第6讲 实验7：验证机械能守恒定律 专项训练-2027届高考物理一轮复习

**基本信息** 聚焦机械能守恒实验全流程，以多装置（竖直上抛/单摆/气垫导轨）为载体，系统提炼仪器使用、速度计算、图像验证及误差分析方法，培养科学探究与科学思维。 **专项设计** |模块|题量/典例|方法提炼|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |基础操作|2题（螺旋测微器/游标卡尺读数）|仪器精度与读数规则|从基本测量工具使用建立实验基础| |数据处理|3题（速度/能量计算）|d/Δt近似瞬时速度，动能/势能公式应用|基于运动学公式推导能量变化量| |图像分析|3题（ΔEk-h/ΔEk-ΔEp图像）|图像斜率物理意义（阻力/守恒验证）|通过图像法将函数关系转化为直观验证| |误差探究|2题（阻力/装置偏差分析）|系统误差与偶然误差辨析|从实验原理与操作角度分析误差来源|

第6讲　实验7:验证机械能守恒定律 (分值:50分) 1.(4分)(2024广东广州三模)某实验小组为研究小球受到的空气阻力对验证机械能守恒定律实验的影响,设计了如图甲所示的实验装置,其中光电门1与光电门2均与数字计时器相连(图中未画出),重力加速度为g,其实验过程如下: 甲 (1)让弹射装置给小球一个足够大的竖直向上的初速度,调节光电门1和光电门2的位置,使小球能够依次通过光电门1和光电门2。 (2)用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图乙所示,小球直径d=　　　 mm。  乙 (3)记录光电门1与光电门2之间的距离h及小球通过光电门1和光电门2的遮光时间t1、t2。 (4)已知小球的质量为m,可得小球在通过光电门1和光电门2过程中的动能损失ΔEk=　　　　(用字母m、d、t1和t2表示)。  (5)保持光电门1的位置不动,不断调节光电门2的位置(小球依旧能够通过光电门2),再次重复实验步骤(3)(4),得到多组ΔEk与h的数据,作出ΔEk-h图像,若测得该图像的斜率为k,则小球在竖直上升过程中空气阻力为　　　　　　(用字母m、g、k表示,空气阻力不变)。  2.(10分)(2025广东深圳期末)某小组做“验证机械能守恒定律”的实验。实验装置如图甲所示,底座上固定一内侧为圆弧形薄面板,面板内侧安装了6个挡光片。轻质杆一端可绕固定点O在竖直面内自由转动,另一端连接带有光电门的摆锤,摆锤与面板不接触。数据采集器与计算机连接。操作步骤如下: 甲 (1)测量挡光片宽度d和摆锤质量m的数值,记录6个挡光片到摆锤最低点的高度h。 (2)摆锤从一定高度静止释放,系统记录摆锤通过各挡光片的时间t,计算摆锤通过挡光片的速度公式v=　　　　　　(用所测物理量符号表示)。  (3)系统生成摆锤经过各挡光片的动能Ek、重力势能Ep以及机械能E的数值,经过描点、拟合,得到如图乙所示图像。观察到图像中Ek、Ep和E分别具有如下变化规律:   　,从而得到摆锤下摆过程中机械能守恒。  乙 3.(12分)(2023天津卷)某同学利用图示的气垫导轨实验装置验证机械能守恒定律,主要实验步骤如下: A.将桌面上的气垫导轨调至水平 B.测出遮光条的宽度d C.将滑块移至图示位置,测出遮光条到光电门的距离l D.由静止释放滑块,读出遮光条通过光电门的遮光时间Δt E.称出托盘和砝码总质量m1,滑块(含遮光条)的质量m2 已知当地重力加速度为g,回答以下问题(用题中所给的字母表示) (1)遮光条通过光电门时的速度大小为　　　　;  (2)遮光条由静止运动至光电门的过程,系统重力势能减少了　　　　,遮光条经过光电门时,滑块、托盘和砝码的总动能为　　　　;  (3)通过改变滑块的释放位置,测出多组l、Δt数据,利用实验数据绘制-l图像如图所示。若图中直线的斜率近似等于　　　　,可认为该系统机械能守恒。  4.(12分)(2025广东汕头三模)某同学设计实验验证机械能守恒定律,装置如图甲所示。一个质量为m、直径为d的小球固定于释放装置上,在小球正下方固定四个光电门,调节各光电门的中心,使其与小球的球心均在同一竖直线上。由静止释放小球,记录小球通过每个光电门的挡光时间,重力加速度为g。 甲 乙 丙 (1)用游标卡尺测小球的直径,如图乙所示,可得小球的直径d=　　　　 mm。  (2)若测得某光电门的中心与释放点的竖直距离为h,小球通过此光电门的挡光时间为Δt,则小球从释放点下落至此光电门中心时的动能增加量ΔEk=　　　　　(用题中字母表示),重力势能减小量ΔEp=mgh。  (3)根据实验数据,作出ΔEk-ΔEp的图像,如图丙所示。若图中虚线的斜率k≈　　　　　(结果保留1位有效数字),则可验证机械能守恒定律。  (4)经过多次重复实验,发现小球经过第三个光电门时,ΔEk总是大于ΔEp,下列原因中可能的是　　　　。  A.第三个光电门的中心与释放点的竖直距离测量值偏大 B.第三个光电门的中心偏离小球下落时球心所在的竖直线 C.小球下落过程中受到空气阻力的作用 5.(12分)(2025江西南昌模拟)某同学设计实验验证机械能守恒定律,装置如图甲所示。一质量为m、直径为d的小球连接在长为l的细绳一端,细绳另一端固定在O点,调整光电门的中心位置。由静止释放小球,记录小球从不同高度释放通过光电门的挡光时间,重力加速度为g。 (1)用游标卡尺测量小球直径,如图乙所示,则小球直径d=　　　　 mm。  (2)若测得某光电门的中心与释放点的竖直距离为h,小球通过此光电门的挡光时间为Δt,则小球从释放点下落至此光电门中心时的动能增加量ΔEk=　　　　,重力势能减小量ΔEp=　　　　。(用题中字母表示)  (3)经过多次重复实验,发现小球经过光电门时,ΔEk总是大于ΔEp,下列原因中可能的是　 。  A.小球的质量测量值偏大 B.在最低点时光电门的中心偏离小球球心 C.小球下落过程中受到了空气阻力 答案： 1.答案 (2)6.888　(4)　(5)k-mg 解析 (2)螺旋测微器的精确度为0.01 mm,读数为6.5 mm+38.8×0.01 mm=6.888 mm。 (4)小球通过光电门1和光电门2时的速度分别为v1=、v2=,动能损失为ΔEk==。 (5)根据功能关系有ΔEk=(mg+f)h,测得该图像的斜率为k,则k=mg+f,小球在竖直上升过程中空气阻力为f=k-mg。 2.答案 (2)　(3)摆锤下摆过程中,动能逐渐增大,重力势能逐渐减小,机械能基本保持不变 解析 (2)当摆锤通过挡光片时,由于挡光片宽度d很小,通过挡光片的时间t也很短,此时可以把摆锤通过挡光片的平均速度近似看作瞬时速度。所以摆锤通过挡光片的速度公式为v=。 (3)机械能守恒定律是指在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总的机械能保持不变。对于摆锤下摆过程中,以最低点所在平面为零势能参考面,当摆锤相对最低点的高度为h时,重力势能为Ep=mgh,动能为Ek=mv2,从题图乙所示图像观察到,随着摆锤高度h的减小,重力势能Ep逐渐减小,同时摆锤速度增大,动能Ek逐渐增大,而机械能为E=Ep+Ek,图像显示其数值基本不变,即摆锤下摆过程中,动能逐渐增大,重力势能逐渐减小,机械能基本保持不变,从而得到摆锤下摆过程中机械能守恒。 3.答案 (1)　(2)m1gl　(m1+m2)　(3) 解析 (1)小车通过光电门时的速度为v=。 (2)从释放到小车经过光电门,这一过程中,系统重力势能减少量为ΔEp=m1gl 从释放到小车经过光电门,这一过程中,系统动能增加量为ΔEk=(m1+m2)。 (3)改变l,做多组实验,作出以l为横坐标、以为纵坐标的图像如题图所示,若机械能守恒成立有m1gl=(m1+m2),整理有·l,可知,若图中直线的斜率近似等于,可认为该系统机械能守恒。 4.答案 (1)10.60　(2)　(3)1　(4)B 解析 (1)由题图乙可知游标卡尺精度为0.05 mm,则d=10 mm+0.05 mm×12=10.60 mm。 (2)小球通过此光电门的速度v=,则小球动能增加量ΔEk=mv2=。 (3)根据机械能守恒定律可得ΔEp=ΔEk,则作出的ΔEk-ΔEp图像中虚线的斜率k≈1,则可验证机械能守恒定律。 (4)第三个光电门的中心与释放点的竖直距离测量值偏大,则ΔEp的测量值偏大,使得ΔEk小于ΔEp,故A错误;第三个光电门的中心偏离小球下落时球心所在的竖直线,使得挡光宽度小于小球的直径,则速度测量值偏大,ΔEk的测量值偏大,使得ΔEk大于ΔEp,故B正确;小球下落过程中受到空气阻力的作用,使得减少的重力势能有一部分转化为内能,使得ΔEk小于ΔEp,故C错误。 5.答案 (1)14.5　(2)　mgh　(3)B 解析 (1)小球的直径为d=14 mm+5×0.1 mm=14.5 mm。 (2)小球经过光电门中心时的速度为v=,则小球从释放点下落至此光电门中心时的动能增加量为ΔEk=mv2-0=,小球从释放点下落至此光电门中心时的重力势能减小量ΔEp=mgh。 (3)由(2)可知ΔEk和ΔEp都与小球的质量成正比,所以小球的质量不会导致ΔEk和ΔEp不相等,故A错误;光电门的中心偏离小球的球心,使得小球的挡光宽度小于小球的直径,则速度测量值偏大,ΔEk的测量值偏大,使得ΔEk大于ΔEp,故B正确;小球下落过程中受到空气阻力的作用,使得减小的重力势能有一部分转化为内能,则ΔEk小于ΔEp,故C错误。 6 学科网（北京）股份有限公司 $