8.5 实验：验证机械能守恒定律 分层作业 -2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

**基本信息** 本练习通过A、B、C三层设计，以实验操作为核心，从基础规范到创新探究，构建能量观念与科学探究能力的进阶路径，适配新授课分层教学需求。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |A层|实验器材、步骤、基础数据处理|聚焦自由下落实验规范，通过填空、选择巩固操作要点，培养实验基本技能| |B层|误差分析、图像法验证|深化数据处理与误差归因，结合纸带分析提升科学推理能力，强化能量转化观念| |C层|创新实验设计（气垫导轨、弹簧系统）|跨情境迁移实验原理，通过系统机械能守恒探究，发展模型建构与质疑创新素养|

8.5 实验：验证机械能守恒定律 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．参考案例 案例1  研究自由下落物体的机械能 （1）实验器材 铁架台（带铁夹）、_____________、重物（带夹子）、________、复写纸（或墨粉盘）、导线、毫米刻度尺、交流电源。 （2）实验步骤 ①安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。 ②打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3~5条打好点的纸带。 ③选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证。 （3）数据处理 ①计算各点对应的瞬时速度：如图乙所示，根据公式vn＝，计算出某一点的瞬时速度vn。 ②验证方法 方法一：利用起始点和第n点。 选择开始的两点间距接近2 mm的一条纸带，打的第一个点为起始点，如果在实验误差允许范围内，则机械能守恒定律得到验证。 方法二：任取两点A、B。 如果在实验误差允许范围内，则机械能守恒定律得到验证。 方法三：图像法（如图所示）。 若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证。 （4）误差分析 本实验的误差主要是纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。 （5）注意事项 ①安装打点计时器时，要使两限位孔的中线在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。 ②应选用质量和密度较大的重物。 ③实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。 ④本实验中的几种验证方法均不需要测重物的质量m。 ⑤速度不能用v＝gt或v＝计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn＝计算瞬时速度。 案例2  研究沿斜面下滑物体的机械能 （6）实验器材 气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。 （7）实验步骤 如图所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大。 测量两光电门之间高度差Δh和滑块通过两个光电门时的速度v1、v2，代入表达式验证。 （8）物理量的测量及数据处理 ①测量两光电门之间的高度差Δh； ②根据滑块经过两光电门时遮光条的遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。 若遮光条的宽度为ΔL，则滑块经过两光电门时的速度分别为v1＝，v2＝； ③若在实验误差允许范围内满足，则验证了机械能守恒定律。 （9）误差分析 两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小。 2．小明同学通过学习物理，知道能量之间是相互转化的，不会凭空产生、消失。为验证自己的猜想，现根据以下实验器材，验证机械能守恒（已知打点计时器的频率为f）打出的点是连续相邻两个点。 (1)为保证本次实验用电安全，应选择电磁打点计时器，使用____________（4~6V交流电、4~6V直流电）。 (2)小明同学的以下操作正确的是（　　） A．实验前需用手托住重物，且悬挂重物需离打点计时器越远越好 B．先接通电源、后释放重物 C．实验过程不需要天平、秒表，但需要测量距离的刻度尺 (3)根据纸带打下的点，其中B的速度大小__________，E的速度大小____________________。 (4)B到E点到的动能变化量________________，势能的变化量_____________________。 3．在“验证机械能守恒定律”的实验中 (1)下列操作正确的是________ A． B． C． (2)如图是实验中获得的一条纸带，其中为打点计时器打下的第一个点，并测得下落高度如图所示。已知重物质量为，打点周期为，重力加速度为，则打下“D”点时，重锤下落的速度大小________，重锤从O点下落到D点的重力势能减少量________（用图中所给字母及、、表示） (3)实验中某同学的实验数据结果显示：重物动能的增加量大于重力势能的减少量，则可能的原因________（多选） A．空气对重物有阻力和打点计时器对纸带有阻力 B．利用公式计算重物速度 C．