第六章　第32课时　实验七：验证机械能守恒定律-2027版高考物理一轮复习

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原理及装置图通过实验，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实验器材打点计时器、交流电源、纸带、复写纸(墨粉)、夹子、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线数据处理(1)求瞬时速度由公式vn=hn+1-hn-12T可以计算出重物下落h1、h2、h3…的高度时对应的瞬时速度v(2)验证守恒方案一：利用起始点和第n点计算：代入mghn和12mvn2，如果在实验误差允许的范围内，mghn和1注意：应选取最初第1、2两点距离接近2mm的纸带(电源频率为50Hz)方案二：任取两点计算①任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB②算出12mvB2-1③在实验误差允许的范围内，若mghAB=12mvB2-1方案三：图像法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12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出12v2-h图像。若在实验误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为注意事项(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=hn+1-hn-12T，不能用vn(5)此实验中不需要测量重物的质量误差分析(1)系统误差：本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量，即ΔEk<ΔEp。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力(2)偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，一次将各点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值例1(2025·河南卷·12)实验小组利用图甲所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源(频率50Hz)、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。(1)下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列：(填步骤前面的序号)。

①先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带②先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点③用电子天平称量重锤的质量④将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据⑥关闭电源，取下纸带(2)图乙所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为m/s(保留3位有效数字)。

(3)纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图丙所示的v2-h关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应(填“通过”或“不通过”)原点且斜率为(用重力加速度大小g表示)。由图丙得直线的斜率k=(保留3位有效数字)。

(4)定义单次测量的相对误差η=Ep-EkEp×100%，其中Ep是重锤重力势能的减小量，Ek是其动能增加量，则实验相对误差为η=×100%(用字母k和g表示)；当地重力加速度g取9.80m/s2，则η=%(保留2位有效数字答案(1)④①⑥⑤(2)1.79(3)通过2g19.1m/s2(4)1-k2解析(1)需要先接通电源，再释放纸带，①正确，②错误；不需要称量重锤质量，③不是必需的；依照实验步骤先后，正确排序应为④①⑥⑤。(2)纸带上相邻计数点时间间隔T=1f=0.02由vB=hAC其中hAC=(20.34-13.20)cm=7.14×10-2m，T=0.02s，代入数据解得vB≈1.79m/s(3)根据mgh=12mv2，可得v2=2g·h可知若机械能守恒，其v2-h图像应为通过原点，且斜率k=2g的倾斜直线，由题图丙得直线的斜率k=5.5-1.40.29-0.075m/s2≈19.1m/s(4)根据题意有η=|mgh-12可得η=1-k2代入数据解得η≈2.6%。考点二探索创新实验创新角度示例实验器材的创新(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=lΔ(2)利用气垫导轨代替长木板，减小阻力对实验结果的影响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(2025·江西卷·11)某小组利用气垫导轨、两个光电门、滑块、遮光片等，组成具有一定倾角的导轨装置，研究机械能守恒定律。重力加速度g取9.80m/s2。(1)实验前，应合理安装实验器材。图(a)中光电门的位置安装不合理，应如何调整：。

(2)实验时，导轨倾斜角的正弦值sinθ=0.0613，光电门1、2相距L。将宽度d=4.82mm的遮光片固定于滑块上，从导轨最左端静止释放滑块，分别记录遮光片通过光电门1、2的时间Δt1和Δt2。移动光电门2的位置改变L，重复实验，所测数据如表所示。L/cm10.0015.0020.0025.0030.0060.0065.0070.00Δt1/ms9.9829.88310.01910.06810.04910.07310.06610.170Δt2/ms8.0167.5787.0326.5836.583…4.9384.7874.677滑块经过光电门1、2的速度大小分别为v1和v2。当L=65.00cm时，v2=m/s，滑块通过两光电门下降的高度HL=cm。(结果保留2位小数)

(3)处理上表数据，并绘制Δv2-HL关系曲线(其中Δv2=v22-v12)，如图(b)所示。根据图(b)中的信息，分析滑块在下滑过程中机械能是否守恒：答案(1)1适当向右移动光电门1(2)1.013.98(3)守恒见解析解析(1)光电门1安装不合理；由题图(a)可知，光电门1靠近释放点，滑块到光电门1的距离较短，速度较小，导致滑块通过光电门1的速度测量误差较大，故应适当向右移动光电门1。(2)当L=65.00cm时，由表格可知遮光片通过光电门2的时间为Δt2=4.787ms故通过光电门2的速度大小v2=dΔt2=4.82×根据几何关系可得滑块通过两光电门下降的高度HL=Lsinθ=65×0.0613cm≈3.98cm(3)根据题图(b)可知图像斜率约为k=0.3920.020m/s2=19.6m/s2=2故在误差范围内Δv2=2gHL成立，说明下滑过程中滑块的动能增加量等于重力势能的减少量，即机械能守恒。例3(2026·江苏南通市检测)小明利用如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律。细绳跨过固定在铁架台上的小滑轮，两端各悬挂一个重锤。(1)部分实验步骤如下：①用刻度尺测量遮光片中心到光电门的竖直距离H；②将遮光片固定在重锤1上，用天平测量重锤1(含遮光片)的质量m、重锤2的质量M(M>m)；③将光电门安装在铁架台上，将重锤1压在桌面上，保持系统静止，重锤2离桌面高度适当；④用刻度尺测量遮光片的宽度d；⑤启动光电门，释放重锤1，用毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t。其合理的顺序是(选填“A”“B”或“C”)。

