2026高考物理总复习讲义：第六章　第32课时　实验七：验证机械能守恒定律

第32课时实验七：验证机械能守恒定律

目标要求1.熟悉验证机械能守恒定律的实验原理、实验步骤及数据处理。2.学会在创新实验中探究机械

能守恒定律。

考点一实验技能储备

1.实验原理：通过实验，求出做自由落体运动物体的和对应过程动能的增加量，

在实验误差允许范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。

2.实验器材：打点计时器、交流电源、纸带、复写纸(墨粉)、夹子、重物、、铁架台(带铁夹)、导

线。

3.实验过程

(1)安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连。

(2)打纸带：用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先，再，

让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3~5条)纸

带。

(3)选纸带：点迹清晰，且所选用的点在同一条直线上。

4.数据处理

(1)求瞬时速度

由公式vn＝可以计算出重物下落h1、h2、h3…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3…。

ℎ�+1−ℎ�−1

(2)验证守恒2�

方案一：利用起始点和第n点计算：

代入mghn和m，如果在实验误差允许的范围内，mghn和m相等，则验证了机械能守恒定律。

1212

注意：应选取2最�初�第1、2两点距离接近的纸带(电源2频�率�为50Hz)。

方案二：任取两点计算

①任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB。

②算出m－m的值。

1212

2�2�

③在实验误�差允许�的范围内，若mghAB＝m－m，则验证了机械能守恒定律。

1212

方案三：图像法2��2��

测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算对应速度v，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数

1

据作出v2－h图像。若在实验误差允许的范围内图像是一条过原点且2斜率为g的直线，则验证了机械能守

1

恒定律。2

5.注意事项

(1)打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直线上，以减

小。

(2)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。

(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。

(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来

计算。2�ℎ�

(5)此实验中不需要测量重物的质量。

例1某实验小组采用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。实验装置安装好后，用手提住纸带上

端，之后让纸带由静止开始下落。

(1)关于下列实验操作，不必要或不正确的是。

A.实验前先用天平测出重物和夹子的质量

B.为减小阻力，用电火花计时器比用电磁打点计时器好一些

C.在重物大小合适的情况下，选择木块比选择铁块好

D.用秒表测出重物下落的时间

E.释放纸带前应先接通电源

(2)某次实验中所用重物的质量m=1kg。某同学选取了一条纸带，如图乙所示，0是打下的第一个点，

1、2、3、4是连续打的点，根据纸带上的测量数据，从打下点0至打下点3的过程中，重物重力势能

的减少量为J，动能增加量为J(打点计时器频率为50Hz，重力加速度g取9.8m/s2，

结果均保留3位有效数字)。

(3)若释放纸带时纸带不在竖直方向，可能会导致计算的动能增加量(填“<”“=”或“>”)重

力势能减少量，其原因是____________________________。

考点二探索创新实验

1.实验器材的创新

(1)利用光电门测出遮光条通过光电门的时间Δt，从而利用v＝计算滑块通过光电门的速度。

�

(2)利用气垫导轨代替长木板，减小阻力对实验结果的影响。Δ�

2.物体运动形式创新

物体从自由落体改为沿圆弧面下滑，在斜面上运动。

3.研究对象创新

研究对象从单个物体变为研究连接体这个系统的机械能守恒。

例2(2023·天津卷·9)如图放置实验器材，连接小车与托盘的绳子与桌面平行，遮光片与小车位于气

垫导轨上，气垫导轨没有画出(视为无摩擦力)，重力加速度为g。接通电源，释放托盘与砝码，并测得：

a.遮光片长度d

b.遮光片到光电门长度l

c.遮光片通过光电门时间Δt

d.托盘与砝码质量m1，小车与遮光片质量m2

(1)小车通过光电门时的速度为；

(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，动能增加量

为；

(3)改变l，做多组实验，作出以l为横坐标，以()2为纵坐标的图像。若机械能守恒成立，则图像斜率

�

为。Δ�

例3(2022·湖北卷·12)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Tmax和最小值Tmin。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Tmax－Tmin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N。(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(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

例4利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，

导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳和一质

量为m的小球相连；遮光片两条长边与导轨垂直，导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电

门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B处的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的

平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A处由静止开始运动。

(1)某次实验测得导轨倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时，m和M组成的系统

动能增加量可表示为ΔEk＝(用题中字母表示)，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝

(用题中字母表示)，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp，则可认为系统的机械能守恒。

(2)在上述实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的v2－d图像如图乙所示，并测得M＝m，则重力

加速度g＝m/s2。

答案精析

考点一

1.重力势能的减少量

2.刻度尺

3.(2)接通电源松开纸带

4.2mm

5.(1)摩擦阻力(4)

ℎ�+1−ℎ�−1

例1(1)ACD(2)5.442�5.28(3)<见解析

解析(1)由于验证机械能守恒定律的表达式中质量可以约去，所以不需要用天平测出重物和夹子的质量，

故A满足题意要求；

为减小阻力，用电火花计时器比用电磁打点计时器好一些，故B不满足题意要求；

在重物大小合适的情况下，为了减小空气阻力，选择铁块比选择木块好，故C满足题意要求；

由于打点计时器可以得到纸带上计数点间的时间间隔，所以不需要用秒表测出重物下落的时间，故D满足

题意要求；

为了充分利用纸带，释放纸带前应先接通电源，故E不满足题意要求。

(2)从打下点0至打下点3的过程中，重物重力势能的减少量为

ΔEp=mgh3=1×9.8×0.5549J≈5.44J

打下点3时重物的速度为

3

v==−2m/s=3.25m/s

�24(62.18−49.18)×10

2

从打2�下点0至2×打0.0下2点3的过程中，重物动能增加量为ΔEk=m-0=×1×3.25J≈5.28J

121

(3)若释放纸带时纸带不在竖直方向，可能导致计算的动能增2加�3量小于2重力势能减少量；其原因是纸带倾斜，

可能会和实验装置接触、挤压，则纸带通过打点计时器时受到的阻力较大，阻力对纸带和重物做负功，会

使其动能增加量小于重力势能减少量。

2

例2(1(2)m1glm1+m2

�1�

(3)Δ�2()(Δ�)

2�1�

解)析�1+�(12)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Δ，�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

2

ΔEk＝m1+m2

1�

2()(Δ�)

(3)改变l，做多组实验，作出以l为横坐标，以2为纵坐标的图像。若机械能守恒成立，

�

2Δ�

有m1gl＝m1+m2()

1�

整理有2(2＝)(·Δl�，)则图像斜率为。

�2�1�2�1�

例3((1)Δ－�)2�(21+)－�22.10.59(3)C�1+�2

解析(1)设初始位置时，轻绳与竖直方向的夹角为θ，则轻绳拉力最小值为Tmin＝mgcosθ，到最低点时轻

绳拉力最大，

则有mgl(1－cosθ)＝mv2，

1

2

max－＝，

Tmgm2

�

联立可得Tmax�＝3mg－2Tmin

即若小钢球摆动过程中机械能守恒，则题图乙中直线斜率的理论值为－2；

(2)由题图乙得直线的斜率为k＝＝－2.1，3mg＝1.77N，则小钢球的重力为mg＝0.59N。

1.35−1.77

(3)该实验系统误差的主要来源是小0钢.20球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选