未静止释放，O点有初速度 D．电压的频率小于50Hz 4．某同学利用重物自由下落来做“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示． （1）请指出实验装置甲中存在的明显错误：__________． （2）进行实验时，为保证测量的重物下落时初速度为零，应________（选填“A”或“B”）． A．先接通电源，再释放纸带    B．先释放纸带，再接通电源 （3）根据打出的纸带，选取纸带上连续打出的四个点如图乙所示．已测出这些点到第一个点O的距离分别为，打点计时器的打点周期为．若代入所测数据能满足表达式____，则可验证重物下落过程机械能守恒（用题目中已测出的物理量表示）． （4）某同学作出了图象（图丙），则由图线得到的重力加速度__________（结果保留3位有效数字）． （5）丁图线未过原点的原因是_______________． B层 5．某同学利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。使重物自由下落，打点计时器在随重物下落的纸带上打下一系列点迹。挑出点迹清晰的一条纸带，依次标出计数点1，2，…，6，相邻计数点之间还有1个计时点。 (1)关于本实验，下列说法正确的是________。 A．实验前必须用天平测出重物的质量 B．实验前需用刻度尺测出重物距地面的高度 C．实验时先通电，打点稳定后再释放纸带 (2)图乙为纸带的一部分，打点3时，重物下落的速度大小________m/s（结果保留3位有效数字）。 6．某实验小组用重物下落验证机械能守恒定律。 (1)下图是四位同学释放纸带瞬间的照片，操作正确的是（　　） A． B． C． D． (2)下列有关实验的说法正确的是（　　） A．必须先用天平测出重物的质量 B．必须用秒表测重物下落的时间 C．应选择质量大、体积小的重物进行实验 D．利用公式或计算重物的速度 (3)如下图所示，在一条点迹清晰的纸带上选取O点为参考点，A、B、C为三个连续点，与O点之间的距离分别为、、，已知打点计时器的打点周期为T。若重物质量为m，重物在打B点时的动能为______ (4)绝大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，该误差（　　） A．属于偶然误差，可以通过多次测量取平均值的方法来减小 B．属于系统误差，可以通过多次测量取平均值的方法来减小 C．属于偶然误差，可以通过减小空气阻力和摩擦阻力来减小 D．属于系统误差，可以通过减小空气阻力和摩擦阻力来减小 C层 7．某班同学分组设计验证机械能守恒实验，设计的装置如图甲、乙所示。 (1)甲组同学认为图甲装置在平衡摩擦力后即可验证机械能守恒定律，此方案______（选填“可行”或“不可行”） (2)乙组同学实验主要步骤有 A．将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平； B．测出遮光片的宽度； C．用天平称出托盘和砝码的总质量；称出滑块和遮光片的总质量； D．将滑块移至图示位置，测出遮光片到光电门的距离； E．由静止释放滑块，读出遮光片通过光电门的遮光时间； F.改变，多次重复实验，记录数据。 ①本实验的研究对象为______ A．滑块和遮光片    B．托盘和砝码    C．滑块和遮光片及托盘和砝码 ②如图丙所示，用游标卡尺测得遮光片的宽度______； ③作出图像，如图丁所示，根据机械能守恒定律，图线斜率的理论值为______（用题中所给物理量的字母表示）。 ④实验中有不可忽略的阻力影响，实际采集数据后作出了如图戊所示的图线______（选填“A”或“B”） 8．某同学用如图所示的装置验证轻弹簧和小物块（带有遮光条）组成的系统机械能守恒。图中光电门安装在铁架台上且位置可调。物块释放前，细线与弹簧和物块的栓接点（A、B）在同一水平线上，且弹簧处于原长。滑轮质量不计且滑轮凹槽中涂有润滑油。以保证细线与滑轮之间的摩擦可以忽略不计，细线始终伸直。小物块连同遮光条的总质量为m，弹簧的劲度系数为k，弹性势能（x为弹簧形变量），重力加速度为g，遮光条的宽度为d，小物块释放点与光电门之间的距离为l（d远远小于l）。现将小物块由静止释放，记录物块通过光电门的时间t。 (1)物块通过光电门时的速度为_________； (2)改变光电门的位置，重复实验，每次滑块均从B点静止释放，记录多组l和对应的时间，做出图像如图所示，若在误差允许的范围内，满足关系式_________时，可验证轻弹簧和小物块组成的系统机械能守恒； (3)在（2）中条件下，和是图像中轴对称的两个位置，和时，物块通过光电门时的动能分别为、，弹簧具有的弹性势能分别为、，则=_________，=_________（用、m、、g表示）； (4)在（2）中条件下，取某个值时，可以使物块通过光电门时的速度最大，速度最大值为_________（用m、g、k表示）。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 1． 打点计时器 纸带 【详解】[1][2]完成实验还需要的器材为打点计时器和纸带。 2．(1)4~6V交流电 (2)BC (3) (4) 【详解】（1）为保证本次实验用电安全，应选择电磁打点计时器，使用4-6V交流电。 （2）A．实验前需用手托住重物，且悬挂重物应靠近打点计时器，故A错误； B．为了充分利用纸带，实验过程中应先接通电源后释放重物，故B正确； C．