实验：验证机械能守恒定律-高一物理下学期期末必考题专练（人教版）

必考点20验证机械能守恒定律

经典必考题

题型一教材原型实验

例题1（2020•河南模拟）如图所示是用“落体法〃验证机械能守恒定律的实验装置.（g取9.80m/s2）

⑴选出一条清晰的纸带如图甲所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点/、B、C为三个计数点，打点计

时器通以频率为50Hz的交变电流.用分度值为1mm的刻度尺测得OA=12A1cm,OB=18.90cm,OC=27.06cm,

在计数点4和8、8和C之间还各有一个点,重锤的质量为1.00kg.甲同学根据以上数据算出:当打点计时器打

到B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了J；此时重锤的速度v萨m/s,此时重锤的动

能比开始下落时增加了J.（结果均保留3位有效数字）

[O~1C~ABC

L_?J(j,j__?___

12.41cm

・18.90cm-

-------27.06cm------►

甲

⑵某同学利用他自己实验时打出的纸带,测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离儿算出了各

计数点对应的速度明然后以万为横轴、以92为纵轴作出了如图乙所示的图线，图线的斜率近似等于.

A.19.6B.9.8C.4.90

图线未过原点0的原因是.

【解题技巧提炼】

1.实验原理（如图所示）

通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量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、交变电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架合（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，先接通电源,再松开纸带,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：从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带.

(4)进行数据处理并验证.

4.数据处理

(1)求瞬时速度

由公式匕产可以计算出直物下落力一九、加…的高度时对•应的瞬时速度匕、打、的….

(2)验证守恒

方案一：利用起始点和第〃点计算

代入mg九和匕:，如果在实验误差允许的范围内，mg九和］/匕：'相等，则验证了机械能守恒定律.

乙乙

注意：应选取最初第1、2两点间距离接近2皿的纸带(电源频率为50Hz).

方案二：任取两点计算

①任取两点力、B,测出力姐，算出侬力,出

②算出%?小—J勿匕;的值.

乙乙

③在实验误差允许的范围内，若口ghA8='讳—gmv；,则验证了机械能守恒定律.

乙乙

方案三：图象法

测量从第一点到其余各点的下落高度力，并计算对应速度％然后以为纵轴，以力为横轴，根据实验数据

作出—力图象.若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律.

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，以减小摩擦阻力.

(2)重物应选用质量大、体枳小、密度大的.

(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v，不能用/=匹和或匕产孔来计算.

"…乙J1'

(5)此实验中不需要测量重物的质量.

题型二拓展创新实验

例题1(2020•四川模拟)如图所示的装置可用来验证机械能守恒定律.摆锤A拴在长为L的轻绳一端,轻绳另

一端固定在。点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起使绳与竖直方向成9角，由静止开始释放摆

锤，当其到达最低位置时,受到竖直挡板P的阻挡而停止运动,之后铁块将飞离摆锤做平抛运动.

⑴为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度.为了求出这一速度，还应测量的物

理量有

⑵用测得的物埋量表示摆锤在最低点的速度v=

⑶用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为.

例题2(2020・重庆模拟)用如图所示装置可验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量相等的物体48,物体B

上放•金属片&铁架台上固定•金属圆环,圆环处在物体8的正下方.系统静止时，金属片C与圆环间的高度为

九由此释放,系统开始运动.当物体8穿过圆环时,金属片C被搁置在圆环匕两光电门固定在铁架台Pi、P2处,

通过电子计时器可测出物体B通过Pi、P2这段距离的时间.

6

(1)若测得P1、P2之间的距离为［物体B通过这段距离的时间为t,则物体B刚穿过圆环后的速度.

⑵若物体48的质量均用M表示,金属片C的质量用m表示,重力加速度为g,该实验中验证了等式成

立即可验证机械能守恒定律.

⑶本实验中的测量仪器除刻度尺、光电门、电子计时器外，还需要.

【解题技巧提炼】

本实验可以从下列几个方面进行创新

1.速度测量方法的创新

由光电门测速度

从测量纸带上各点速度由频闪照片测速度

.由平抛运动测速度

2.研究对象的创新

①把纸带向左拉直

②松手释放物块

③接通打点计时器电源

④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量

上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号).

(2)图中V和£纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率

为50Hz.由“纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为m/s.比较

两纸带可知，________(填或)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.

3.(2016•江苏卷・11)某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律.一根细线系住钢球，悬挂在铁架

台上，钢球静止于月点.光电门固定在力的正下方•，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为"的遮光条.将钢

球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间1可由计时器测出，取乍为钢球经过/点

时的速度.记录钢球每次下落的高度力和计时器示数3计算并比较钢球在释放点和力点之间的势能变化大

小A瓦与动能变化大小△反,就能验证机械能是否守恒.

(1)用△区=侬■方计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度才应测量释放时的钢球球心到

之间的竖直距离.

A.钢球在4点时的顶端

B.钢球在力点时的球心

C.钢球在4点时的底端

(2)用△及=:勿/计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测最遮光条宽度，示数如图乙所示，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-=_______m/s.

(3)下表为该同学的实验结果：

△6(X1()TJ)4.8929.78614.6919.5929.38

AE(X1()TJ)5.0410.115.120.029.8

他发现表中的A瓦与△6之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点？请说明理由.

(4)请你提出一-条减小上述差异的改进建议.

变式综合练

1.(2017•天津卷)如图所示,打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装

置验证机械能守恒定律.

铁架价/纸带

/

铁夹限位孔

/

一打点计时器

接电畛

⑴对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是.

A.重物选用质量和密度较大的金属锤

B.两限位孔在同一竖直面内上下对正

C.精确测量出重物的质量

D.用手托稳重物,接通电源后,撒手释放重物

(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带，由

于纸带较长，图中有部分未画出，妇图所示.纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中。点为纸带上打出

的第一个点.重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定

律的选项有.

II我48Cb意FGR

A.CA、力。和比的长度B.0C、仇?和切的长度

C.ED、少和心的长度D.AC、〃〃和用的长度

2.(2019•江西模拟)现要通过实验验证机械能守恒定律.实验装置如图所示水平桌面上固定一倾斜的气垫

导轨;导轨上力点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为此左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量

为w的祛码相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上〃点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光

时间£，用d表示力点到导轨底端。点的距离"表示力与。的高度差，6表示遮光片的宽度，s表示力、B两点

的距离,将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过笈点时的瞬时速度.用g表示重力加速度.完成下列填

空和作图.

遮光片*山，r

m(_J

(1)若将滑块自力点由静止释放，则在滑块从力运动至8的过程中，滑块、遮光片与祛码组成的系统重力势能

的减小量可表示为.动能的增加量可表示为.若在运动过程中机械能守恒,2与s的关系式

为卜-----------

(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(月点)下滑，测量相应的s与1值.结果如表所示：

12345

5/m0.6000.8001.0001.2001.400

Z/fns8.227.176.445.855.43

/Ml0,s21.481.952.412.923.39

以$为横坐标二为纵坐标,在坐标纸中描出第1个和第5个数据点：根据5个数据点作直线，求得该直线的斜

率k=X10'm1•s'(保留3位有效数字).由测得的h、d、庆"和〃，数值可以计算出专s直线的斜率

做将女和儿进行比较,若其差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能'守恒定律.

3.(2016•北京卷)利用如图装置做“验证机械能守恒定律”的实验.

(1)为验证机械能是否守恒,需要比较重物F落过程中任意两点间的.

A.动能变化量与势能变化量

B,速度变化量和势能变化量

C,速度变化量和高度变化量

(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用

的两种器材是.

A.交流电源B.刻度尺C.天平(含跌码)

(3)实验中，先接通电源,再释放重物,得到下图所示的一条纸带.在纸带上选取三个连续打出的点力、B、C,

测得它们到起始点。的距离分别为九、加、he.已知当地重力加速度为g打点”时器打点的周期为T.设重物

的质量为力.从打。点到打8点的过程中，重物的重力势能变化量A耳二,动能变化量A

(4)大多数学生的实验结果显示,重力势能的减少量大于动能的增加量,原因是.

A.利用公式片g，计算重物速度

B.利用公式河计算重物速度

C.存在空气阻力和摩擦阻力的影响

D.没有采用多次实验取平均值的方法

(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒:在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点。的距离人计算

对应计数点的重物速度匕描绘/力图象,并做如下判断:若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械

能守恒,请你分析论证该同学的判断是否正确.

4.(2019•广东模拟)如图甲所示，•位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•

直径为"、质量为勿的金属小球从4处由静止释放，下落过程中能通过力处正下方、固定于8处的光电门,

测得力、6间的距离为〃(内中，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:

(1)如图乙所示,用游标卡尺测得小球的直径d=cm.

(2)多次改变高度〃重复上述实验，作出专随〃的变化图象如图内所示，当图中已知量五、〃和亘力加速度g

及小球的直径"满足表达式:时，可判断小球下落过程中机械能守恒.

(3)实验中发现动能增加量A区总是稍小于重力势能减少量△以增加下落高度后，则△瓦△£将(选

填“增大”“减小”或“不变”).

5.(2016•江苏卷)某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律.一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢

球静止于力点.光电门固定在力的正下方,在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条.将钢球拉至不同位

置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间E可由计时器测此取作为钢球经过力点时的速度.记录钢

球每次下落的高度力和计时器示数图计算并比较钢球在释放点和力点之间的势能变化大小与动能变化

大小A民就能验证机械能是否守恒.

(1)用A区二对助计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度方应测量移放时的钢球球心到之

间的竖直距离.

A.钢球在4点时的顶端

B.钢球在4点时的球心

C.钢球在/I点时的底端

I

prrnTrnipTTr|Tn!jTnr|in

0I2

(2)用△四W如；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ym/s.

(3)下表为该同学的实验结果：

A^(X102J)4.8929.78614.6919.5929.38

A^(X102J)5.0410.115.120.029.8

他发现表中的八瓦与A笈之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点?请说明理由.

(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议.

6.用如图甲所示的实验装置验证如、血组成的系统机械能守恒.勿」从高处由静止开始下落，加上拖着的纸带

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：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)，所用电源的频率为50Hz,计数点间

的距离如图乙所示.已知如书0g、@=150g,则：(结果均保留2位有效数字)

(1)在纸带上打下计数点5时的速度%=.m/s;

(2)在打下第0点到打下第5点的过程中系统动能的增量AA-J,系统势能的减少量△耳-

J;(取当地的重力加速度g=10m/s2)

(3)若某同学作出?力图象如图丙所示,则当地的重力加速度g=m/s2.

(3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可)：.：.

7.用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律.实验所用的电源为学生电源,输出电压为6V的交流电和直

流电两种.重锤从高处由静止开始下落,重锤上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带上的点痕进行测量，即验

证机械能守恒定律.

(1)下面列举了该实验的几个操作步骤：

A.按照图示的装置安装器件；

B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;

C.用天平测出重钵的质量；

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.测量纸带上某些点间的距离；

F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能.

其中没有必要进行的或者操作不当的步骤是.(将其选项对应的字母填在横线处)

(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值.如图所示,根据打出的纸带,选取纸带上连续的五

个点力、B、aD、E,测出A距起始点。的距离为s。,点力、。间的距离为s,点C、£间的距离为S2,使用交流

电的频率为/；根据这些条件计算重锤下落的加速度a=.

(3)在上述验证机械能守恒定律的实验中发现,重锤减小的重力势能总是大于理锤增加的动能，其原因主要

是在重锤下落的过程中存在阻力作用，可以通过该实验装置测阻力的大小.若已知当地重力加速度公认的较

准确的值为g,还需要测量的物理量是.试用这些物理量和上图纸带.卜•的数据符号表示出

重锤在下落的过程中受到的平均阻力大小F=.

8.用如图甲所示的实验装置验证如、极组成的系统机械能守恒.您从高处由静止开始下落，⑶上拖着的纸

带打出一系列的点，对纸带上的点迹讲行测曷，即可验证机械能守恒定律.图乙给出的是实殆中获取的一

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)，所用电源的频率为50Hz.已

知沥=5()g、汲=15()g.贝IJ：(结果均保留两位有效数字)

(1)在纸带上打下计数点5时的速度⑥=m/s；

(2)在打下0点到打下计数点5的过程中系统动能的增加量△£=________J,系统重力势能的减少量△瓦

=J；(当地的重力加速度g取10m/s2)

(3)若某同学作出—力图象如图丙所示，则当地的重力加速度尸m/s2.

9.用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，可输出交流电和直流电.重

锤从高处由静止开始下落，打点计时器在重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对图中纸带上的点迹进行测

量，即可验证机械能守恒定律.

打点il;时器一纸带

・叶洞

_夹子

重镣

T

(1)下列几个操作步骤中:

A.按照图示，安装好实验装置

B.将打点计时器接到电源的“交流输出”上

C.用天平测出重锤的质量

D.先释放重锤，后接通电源，纸带随着重锤运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点

E.测量纸带上某些点间的距离

F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能

没有必要的是________,操作错误的是________.（填步骤前相应的字母）

（2）在使用质量为/〃的重锤和打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，在选定的纸带上依次取计数点如图

所示，纸带上所打的点记录了重锤在不同时刻的位置，那么纸带的（填“左”或“右”）端与重锤

相连.设打点计时器的打点周期为T,且“0”为打下的第一个点，当打点计时器打点“3”时，重锤的动能

表达式为,若以重锤的运动起点“0”为参考点，当打点“3”时重锤的机械能表达式为

10.“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用如图所示的甲或乙方案来进行.

自由落体实臆斜面小车实验

验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律

⑴比较这两种方案,（填“甲”或“乙”）方案好些.

（2）该同学开始实验时情形如图丙所示,接通电源释放纸带.请指出该同学在实验操作中存在的两处明显错

误或不当的地方：

©；

②_________________________________________________________________________________.

⑶该实验中得到一条纸带,且测得每两个计数点间的距离如图「所示.已知相邻两个计数点之间的时间间

隔六0.1s.则物体运动的加速度a三________;该纸带是采用（填“甲”或“乙”）实验方案得到的.

H.某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示.在气垫导轨上