2026新高二物理暑假衔接2套（人教版）第20讲 专题十七 实验：验证机械能守恒定律（学生版）

复习专题十七实验：验证机械能守恒定律

——精剖细解细复习讲义

【实验目的】

学会利用自由落体运动验证机械能守恒定律的方法。

掌握机械能守恒定律实验的思路和误差分析。

学会利用气垫导轨和计时器验证机械能守恒定律的方法。

掌握实验的改进和创新对机械能守恒定律的探究方法。

【实验原理】

在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，忽略阻力的情况下，物

体的机械能守恒。有两种方案验证物体的机械能守恒：

以物体自由下落的位置O为起始点，测出物体下落高度h时的速度大小v，则物体重力势能的

1

减少量为mgh，动能的增加量为mv2，如果在实验误差允许的范围内相等则验证了机械能守恒定律。

2

以物体自由下落的位置O为起始点，测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，则

2222

物体重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2-mv1，如果mv2-mv1=mgh则物体的机械

能守恒。

xn＋xn＋1hn＋1－hn－1

速度可由公式vn＝或vn＝进行计算，如下图纸带所示：

2T2T

【实验器材】

重物(带纸带夹)，铁架台(含铁夹)，打点计时器，交流电源，复写纸，导线，毫米刻度尺，纸带。

【实验装置图】

【实验步骤】

仪器安装：按实验装置图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。

打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带

使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换

纸带重复做3-5次实验。

选纸带：

1

若根据mv2＝mgh验证时，应选点迹清晰，打点成一条直线，且1、2两点间距离小于或接近2

2

mm的纸带（如果1、2两点间的距离大于2mm，原因是先释放纸带，后接通电源，因此第1个点

就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选），把纸带上打出的两点间的距离为2mm的第一个点作

为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3、…

1212

若根据mvB－mvA＝mgΔh验证时，由于重力势能的变化是绝对的，在处理纸带时只需选择适

22

当的点为基准点就可以了，原因是纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2mm就不影响结果。

【数据处理】

121212

根据mv＝mgh验证时，选取起始点和第n点计算，mghn和mvn，若mghn和mvn相等，则

222

验证了机械能守恒定律；

12121212

根据mvB－mvA＝mgΔh验证时，任取两点A、B测出hAB，计算出mghAB和mvB－mvA的值，

2222

1212

若mghAB＝mvB－mvA成立，则验证了机械能守恒定律；

22

图像法：从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平

11

方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2－h图线，如果图线是一条过原点且

22

斜率为g的直线，则验证机械能守恒定律。

【误差分析】

系统误差：重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，动能的增加量一定小于重力势

能的减少量，这是不可避免的，属于系统误差；

偶然误差：长度测量时，测量及读数不准造成的误差；交流电的周期不稳定，造成打点时间间

隔变化而产生误差；采用电火花打点计时器而不采用电磁打点计时器，可以避免振针阻力的影响，

减小实验的误差。

【实验注意事项】

安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。

应选用质量和密度较大的重物，增大重力和增大密度（减小体积）可使阻力的影响相对减小。

计算速度时不能用v=gt或v=，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。

【实验创新】

利用光电门测速度，如下图所示，可减小因打点计时器限位孔及振针的阻力对实验精确度的影

响。

用高频闪光照相机对自由落体运动的小球拍照，数据处理方法与处理纸带类似，可减小因打点

计时器限位孔及振针的阻力对实验精确度的影响。

用一根不可伸长的轻绳、小圆柱、光电门来完成验证，如下图所示，实验原理为用轻绳拴住小

物块，让其绕悬点由水平位置向下做圆周运动，在悬点的正下方固定好光电门，测出小圆柱经过光

1

电门的速度，可由mgL＝mv2，验证机械能守恒。

2

利用平抛运动的知识来验证，如下图所示，实验原理为弧形轨道末端水平，距离地面的高度为

H。将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s，则有：

11

由平抛规律：s＝vt、H＝gt2，又由机械能守恒：mgh＝mv2，若s2＝4Hh则机械能守恒定律得

22

到验证。

验证机械能守恒定律的实验目的、原理与器材

1．如图所示，某实验小组在实验室中利用水平气垫导轨和两个光电门计时器A和B验证质量为M

的滑块（含遮光条）和质量为m的钩码组成的系统机械能守恒。已知遮光条的宽度为d，先后通过

A、B光电门的时间分别为t1、t2，光电门A、B之间的距离为s。滑块运动通过光电门B时，钩

码未落地。（重力加速度为g）

实验中需要用到的器材有___________（填选项前的字母）。

A．天平B．弹簧测力计C．打点计时器D．秒表

2．某同学用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律"实验。下列说法正确的是（）

A．打点计时器使用的是交流电源

B．完成该实验需要秒表

C．实验时应先释放纸带，再接通电源

D．实验时必需测量物体的质量

3．如图所示，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置可

验证机械能守恒定律．实验中需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度

h．某同学对实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案，这些方案中正确的是：．

A．用刻度尺测出物体下落高度h，由打点间隔数算出下落时间t，通过v=gt计算出瞬时速度v

B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v2gh计算出瞬时速度v

C．根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测

v2

算出瞬时速度v，并通过h计算得出高度h

2g

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

点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v

合验证机械能守恒定律的实验步骤与数据处理

4．图示为“用打点计时器验证机械能守恒定律”的实验装置，关于这一实验，下列说法正确的是（）

A．实验中必须使用秒表测出重物下落的时间

B．实验中必须用天平测出重物的质量

C．实验中应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，以减小纸带与限位孔之间的摩擦

D．在实际测量中，重物减少的重力势能通常会略小于增加的动能

5．如图所示，在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用的交流电的频率为50Hz，

查得当地的重力加速度g=10m/s2，测得所用的重物的质量为1.00kg，实验中得到一条点迹清晰的纸

带如图所示。把第一个点记做O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。经测得知道A、B、

C、D各点到O点的距离为62.99cm、70.14cm、77.76cm、85.37cm。根据以上数据可知重物由O点

运动到C点，重力势能的减少量等于___________J；C点的速度为_______m/s；（计算结果保留三

位有效数字）；但实验中总存在重力势能的减少量_______动能的增加量（填小于、等于、大于），

则上述三个空的答案是（）

A．7.78381等于

B．7.783.81大于

C．7783.81大于

D．7.783.81等于

6．实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图a所示，标尺盘中A、B、C、D为摆锤的四个位

置，各点与最低点D的高度差已由计算机默认。某组同学在实验中，得到的图象如图b所示。图

象的横轴表示摆锤距D点的高度h，纵轴表示摆锤的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。下列说法错

误的是（）

A．光电门传感器要分别放在D、C、B点进行重复操作

B．摆锤每次释放的高度要保持不变，且必须保证让摆锤的直径宽度遮挡红外发射孔

C．图线甲表示摆锤的机械能E

D．图线乙表示摆锤的机械能

验证机械能守恒定律的注意事项和误差分析

7．某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律，下列说法正确的是（）

A．电火花打点计时器的工作电压为220V直流电

B．手提纸带上端，先释放纸带再启动打点计时器

C．某条纸带开头一段点迹不清晰，该纸带也能验证机械能守恒定律

D．可以根据vgt求纸带上打某点时重物的瞬时速度

8．如图所示，某实验小组在实验室中利用水平气垫导轨和两个光电门计时器A和B验证质量为M

的滑块（含遮光条）和质量为m的钩码组成的系统机械能守恒。已知遮光条的宽度为d，先后通过

A、B光电门的时间分别为t1、t2，光电门A、B之间的距离为s。滑块运动通过光电门B时，钩

码未落地。（重力加速度为g）

下列情况下可能增大实验误差的是___________。

A．滑块在光电门A右侧释放时有微小的初速度

B．滑块质量M和钩码质量m不满足mM

C．遮光条宽度较小

D．两光电门间距过小

9．图示为“验证机械能守恒定律”的实验装置。关于该实验，下列说法中正确的是（）

A．实验中必须测出重锤的质量

B．实验中应先释放纸带，后接通电源

C．手抓纸带的位置越靠近打点计时器越好

D．固定打点计时器时，其限位孔须在同一竖直面内

实验题

10．某实验小组用落体法验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落的

高度H及对应的瞬时速度v。请根据实验原理和步骤完成下列问题。（当地的重力加速度大小

g9.80m/s2，计算结果均保留三位有效数字）

（1）关于上述实验，下列说法正确的是__________。

A．重物的质量可以不测量

B．重物最好选择密度较小的木块

C．实验中应先释放纸带，后接通电源

D．可以利用公式v2gH求出瞬时速度

（2）如图甲所示，使质量m50g的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点。选取一

条符合实验要求的纸带，如图乙所示，O为所打的第一个点，A、B、C为合适位置开始选取的连续

三个点，并测出O点到A、B、C各点的距离依次为38.02cm、43.65cm、49.66cm。已知打点计时

器每隔0.02s打一个点。则从打点计时器打下点O到打下点B的过程中，重物减少的重力势能

EP__________J；重物增加的动能Ek__________J。

（3）由于存在近乎恒定的阻力f，导致重物重力势能的减少量与动能增加量不完全相等，实验小组

的同学又多取D、E、F等计时点，并正确计算出图乙中打下各计时点A、B、C、D、E、F的瞬时速

度v，以各计时点到A点的距离h为横轴，v2为纵轴作出图像，如图丙所示，根据作出的图线，可求

f

出阻力f与重力的比值__________。

mg

11．在“验证机械能守恒定律”的实验中

（1）可以采用下图所示的A或B方案来进行，比较这两种方案，______（填“A”或“B”）方案好些。

（2）在利用自由落体法“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用交流电的频率为50Hz，

实验得到的两条纸带如上图所示，应选______（填“C”或“D”）纸带好。

（3）在选择正确方案后，某小组采用该方案装置打出了一条纸带如图所示，相邻两点之间的时间间

隔为0.02s，请根据纸带计算出B点的速度大小为________m/s。（结果保留三位有效数字）

v2

（4）该小组内的同学根据纸带算出了相应点的速度v，并量出下落的距离h，以为纵轴，以h为

2

横轴画出的图线如图所示，由图像可知机械能损失占机械能的________%（保留两位有效数字），

得到的结论是在实验误差允许范围内物体的机械能守恒。（当地的重力加速度为10m/s2）

12．小明想通过实验来验证机械能守恒定律，实验装置如图所示。准备器材有：滑块（上方固定有

遮光条，且宽为d）、劲度系数为k的轻质弹簧、气垫导轨、光电门（含光电计时器，图中未画出），

12

并通过资料查得弹簧的弹性势能公式E弹kx，其中x为弹簧的形变量；实验装置如下图所示。

2

操作步骤如下：

①将气垫导轨放在水平桌面上，把气垫导轨调至水平；

②将弹簧左端固定，并在弹簧原长处放置光电门（弹簧始终处于弹性限度内）；

③在弹簧右端放置一滑块，用力缓慢向左推动滑块，压缩弹簧至某位置，测得此时弹簧右端至光电

门距离为x；

④撤去外力，滑块在弹簧弹力作用下向右运动，测得滑块上的遮光条经过光电门的时间为t；

1

⑤改变x，测出多组数据，描绘x2图像。

t2

（1）本实验还需要测量的物理量有_________（写明物理量及其符号）；

1

（2）若实验操作正确，描绘x2图像是_________（填序号）；

t2

①过坐标原点的一条直线

②不过坐标原点的一条直线

1

（3）x2图像斜率为p，为验证机械能守恒，需要验证p=_________（使用题中已经给出以及（1）

t2

问中涉及到的物理量符号表示）。

13．某同学用气垫导轨来验证机械能守恒定律，装置如图所示，装有遮光条的滑块放置在气垫导轨

上的A位置，细线绕过固定在导轨右端的定滑轮，一端与滑块连接、另一端悬挂钩码。已知遮光条

宽度为d，滑块与遮光条的总质量为M、A到光电门中心距离为x，钩码的质量为m，当地重力加速

度为g。

（1）开通气源，先调节气垫导轨水平，取下细线和钩码，将滑块轻放在气垫导轨上，如果滑块能

______，说明气垫导轨水平。

（2）挂上钩码将滑块从静止释放，测得滑块通光电门时遮光条的遮光时间为t，如果表达式______

成立（用题中所给物理量的符号表示），则机械能守恒定律得到验证。

（3）改变钩码质量，多次实验，每次均让滑块从A点由静止释放，测得多组钩码质量m及遮光条

1

遮光时间作t2图像，如果图像是一条倾斜直线且图像的斜率为______，图像与纵轴的截距为

m

______，则机械能守恒定律得到验证。（均用题中所给物理量的符号表示）

14．某校高一年级的同学，在学习机械能守恒定律后，准备验证在只有重力做功时的机械能守恒定

律。其中两名同学采用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，而另两名同学准备用如图乙所示的

装置来验证机械能守恒定律。

（1）第一组同学将图甲中的实验装置安装好后，用手提住纸带上端，之后让纸带由静止开始下落。

回答下列问题：

①关于该实验，下列说法正确的是______；

A．为减小阻力，用电磁打点计时器比用电火花计时器

B．在重物大小合适的情况下，选择木块比选择铁块好

C．释放纸带前应先接通电源

②从打出的多条纸带中找出一条起点清晰且各点间的距离变化规则的纸带，如图丙所示，其中O点

为打出的第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的三个连续计时点（其他点未画出），已知打

点计时器打点频率为50Hz。若重物的质量为0.6kg，则打B点时重物的动能EkB______J。（结果

保留两位有效数字）

（2）第二组同学按图乙将实验装置安装好后，让小球静止下垂时球心恰好通过光电门，用手把小球

拉至与悬点等高且细线伸直，由静止释放小球，已知小球的质量为m，直径为D，细线长为L，当

地重力加速度大小为g，测得小球通过光电门的时间为t，回答下列问题：

①小球通过光电门时的速度大小v=______；Δ

1

②若小球下落过程中机械能守恒，则应满足关系式mv2______。

2

（3）另一名同学提出，以上两小组同学所采用的实验方案中都会有误差出现，请你说出以上两小组

同学所采用的实验方案中第二小组出现实验误差的一种可能原因：_______。

15．某实验小组的同学设计了图示装置完成“验证机械能守恒定律”的实验。光电门固定在铁架台上

且与数字计时器连接，铁架台台面上放有橡皮泥防止小球反弹。初始时，小球球心与释放装置下边

缘等高，再让小球从光电门正上方某一高度由静止释放。

（1）已知小球直径为d、当地的重力加速度为g，要想验证机械能守恒还需测量的物理量有______。

A．释放装置下边缘到光电门中心的高度差h

B．通过光电门的遮光时间为t

C．小球质量m

（2）若本实验所提供的物理量满足表达式：______，得证小球下落过程机械能守恒。

（3）实际测量数据总显示下落过程中小球重力势能的减小量______（选填“大于”“小于”或“等于”）

动能的增加量，主要原因是______。

（4）该小组的同学认为可以利用图像法来计算小球下落过程的平均阻力f。多次改变小球的释放点

1

高度，记录下对应的下落高度h和遮光时间t，通过描点作图得到了h-图像是一条过原点的倾斜

t2

直线，已知该直线的斜率为k，小球质量为m，则平均阻力f=______。

16．用如图（a）所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，

m1上拖着的纸带利用电火花打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械

能守恒定律。如图（b）给出的是实验中获取的一条纸带中的某一段，每相邻两计数点间还有4个点

（图中未标出），电源的频率为50Hz，相邻计数点间的距离如图（b）所示。已知m180g、m2120g，

要求所有计算结果保留三位有效数字（重力加速度g取9.8m/s2）。

（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6V直流电源上；

C．先释放m2，再接通电源打出一条纸带；

D．测量纸带上某些点间的距离；

E．根据测量的结果，分别计算系统减少的重力势能和增加的动能。

其中操作不当的步骤是_________（填选项对应的字母）。

（2）在打下计数点1~5的过程中，系统重力势能的减少量Ep_________J，系统动能的增量Ek

_________J。由此得出的结论：在误差允许的范围内，系统重力势能的减少量等于系统动能的增加

量，从而验证机械能守恒定律。

（3）某同学测量出了各计数点到计数点0的距离hi，算出了各计数点对应的速度vi，然后以hi为横

1

轴、以v2为纵轴作出了如图c所示的图线，图线的斜率近似等于_________。

2i

A．4.90B．3.27C．2.45D．1.96

17．如图甲所示为探究系统机械能守恒的实验装置，其中滑块和遮光条的总质量为M，钩码的质量

为m，遮光条的宽度为d。

（1）实验开始前，先调节气垫导轨水平，验证气垫导轨是否水平的依据是打开气源_________（填“前”

或“后”），将滑块放置于气垫导轨上，若滑块能_________，说明气垫导轨已调节水平，或者给滑块

一个初速度，滑块通过光电门1和光电门2的时间_________。

（2）将带有遮光条的滑块放置在气垫导轨上的左端，用细线拴接滑块将细线的另一端绕过气垫导轨

右端的定滑轮，悬挂质量为m的钩码，然后由静止释放滑块。

（3）某次实验时光电门2记录的时间是t0，则遮光条通过光电门2时滑块的瞬时速度v_________

（用题目中给出的物理量的字母表示）。

（4）让滑块多次从同一位置无初速度释放，光电门1的位置始终不变，改变光电门2的位置，记录

遮光条每次经过光电门2的时间t和对应的光电门1和2之间的距离L，根据记录的多组数据作出

图像如图乙所示。已知图像的斜率为k，截距为b，当地的重力加速度为g，则遮光条经过光电门1

时滑块和遮光条的总动能为_________，只要满足k_________，就能验证滑块和钩码组成的系统机

械能守恒。（用题目中给出的物理量的字母表示）

18．学校举行“利用生活中的物品进行物理实验”活动，某实验小组设计通过手机拍摄小球自由下落

的视频，得到分帧图片来验证机械能守恒定律，实验装置如图所示。

实验步骤如下：

①将毫米刻度尺固定在竖直墙壁上，手机固定在手机支架上，调整好摄像头的视野位置；

②打开手机摄像功能，开始摄像；

③用手捏住小球，使其下端位于刻度尺零刻度处，松手，小球自由下落；

④停止拍摄，对视频进行分帧处理，选取合适的分帧图片，处理数据。

数据处理时每隔0.08s取一张分帧图片，选取连续获取的三帧图片，并从图中刻度尺上读出小球最下

端对应刻度分别为：第一帧3.63cm、第二帧12.76cm、第三帧29.23cm；

（1）小球在第二帧图片所示位置时的速度v=______m/s（结果保留三位有效数字）；

（2）设从0刻度到第二帧对应位置时下落