实验过程中重物减少的重力势能与增加的动能均含有质量，可以约掉，所以不需要天平，且打点计时器可以记录时间，所以不需要秒表计时，但需要测量距离的刻度尺，故C正确。 故选BC。 （3）[1][2]根据题意可知，相邻两计数点间的时间间隔为 所以B的速度大小为 E的速度大小 （4）[1]B到E点到的动能变化量 [2]势能的变化量为 3．(1)B (2) (3)CD 【详解】（1）在“验证机械能守恒定律”的实验中，重物应靠近打点计时器，且纸带应处于竖直状态，这样能减小摩擦阻力的影响。 故选B。 （2）[1] 根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程的平均速度，由于D点是C、E两点的中间时刻，所以打下“D”点时，重锤下落的速度大小为 [2] 重锤从O点下落到D点的过程中，重物下落的高度为，所以该过程重力势能的减少量为 （3）A．由于空气对重物有阻力和打点计时器对纸带有阻力，重锤下落过程中需克服阻力做功，所以空气阻力和纸带阻力会使动能增加量小于重力势能的减少量，故A错误； B．利用公式计算重物速度，相当于默认了机械能守恒，再去验证机械能守恒，算出的结果应为重物动能的增加量等于重力势能的减少量，故B错误； C．如果开始释放时重物就有初速度，那么重物在O点就已经具备了一部分动能，下落过程中，除了重力势能转化的动能，还加上了初始的动能，所以最终测得的动能增加量就会大于重力势能的减少量，故C正确； D．电压频率小于50Hz，实际打点周期大于0.02s，而计算时用了这个偏小的周期，会使速度计算值偏大，所以最终测得的动能增加量就会大于重力势能的减少量，故D正确。 故选CD。 4． 打点计时器不能接“直流电源”（或打点计时器应接“交流电源”） A 9.67 先释放纸带，再闭合开关 【详解】（1）从图甲中的实验装置中发现，打点计时接在了“直流电源”上，打点计时器的工作电源是“低压交流电源”．因此，明显的错误是打点计时器不能接在“直流电源”上． （2）为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点，应该先接通电源，让打点计时器正常工作后，再释放纸带．若先释放纸带，再接通电源，当打点计时器打点时，纸带已经下落，打下的第1个点的速度不为零．因此，为保证重物下落的初速度为零，应先接通电源，再释放纸带，故选A． （3）根据实验原理，只要验证ghn＝vn2，即可验证机械能守恒定律．因此需求解v3，根据匀变速直线运动规律关系式可得，v3＝，则有，故只要在误差允许的范围内验证gh3＝成立，就可验证重物下落过程中机械能守恒． （4）根据mgh＝mv2，可得：v2=2gh，可知图线的斜率为：k=2g=，代入数据解得：g=9.67m/s2． （5）丁图像说明当h=0时重物的速度不为零，说明可能是先释放了纸带后接通电源造成的. 点睛：解决本题的关键知道实验的原理和注意事项，掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度，从而得出动能的增加量，会根据下降的高度求解重力势能的减小量． 5．(1)C (2)1.15 【详解】（1）A．要验证的表达式为 由于质量可以约去，所以实验前没必要用天平测出重物的质量，故A错误； B．测重物下落的高度时，通过实验后纸带上点迹间的距离进行测量，故B错误； C．为了充分利用纸带，实验时先通电，打点稳定后再释放纸带，故C正确。 故选C。 （2）相邻计数点之间还有1个计时点，则相邻计数点的时间间隔为 打点3时，重物下落的速度大小。 6．(1)B (2)C (3) (4)D 【详解】（1）在验证机械能守恒定律的实验中，打点计时器应该接低压交流电源，实验时，应让重物紧靠打点计时器，手拉着纸带的上方，保持纸带竖直，由静止释放。 故选B。 （2）A．实验中需要验证的方程为减小得重力势能等于增大的动能，方程两侧可以将质量消去，可知，不需要用天平测质量，故A错误； B．打点计时器是一种计时仪器，不需要秒表，故B错误； C．为了减小阻力的影响，应选择质量大、体积小的重物进行实验，故C正确； D．若利用公式或计算重物速度，则说明是自由落体运动，那么重力势能的减少量等于动能的增加量，故D错误； 故选C。 （3）利用匀变速直线运动过程中平均速度等于其中间时刻速度，可知打点B时的速度为 从打O点到打B点的过程中，动能变化量为 （4）实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量，该误差属于系统误差，可以通过减小空气阻力和摩擦阻力的影响来减小该误差。 故选D。 7．(1)不可行 (2) C 5.2 A 【详解】（1）用重力分力平衡摩擦力后，摩擦力仍做功，故机械能不守恒，即此方案不可行。 （2）[1]验证系统机械能守恒，故对象为滑块和遮光片及托盘和砝码； [2]图丙可知游标卡尺精度为0.1mm，故读数 [3]由能量守恒得 整理得 可知斜率 [4]若考虑阻力，由能量守恒得 整理得 可知斜率更大，故图线为A。 8．(1) (2) (3) 0 (4) 【详解】（1）遮光条的宽度为，通过光电门的时间，则物块通过光电门时的速度为 （2）若系统机械能守恒，则有 整理可得在误差允许的范围内，满足关系式 即可验证弹簧和小物块组成的系统机械能守恒。 （3）[1][2]由图像可知和时，时间相等，则物块的速度大小相等，动能相等，则有 由， 联立可得 （4）由图像可知时遮光条挡光时间最短，此时物块通过光电门时的速度最大，可得 又 联立可得 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $