电门到零刻度线的距离x1和x2；框架水平部分用电磁铁吸住一个质量为m的小铁块，小铁块的重心所在高度恰好与刻度尺零刻度线对齐。切断电磁铁线圈中的电流时，小铁块由静止释放，当小铁块先后经过两个光电门时，与光电门连接的传感器即可测算出其速度大小v1和v2。小组成员多次改变光电门1的位置，得到多组x1和v1的数据，建立如图乙所示的坐标系并描点连线，得出图线的斜率为k。 (1)当地的重力加速度为 （用k表示）。 (2)若选择刻度尺零刻度线所在高度为零势能面，则小铁块经过光电门1时的机械能表达式为 。（用题中已知物理量的字母表示） (3)关于光电门1的位置，下面哪个做法可以减小重力加速度的测量误差________。 A．尽量靠近刻度尺零刻度线 B．尽量靠近光电门2 C．既不能太靠近刻度尺零刻度线，也不能太靠近光电门2 3．物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法，实验操作、数据分析等。 (1)用游标卡尺测量圆管的外径，示数如图所示，则 mm。 (2)如图所示，用半径相同，质量为、的两个小球的碰撞“验证动量守恒定律”，在实验中需要测量的物理量是______。 A．小球开始释放时距离桌面的高度 B．小球抛出点距离地面的高度 C．小球做平抛运动的水平射程 (3)利用图所示的实验装置验证机械能守恒定律，打点计时器打出的纸带如图所示，纸带上打点时重物的瞬时速度为。通过测量和计算，两点间的平均速度为，两点间的平均速度为。下列说法正确的是______。 A．更接近，且小于 B．更接近，且大于 C．更接近，且小于 D．更接近，且大于 (4)利用图所示的装置验证机械能守恒定律，实验结果往往是物体的重力势能的减少量略大于其动能的增加量。关于这个误差，下列说法正确的是______。 A．该误差属于偶然误差 B．该误差属于系统误差 C．可以通过多次测量取平均值的方法来减小该误差 D．可以通过减小摩擦阻力的影响来减小该误差 4．小明同学用如图所示实验装置验证机械能守恒定律，主要步骤如下： （1）测得小球所带遮光片的宽度为d。 （2）将轻质细弹簧上端固定于O点，下端挂上小球后缓慢释放，待小球静止时，记下该位置，测出弹簧的伸长量为x0，并在该位置固定好光电门。如图所示。 （3）把小球竖直向下拉至距弹簧原长2x0的位置，由静止释放，记录小球经过光电门时遮光片的遮光时间t，则小球经过光电门时的速度大小v= （用题中所给字母表示）；若已知弹簧的弹性势能（k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量），当地的重力加速度为g，若满足关系 （用题中所给或测量的合适的物理量字母表示），则可验证小球和弹簧组成的系统机械能守恒， （填“还需要”或“不需要”）测量小球的质量。 5．机械能守恒定律有很多种方式验证． 用如图实验装置验证、组成的系统机械能守恒，从高处由静止开始下落，上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量．下图给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．已知、，则（g取，结果保留两位有效数字） (1)在纸带上打下计数点5时的速度 ； (2)在打点0～5过程中系统动能的增量 J，系统势能的减少量 J； (3)某同学决定用作出图像验证机械能守恒．根据该同学选取的横纵坐标轴，若需要说明机械能守恒则图像应满足的条件是 ． (4)根据该同学实测数据，作出图乙中直线，根据图象求得重力加速度 。该同学认为这可能是由于操作时先释放重物后打开打点计时器造成的。你认为他所说 。（选填“合理”或“不合理”） 1. （2025·河南·高考真题）实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源（频率）、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。 (1)下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列： （填步骤前面的序号） ①先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带 ②先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点 ③用电子天平称量重锤的质量 ④将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端 ⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据 ⑥关闭电源，取下纸带 (2)图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为 （保留3位有效数字）。 (3)纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图3所示的关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应 （填“通过”或“不通过”）原点且斜率为 （用重力加速度大小g表示）。由图3得直线的斜率 （保留3位有效数字）。 (4)定义单次测量的相对误差，其中是重锤重力势能的减小量，是其动能增加量，则实验相对误差为 （用字母k和g表示）；当地重力加速度大小取，则 （保留2位有效数字），若，可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒。 2. （2025·江苏·高考真题）小明同学探究机械能守恒定律，实验装置如图。实验时，将小钢球在斜槽上某位置A由静止释放，钢球沿斜槽通过末端O处的光电门，光电门记录下钢球的遮光时间t。用游标卡尺测出钢球的直径d，由得出其通过光电门的速度v，再计算出动能增加量。用刻度尺测得钢球下降的高度h，计算出重力势能减少量。 (1)安装实验装置的操作有： ①在斜槽末端安装光电门    ②调节斜槽在竖直平面内 ③调节斜槽末端水平        ④将斜槽安装到底座上 其合理的顺序是__________（选填“A”“B”或“C”）。 A．①②③④ B．④②③① C．④①②③ (2)测量钢球直径的正确操作是图中 （选填“甲”或“乙”）所示的方式。 3. (3)在斜槽上5个不同的位置由静止释放钢球。测量得出的实验数据见表1。已知钢球的质量，重力加速度。请将下表的数据补充完整。 表1 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 4.90 6.25 7.45 8.78 10.0 7.84 9.80 11.8 13.7 (4)实验数据表明，明显小于，钢球在下降过程中发生机械能的损失。小明认为，机械能的损失主要是由于钢球受到的摩擦力做功造成的。 为验证此猜想，小明另取一个完全相同的斜槽按下图平滑对接。若钢球从左侧斜槽上A点由静止释放，运动到右侧斜槽上，最高能到达B点，A、B两点高度差为H．则该过程中，摩擦力做功大小的理论值 （用m、g、H表示）。 (5)用上图的装置，按表1中所列部分高度h进行实验，测得摩擦力做功大小。由于观察到H值较小，小明认为，AO过程摩擦力做功近似等于AB过程的一半，即。然后通过表1的实验数据，计算出AO过程损失的机械能。整理相关数据，见表2。 表2 4.00 5.00 6.00 7.00 2.94 3.55 4.35 4.92 0.98 1.08 1.18 1.27 上表中与相差明显。小明认为这是由于用近似计算不合理。你是否同意他的观点？ 请根据表2数据简要说明理由。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $