实验7 探究机械能守恒定律（练）-2023年高考物理一轮复习（原卷版）

专题6.6实验七：探究机械能守恒定律

国练基础

1.某同学利用图示装置来进行验证机械能守恒定律的实验。

(1)关于本实验的下列说法中，正确的有.

电火花险^

A.为减小实验误差，重物一般选用密度大、体积小的重锤

B.释放重物前，重物应离打点计时器远一些

C.实验时，一定要称出重物的质量

D.实验时，要在松开纸带让重物下落的同时接通电源

(2)现要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度鼠利用实验得到的纸带，设计

了以下四种测量方案。

A.用刻度尺测出物体下落的高度人并通过v=耳^计算出瞬时速度

B.用刻度尺测出物体下落的高度人并测出下落时间;通过丫=8/和计算出瞬时速度

C.根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的解时速度等于该点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时

2

速度，并通过〃=3计算出高度h

D.用刻度尺测出物体下落的高度〃，根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于该点前后相

邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v

以上方案中只有一种正确，正确的是。(填入相应的字母)

(3)若已知打点计时器的电源频率为50Hz,当地的重力加速度g=9.8m/s2,重物质量为加=0.50kg,实验

中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，其中。为第一个点，42、C为另外3个连续点，根据图中数据可

知，重物由。点运动到2点，重力势能减少量=J；动能增加量A&.=Jo(本

题计算结果保留三位有效数字)

(4)本实验产生误差的主要原因是。

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2.某同学用如图1所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住铜球，悬挂在铁架台上钢球静止于/

点，光电门固定在/的正下方。在钢球底部竖直地粘住一片宽带为d的遮光条，将钢球拉至不同位置由静

止释放，造光条经过光电门的挡光时间：可由计时器充出，取v=4作为钢球经过4点时的速度，记录钢

t

球每次下落的高度h和计时器示数f,计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小A£P与动能变化

大小A£k就能验证机械能是否守恒。

图a图b

(1)用公耳=冽g〃计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度力应测量释放时的钢球球心到

之间的竖直距离。

A.钢球在/点时的顶端B.钢球在/点时的球心C.钢球在/点时的底端

(2)用AEk=g加丫2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图2所示，其读数为

cm。某次测量中，计时器的示数为0.0100s,则钢球的速度为丫=m/So(结果保

留3位有效数字)

或“否”)

3.某同学利用重物自由下落做“验证机械能守恒定律”的实验，装置如图甲所示。

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（1）实验装置图甲中的明显错误为：

（2）改正装置甲中的错误后，继续做实验，如图乙所示是实验打出的纸带，打点计时器的打点周期为T。

选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点，测出它们到打出的第一个点0的距离分别为4,%禽也；处理

所测数据，若能满足关系式g"=，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符

号表示）。

（3）某同学计算出各点的瞬时速度v后，作出了一―〃图像如图丙所示，则由图像得到的重力加速度

g=m/s（结果保留三位有效数字）。

4.阿特伍德机是著名的力学实验装置。如图甲所示，绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的重锤A和B,

在B下面再挂重物C时，由于速度变化不太快，测量运动学物理量比较方便。

甲

（1）实验过程中，下列操作正确的是（）

A.固定打点计器时，应将重锤A与打点计时器距离尽量远一些

B.开始时纸带应尽量竖直下垂并与系重锤A的细线在同一竖直线上

C.应先松开重锤A,然后再接通打点计时器电源

D.打点结束后先将纸带取下，再关闭打点计时器电源

（2）某次实验结束后，打出的纸带如图乙所示，E、F、G、〃、/连续几个点对应刻度尺读数分别为0.69cm、

2.21cm、4.00cm,6.12cm、8.51cmo已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz,则重锤A运动拖动

纸带打出“点时的瞬时速度为m/s（结果保留三位有效数字）；

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0123456789IO11

I川ihu川川hiduuh川Liihul川ludi川luuLuhid川ill川LuliiuLiih川［

）:1:二：〉

乙

（3）如果本实验室电源频率小于50Hz,但参与实验的同学不知道，则瞬时速度的测量值真

实值（填“大于”“等于”或“小于”）；

（4）已知重锤A和B的质量均为M=2.00kg,某小组在重锤B下面挂质量为他的重物C,由静止释放验

证运动过程中系统的机械能守恒。某次实验中；从纸带上测量重锤A由静止上升不同高度分时对应的速度

v,描点作图后得到如图丙所示图像，取g=9.80m/s2,则重物C质量〃z=kg（结果保留三位有

效数字）。

*v2/m2-s'2

方0^5»h/m

丙

5.某实验小组利用气垫导轨做“验证机械能守恒定律”的实验，实验装置如图所示。

数字传感器

主要实验步骤如下：

①将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平；

②测出遮光条的宽度小

③将滑块移至图示位置，释放滑块，记录遮光条通过光电门的挡光时间4；

④用天平称出钩码质量加，滑块及遮光条总质量M。

已知重力加速度大小为g,请回答下列问题：

（1）滑块经过光电门时的瞬时速度大小为;

（2）实验中还需要测量的物理量有（注明物理量并用相应的字母表示）；

（3）在实验误差允许的范围内等式成立，则钩码和滑块组成的系统机械能守恒（用测量的物理

量符号表示）；

（4）该实验产生系统误差的主要原因有o

6.为了研究重物下落过程中机械能是否守恒，物理兴趣小组设计的实验方案如下：

首先在一个长度£=27cm的钢制刻度尺两端分别固定一个宽度d=0.20cm的遮光条，如图1所示，然后将

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光电门与计时装置连接，让刻度尺从光电门上方自由下落，如图2所示。

图1图2

（1）设刻度尺和遮光条的总质量为100g,让刻度尺竖直自由下落，确保两个遮光条顺利通过光电门，先

后读出两个遮光条经过光电门的时间分别为A4=0.002s和加2=0-0008s,则动能的增加量为

=J„

（2）重力势能的减少量为△综=Jo（不考虑遮光条宽度，重力加速度g取9.80m/s2）

（3）分析实验，写出这个实验中产生误差的一条主要原因：0

国练提升

1.（2022・湖北•黄冈中学模拟预测）某物理兴趣小组利用如图甲实验装置验证犯、加2组成的系统机械能守

恒。丐从一定高度由静止开始下落，叫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。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带：。是打下的第一个点，打点计时器的工作

频率为50Hz。/、B、。为纸带上标注的三个计数点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出）。各计

数点到。点的距离已在图中标出。已知班=100g、m2=200g（重力加速度g取lOm/s?,计算结果均保留

二-住小戮）

图甲图乙

（1）关于上述实验，下列说法中正确的是

A.重物最好选择密度较大的物块

B.重物的质量可以不测量

C.实验中应先释放纸带，后接通电源

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D.可以利用公式v=来求解瞬时速度

(2)在纸带上打下计数点3时的速度v=m/s；

(3)在打计数点。至8过程中系统动能的增加量较=J,系统重力势能的减少量=J,

实验结果显示△丸略大于那么造成这一现象的主要原因是

(4)某同学根据选取的纸带的打点情况做进一步分析，做出吗获得的速度v的平方随下落的高度〃的变

化图像如图丙所示，据此可计算出当地的重力加速度g=m/s2«

^(mVs2)

2.(2022・山西吕梁•二模)某同学用如图甲所示的装置验证小球在竖直平面内做圆周运动的过程中机械能

守恒，轻绳一端固定在光滑固定转轴。处，另一端系一小球，使小球在竖直平面内做圆周运动，在小球球

心经过的最高点和最低点处分别固定一光电门(图中未画出且光电门不影响小球的运动)，测出小球通过

最高点和最低点处光电门的时间分别为小t2,用毫米刻度尺测出绳长为/,用游标卡尺测出小球直径d如

图乙所示，已知当地重力加速度为g。

/,,,12主尺cm

T。।I.11.1」［|jjjjji

\•|iiii।iiiiIii11|f11iI

\0游标尺io20

甲乙

(1)小球的直径c/=cm；

(2)请写出验证小球从最低点运动到最高点的过程中机械能守恒的表达式(用题目所给的字母表

示)；

(3)若实验过程中发现小球由最低点到最高点的过程中通过数据计算出的重力势能增加量总是小于动能

的减少量，可能的原因是。

3.(2022•上海金山二模)如图为“用DIS研究机械能守恒定律”的实验装置。

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（1）本实验每次从（选填“同一”或“不同”）高度释放摆锤，摆锤释放器的作用是O

（2）在实验中测得3点机械能明显偏小的原因可能是（）

A.摆锤释放前，摆线处于松弛状态

B.光电门的光电孔在3点水平线下方

C.摆锤释放时，摆锤释放器在/位置上方

D.标尺盘水平刻度线未保持水平，且右端偏高

（3）若以摆锤速度的平方为纵坐标，以摆锤距离零势能。点的高度为横坐标，作出的直线斜率为0,截

距为6,则当地重力加速度g可表示为，摆锤初始高度可表示为o

4.（2022•山东・莱州市第一中学模拟）某实验小组利用如图所示装置验证机械能守恒定律。光电门1、光电

门2固定在铁架台上，两光电门分别与数字计时器连接。已知当地的重力加速度为g。

（1）实验时让小球从光电门1正上方某位置处由静止开始释放，小球经过光电门1和光电门2时的挡光

时间分别为小t2,要验证机械能守恒定律，该实验还需要测量的物理量有（写出物理量

的名称和符号），则小球通过光电门2时的速度大小为（用物理量的符号表示）；

（2）改变小球在光电门1上方释放的位置，重复实验多次，测得多组通过光电门1和光电门2的挡光时

间〃、t2,若满足关系式,则机械能守恒定律得到验证。

5.（2022•北京・中关村中学三模）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。例如：

（1）实验仪器。

a.用螺旋测微器测某金属丝的直径，示数如图所示。则该金属丝的直径为mm。

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b.用秒表测量某个运动物体的运动时间，示数如图所示。则物体运动时间So

(2)数据分析。在验证机械能守恒实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带。在纸

带上选取三个连续打出的点/、B、C,测得它们到起始点。的距离分别为幻、4、%。已知打点计时器

打点的周期为兀设重物的质量为加，从打。点到打8点的过程中，重物的动能变化量o另一位同

学先通过这条纸带验证下落过程的加速度是否等于当地重力加速度。他利用相同纸带计算加速度a=

(3)实验原理。在验证机械能守恒实验中，重锤自由落体运动是匀变速直线运动。因此，也可以用一种

更简单、更准确的方法测量物体下落时的瞬时速度。

/、B.C是记录做匀加速直线运动物体的纸带上相邻的三个点，如图所示。根据学过的匀变速直线运动的

规律，论证说明NC段的平均速度是否可以代替/C段时间中点8的瞬时速度。()

Ax*|

ABC

即匀变速直线运动中，某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度。

6.(2022•北京市十一学校三模)两位同学做“验证机械能守恒定律”实验。

(1)小红采用如图甲所示的实验装置。

①在实验过程中，下列说法正确的是；

A.实验时应先接通打点计时器的电源再释放纸带

B.打点计时器、天平和刻度尺是实验中必须使用的仪器

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C.纸带与打点计时器的两个限位孔要在同一竖直线上

D.重物的密度大小不影响实验结果

②在一次实验中，质量1kg的重物自由下落，在纸带上打出一系列的点，如图乙所示。纸带相邻两个点之

间时间间隔为0.02s,从起点0到打下计数点B的过程中，物体动能的增加量△£《=J（保留

两位有效数字）；设这一过程中物体的重力势能减小量为AE”则应该有大小关系A瓦（填

“大于”、“等于”或“小于”），这是因为:

moBC

—3.14—单位:cm

'd----------5.61

---------------------7.06-------------------►

图乙

（2）小明同学采用如图丙所示的实验装置。实验前，将气垫导轨调至水平，测出挡光条的宽度为力并将

滑块移到图示位置，测出挡光条到光电门的距离为释放滑块，读出挡光条通过光电门的挡光时间为上

多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点开始滑动，测量相应的/与，值，结果如下表所示:

托盘和祛码

图丙

12345

1(m)0.6000.8001.0001.2001.400

/(ms)8.227.176.445.855.43

i/t2(104s2)1.481.952.412.923.39

①在图丁所示的!-/坐标系中添加被标注的数据点，并根据数据点画出4-/关系图线；

②小明同学进一步观察到!-/图线是一条过原点的直线，于是就判断实验中系统的机械能守恒。你是否

t

同意他的观点？若同意，说明理由；若不同意，请补充必要的步骤o

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国练真题

1.（2022・湖北・高考真题）某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连

接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在

竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值】ax和最小值4in。改变小钢球的初始释

放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的11ax-图像是一条直线，如图乙所示。

（1）若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为=

（2）由图乙得:直线的斜率为，小钢球的重力为No（结果均保留2位有效数字）

（3）该实验系统误差的主要来源是（单选，填正确答案标号）。

A.小钢球摆动角度偏大

B.小钢球初始释放位置不同

C.小钢球摆动过程中有空气阻力

图甲图乙

2.（2022・广东•高考真题）某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损

失，设计了如图（°）所示的装置，实验过程如下：

（1）让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球

从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。

（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（6）所示，小球直径八mm。

（3）测量时，应（选填"A”或"B"，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通

数字计时器，后释放小球”）。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间。和乙。

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（4）计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为处可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失

NE=（用字母m、d、4和t2表示）□

（5）若适当调高光电门的高度，将会（选填“增大”或“减小”）因空气阻力引起的测量误差。

3.（2021・海南•高考真题）为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的

气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验。此外可使用的实验器

材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。

（1）某同学设计了如下的实验步骤，其中不必攀的步骤是;

①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门I、II,并连接数字毫秒计;

②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；

③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；

④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离/；

⑤调整好气垫导轨的倾斜状态;

⑥将滑块从光电门I左侧某处，由静止开始释放，从数字毫秒计读出滑块通过光电门I、II的时间A。、加2；

⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度4、h2.

⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。

（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图所示，贝普=mm；某次实验中,

测得幽=11.60ms,则滑块通过光电门I的瞬时速度%=m/s（保留3位有效数字）；

0123主尺

IlHIII川山山I川III山1IIII（cm）

（3）在误差允许范围内，若（用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示,

已知重力加速度为g）,则认为滑块下滑过程中机械能守恒；

（4）写出两点产生误差的主要原因：o

4.（2021・浙江・高考真题）在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始

下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。。点是打下的第一个点，A,8、C和。为另外4

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个连续打下的点。

.0..（＜.A.8.CP

平靴伸皿㈣叫删I皿|||,阿||||卜||||,叫||中|||||牛

01cm2319202122232425262728293031323334

图2

①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是o

②已知交流电频率为50Hz,重物质量为200g,当地重力加速度g=9.80m/s2,则从。点到。点，重物的

重力势能变化量的绝对值|A£」=J、C点的动能4c=J（计算结果均保留3位有效

数字）。比较"c与|密|的大小，出现这一结果的原因可能是o

A.工作电压偏高B.存在空气阻力和摩擦力C.接通电源前释放了纸带

5.（2018・浙江・高考真题）用图所示装置做“探究功与速度变化的关系”实验时，除了图中已给出的实验器材

外，还需要的测量工具有（填字母）;

A.秒表B.天平C.刻度尺D.弹簧测力计

（2）用图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验时，释放重物前有下列操作，其中正确的两项是

（填字母）；

A.将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上

B.手提纸带任意位置

C.使重物靠近打点