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

### 基本信息 高中物理人教版必修第二册第八章8.5实验同步练，以“原始实验+创新实验”分层设计，通过基础操作到综合探究的进阶路径，培养科学探究能力与实验数据处理的科学思维。 ### 分层设计 |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |原始实验|实验原理、操作规范、基础数据处理|含纸带分析（第1题）、步骤纠错（第1题）、速度与能量计算（第2题），强化实验操作的科学态度| |创新实验|系统机械能守恒、装置改进、误差分析|结合光电门（第4题）、滑块-钩码系统（第5题）、v²-h图像（第6题），提升复杂情境下的模型建构与科学论证能力|

高中物理人教版必修第二册 第八章《机械能守恒定律》 8.5 实验：验证机械能守恒定律 同步练解析版 一、原始实验（共计3题，共计54分） 1．（15分）用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，若按正确的实验步骤进行，并选出如图乙所示的纸带，回答下列问题： 甲　　　　　　　　　　　乙 (1)纸带的________(选填“左”或“右”)端与重物相连。 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤(示意图如图所示)： A．按照图示的装置安装器件； B．将打点计时器接到电源的交流输出端上； C．用天平测量出重物的质量； D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带； E．测量纸带上打出的某些点之间的距离； F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。 指出其中没有必要进行的和操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并改正不恰当的步骤： 没有必要进行的步骤是________，理由是________，操作不恰当的步骤是________，改正为________。 [解析]　在验证机械能守恒时，左右两边式子均有质量m，可以约去，没有必要用天平测重物的质量；先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，D错误。 [答案]　(1)左　(2)C　在验证机械能守恒时，左右两边式子的质量m可以约去　D　先接通电源，待打点稳定后再释放纸带 2．（18分）某同学用图(a)所示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用“8 V,50 Hz”的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8 m/s2，重锤的质量为1 kg.(计算结果均保留两位有效数字) (1)下列做法正确的有________． A．必须称出重锤和夹子的质量 B．图中两限位孔必须在同一竖直线上 C．将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器 D．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源 E．处理数据时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 (2)打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝________ m/s，重锤的动能EkB＝________J. (3)从起点O到打下B点过程中，重锤的重力势能的减少量为________J. (4)根据(1)、(2)计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是___________________________________________________． (5)图是根据某次实验数据绘出的－h图像，图线不过坐标原点的原因是__________________________． 答案　(1)B　(2)1.2　0.72　(3)0.73　(4)重锤下落过程中机械能守恒　(5)开始打点时重锤有一定的速度 解析　(2)每两个计数点之间有一个计时点，则相邻两个计数点之间的时间间隔为t＝0.04 s，则 vB＝＝ m/s≈1.2 m/s， EkB＝mvB2＝0.72 J (3)从起点O到打下B点过程中，重锤的重力势能减少量： ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.074 0 J≈0.73 J (4)在实验误差允许范围内，由于重锤重力势能减少量近似等于重锤动能的增加量，重锤下落的过程中机械能守恒； (5)由机械能守恒可知mgh＝mv2－mv02，图线不过坐标原点的原因是开始打点时重锤有一定的速度． 3.（21分）如图所示，某同学利用竖直上抛小球的频闪照片“验证机械能守恒定律”．频闪仪每隔0.05 s闪光一次，用毫米刻度尺测得相邻两个时刻小球上升的高度分别为h1＝26.3 cm，h2＝23.68 cm，h3＝21.16 cm，h4＝18.66 cm，h5＝16.04 cm，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表所示(当地重力加速度g＝9.80 m/s2，小球质量m＝0.10 kg)： 时刻 t2 t3 t4 t5 速度(m/s) 4.48 3.98 3.47 (1)上面测量高度的五个数据中不符合有效数字读数要求的是________段，应记作________cm. (2)由频闪照片上的数据计算t2时刻小球的速度v2＝______ m/s.(计算结果保留三位有效数字) (3)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝________ J，动能减少量ΔEk＝________ J．(计算结果均保留三位有效数字) (4)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算所得ΔEp________ΔEk(选填“>”“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是__________________________________________________________． 答案　(1)h1　26.30　(2)5.00　(3)0.622　0.648 (4)<　上升过程中有空气阻力做负功 (或受到空气阻力) 解析　(1)从题中可得测量工具是毫米刻度尺，所以h1在有效数字读数要求上有错误，应记作26.30 cm. (2)匀变速直线运动过程中中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度， 所以有： v2＝≈5.00 m/s. (3)根据重力做功和重力势能的关系有： ΔEp＝mg(h2＋h3＋h4)≈0.622 J ΔEk＝mv22－mv52≈0.648 J. (4)因上升过程中有空气阻力做负功，故ΔEp<ΔEk. 二、创新实验（共计4题，共计46分） 4．（12分）某同学利用图中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g 的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g，其上可放钩码)、刻度尺。当地重力加速度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下： ①安装器材、调整两个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示； ②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度； ③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤； ④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果如下表所示。 M/kg 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 ΔEk/J 0.587 0.490 0.392 0.294 0.195 ΔE/J 0.393 0.490 0.686 0.785 回答下列问题。 (1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为________ J(保留三位有效数字)。 (2)步骤④中的表格所填数据为________。 (3)以M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图中绘出ΔE­M图像。 若只考虑滑块与木板之间的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为________(保留两位有效数字)。 [解析]　(1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量ΔEp＝4mgL＝4×0.05 kg×9.80 m/s2×0.50 m＝0.980 J。 (2)根据能量守恒定律得ΔE3＝ΔEp－ΔEk3＝0.980 J－0.392 J＝0.588 J。 (3)根据表格中的数据描点、连线，得到ΔE­M图像如图所示。由功能关系得ΔE＝μMgL＝μgLM，可知k＝μgL＝，解得μ＝0.40。 [答案]　(1)0.980　(2)0.588　(3)如图所示　0.40 5．（16分）用如图甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获得的一条纸带：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m1＝50 g，m2＝150 g，则：(结果保留两位有效数字) (1)从纸带上打下计数点5时的速度v＝________m/s。 (2)从打下第“0”点到打下第“5”点的过程中系统动能的增加量ΔEk＝________J，系统势能的减少量ΔEp＝________J。(当地的重力加速度g取10 m/s2) (3)若某同学作出v2­h图像如图所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2。 [解析]　(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝ m/s＝2.4 m/s。 (2)从打下第“0”点到打下第“5”点的过程中系统动能的增加量ΔEk＝(m1＋m2)v＝×(0.05＋0.15)×2.42 J≈0.58 J，系统势能的减少量ΔEp＝(m2－m1)gh＝(0.15－0.05)×10×(38.40＋21.60)×10－2 J＝0.60 J。 (3)根据(m1＋m2)v2＝(m2－m1)gh 可得v2＝h，由图线可知 斜率k＝＝ 则g＝9.7 m/s2。 [答案]　(1)2.4　(2)0.58　0.60　(3)9.7 6．（6分）如图甲所示，一同学利用光电计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的高度差为H(H≫d)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则： 甲　　　　　　　　　乙 (1)多次改变H，重复上述实验，作出H随的变化图像如图乙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式________时，可判断小球下落过程中机械能守恒。 (2)实验中，因受空气阻力的影响，小球动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，适当降低下落高度后，ΔEp－ΔEk将________(选填“增加”“减少”或“不变”)。 [解析]　(1)若小球减少的重力势能等于增加的动能，可以认为小球的机械能守恒，则有mgH＝mv2，即2gH0＝，解得H0＝·。 (2)由于该过程中有空气阻力做功，而A、B之间高度差越大，空气阻力做功越多，故适当减小下落高度后，ΔEp－ΔEk将减少。 [答案]　(1)H0＝·(或2gH0t＝d2)　(2)减少 7．(12分)某实验小组利用图甲的装置验证钩码和滑块组成的系统机械能守恒，在水平桌面上固定一气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光条的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的钩码相连，导轨上B点处有一光电门，与光电门相连的数字计时器可以测量遮光条经过光电门时的挡光时间Δt，用d表示遮光条的宽度，s表示A、B两点的距离，g表示当地的重力加速度．(计算结果保留两位有效数字) (1)实验时，将滑块从A点处由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门时的挡光时间Δt＝1.3×10－2 s，已知遮光条的宽度d＝5.2 mm，则滑块经过光电门时的瞬时速度大小v为________． (2)改变光电门的位置进行多次实验，每次均令滑块自A点处由静止开始运动，测量相应的s与Δt的值，并计算出经过光电门时的瞬时速度大小v，作出v2－s图线，若不考虑误差，认为系统的机械能守恒，则v2与s应满足的关系式为v2＝________.(用题中所给的符号表示) (3)实验中，若已知M∶m＝3∶1，利用数据作出的v2－s图线如图乙所示，则可求得当地的重力加速度g＝________. 答案　(1)0.40 m/s(4分)　(2)(4分) (3)9.0 m/s2(4分) 解析　(1)滑块经过光电门时的瞬时速度大小v＝＝0.40 m/s. (2)如果不考虑误差，认为系统的机械能守恒，则mgs＝(M＋m)v2，得v2＝. (3)v2－s图线的斜率为k＝＝，由题图可知k＝4.5 m/s2，可求得当地的重力加速度g＝9.0 m/s2. 学科网（北京）股份有限公司 $ 高中物理人教版必修第二册 第八章《机械能守恒定律》 8.5 实验：验证机械能守恒定律 同步练 考试时间： 75分钟 试卷分值：100分 姓名： 班级： 考号： 成绩： 一、原始实验（共计3题，共计54分） 1．（15分）用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，若按正确的实验步骤进行，并选出如图乙所示的纸带，回答下列问题： 甲　　　　　　　　　　　乙 (1)纸带的________(选填“左”或“右”)端与重物相连。 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤(示意图如图所示)： A．按照图示的装置安装器件； B．将打点计时器接到电源的交流输出端上； C．用天平测量出重物的质量； D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带； E．测量纸带上打出的某些点之间的距离； F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。 指出其中没有必要进行的和操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并改正不恰当的步骤： 没有必要进行的步骤是________，理由是________，操作不恰当的步骤是________，改正为________。 2．（18分）某同学用图(a)所示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用“8 V,50 Hz”的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8 m/s2，重锤的质量为1 kg.(计算结果均保留两位有效数字) (1)下列做法正确的有________． A．必须称出重锤和夹子的质量 B．图中两限位孔必须在同一竖直线上 C．将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器 D．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源 E．处理数据时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 (2)打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝________ m/s，重锤的动能EkB＝________J. (3)从起点O到打下B点过程中，重锤的重力势能的减少量为________J. (4)根据(1)、(2)计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是___________________________________________________． (5)图是根据某次实验数据绘出的－h图像，图线不过坐标原点的原因是__________________________． 3.（21分）如图所示，某同学利用竖直上抛小球的频闪照片“验证机械能守恒定律”．频闪仪每隔0.05 s闪光一次，用毫米刻度尺测得相邻两个时刻小球上升的高度分别为h1＝26.3 cm，h2＝23.68 cm，h3＝21.16 cm，h4＝18.66 cm，h5＝16.04 cm，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表所示(当地重力加速度g＝9.80 m/s2，小球质量m＝0.10 kg)： 时刻 t2 t3 t4 t5 速度(m/s) 4.48 3.98 3.47 (1)上面测量高度的五个数据中不符合有效数字读数要求的是________段，应记作________cm. (2)由频闪照片上的数据计算t2时刻小球的速度v2＝______ m/s.(计算结果保留三位有效数字) (3)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝________ J，动能减少量ΔEk＝________ J．(计算结果均保留三位有效数字) (4)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算所得ΔEp________ΔEk(选填“>”“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是__________________________________________________________． 二、创新实验（共计4题，共计46分） 4．（12分）某同学利用图中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、50 g 的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块(质量为200 g，其上可放钩码)、刻度尺。当地重力加速度为9.80 m/s2。实验操作步骤如下： ①安装器材、调整两个光电门距离为50.00 cm，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示； ②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度； ③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤； ④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统(包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码)总动能的增加量ΔEk及系统总机械能的减少量ΔE，结果如下表所示。 M/kg 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 ΔEk/J 0.587 0.490 0.392 0.294 0.195 ΔE/J 0.393 0.490 0.686 0.785 回答下列问题。 (1)实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为________ J(保留三位有效数字)。 (2)步骤④中的表格所填数据为________。 (3)以M为横轴，ΔE为纵轴，选择合适的标度，在图中绘出ΔE­M图像。 若只考虑滑块与木板之间的摩擦力做功，则滑块与木板之间的动摩擦因数为________(保留两位有效数字)。 5．（16分）用如图甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获得的一条纸带：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m1＝50 g，m2＝150 g，则：(结果保留两位有效数字) (1)从纸带上打下计数点5时的速度v＝________m/s。 (2)从打下第“0”点到打下第“5”点的过程中系统动能的增加量ΔEk＝________J，系统势能的减少量ΔEp＝________J。(当地的重力加速度g取10 m/s2) (3)若某同学作出v2­h图像如图所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2。 6．（6分）如图甲所示，一同学利用光电计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的高度差为H(H≫d)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则： 甲　　　　　　　　　乙 (1)多次改变H，重复上述实验，作出H随的变化图像如图乙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式________时，可判断小球下落过程中机械能守恒。 (2)实验中，因受空气阻力的影响，小球动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，适当降低下落高度后，ΔEp－ΔEk将________(选填“增加”“减少”或“不变”)。 7．(12分)某实验小组利用图甲的装置验证钩码和滑块组成的系统机械能守恒，在水平桌面上固定一气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光条的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的钩码相连，导轨上B点处有一光电门，与光电门相连的数字计时器可以测量遮光条经过光电门时的挡光时间Δt，用d表示遮光条的宽度，s表示A、B两点的距离，g表示当地的重力加速度．(计算结果保留两位有效数字) (1)实验时，将滑块从A点处由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门时的挡光时间Δt＝1.3×10－2 s，已知遮光条的宽度d＝5.2 mm，则滑块经过光电门时的瞬时速度大小v为________． (2)改变光电门的位置进行多次实验，每次均令滑块自A点处由静止开始运动，测量相应的s与Δt的值，并计算出经过光电门时的瞬时速度大小v，作出v2－s图线，若不考虑误差，认为系统的机械能守恒，则v2与s应满足的关系式为v2＝________.(用题中所给的符号表示) (3)实验中，若已知M∶m＝3∶1，利用数据作出的v2－s图线如图乙所示，则可求得当地的重力加速度g＝________. 学科网（北京）股份有限公司 $