A.③④②⑤① B.④②③①⑤C.②④③⑤①(2)测量d时，刻度尺的示数如图乙所示，可知遮光片的宽度d=cm。

(3)重锤1通过光电门时的速度大小v=(用题中物理量的符号表示)。

(4)已知重力加速度为g。若满足关系式(用题中物理量的符号表示)，则验证了两重锤组成的系统机械能守恒。

(5)实验中，忽略空气阻力，细绳与滑轮间没有相对滑动。小明认为细绳与滑轮间的静摩擦力做功但不产生内能，因此两重锤组成的系统机械能守恒。你是否同意他的观点，并简要说明理由。

答案(1)B(2)0.54(0.53、0.55均可)(3)dt(4)(M-m)gH=12(M+m)(dt)2(解析(1)首先，用刻度尺测量遮光片的宽度d(步骤④)，这是测量速度的关键物理量。接着，用天平测量重锤1(含遮光片)的质量m、重锤2的质量M(M>m)(步骤②)，为后续计算机械能做准备。然后，将光电门安装在铁架台上，将重锤1压在桌面上，保持系统静止，重锤2离桌面高度适当(步骤③)，完成装置的安装与调试。之后，用刻度尺测量遮光片中心到光电门的竖直距离H(步骤①)，确定下落高度。最后，启动光电门，释放重锤1，用毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t(步骤⑤)，进行实验数据采集。所以合理的顺序是④②③①⑤，故选B。(2)由题图乙可知，刻度尺的分度值为1mm，遮光片的宽度d=0.54cm(3)由于遮光片通过光电门的时间t很短，可认为遮光片通过光电门的平均速度等于瞬时速度，所以v=d(4)系统重力势能的减少量为(M-m)gH，系统动能的增加量为12(M+m)v2=12(M+m)(dt若机械能守恒，则(M-m)gH=12(M+m)(dt(5)不同意。因为滑轮会转动，细绳与滑轮间的静摩擦力对滑轮做功，使滑轮获得动能，而滑轮的动能是由两重锤组成的系统的机械能转化而来的，所以两重锤组成的系统机械能不守恒，系统机械能减小。例4(2025·江苏卷·11)小明同学探究机械能守恒定律，实验装置如图。实验时，将小钢球在斜槽上某位置A由静止释放，钢球沿斜槽通过末端O处的光电门，光电门记录下钢球的遮光时间t。用游标卡尺测出钢球的直径d，由v=dt得出其通过光电门的速度v，再计算出动能增加量ΔEk=12mv2。用刻度尺测得钢球下降的高度h，计算出重力势能减少量ΔEp。(1)安装实验装置的操作有：①在斜槽末端安装光电门②调节斜槽在竖直平面内③调节斜槽末端水平④将斜槽安装到底座上其合理的顺序是(选填“A”“B”或“C”)。

A.①②③④B.④②③①C.④①②③(2)测量钢球直径的正确操作是图中(选填“甲”或“乙”)所示的方式。

(3)在斜槽上5个不同的位置由静止释放钢球。测量得出的实验数据见表1。已知钢球的质量m=0.02kg，重力加速度g取9.80m/s2。请将表1中的数据补充完整。表1h/(×10-2m)4.005.006.007.008.00ΔEk/(×10-3J)4.906.257.458.7810.0ΔEp/(×10-3J)7.849.8011.813.7

(4)实验数据表明，ΔEk明显小于ΔEp，钢球在下降过程中发生机械能的损失。小明认为，机械能的损失主要是由钢球受到的摩擦力做功造成的。为验证此猜想，小明另取一个完全相同的斜槽按图平滑对接。若钢球从左侧斜槽上A点由静止释放，运动到右侧斜槽上，最高能到达B点，A、B两点高度差为H。则该过程中，摩擦力做功大小的理论值W理=(用m、g、H表示)。(5)用如图所示的装置，按表1中所列部分高度h进行实验，测得摩擦力做功大小W测。由于观察到H值较小，小明认为，AO过程摩擦力做功近似等于AB过程的一半，即Wf=W测2。然后通过表1的实验数据，计算出AO过程损失的机械能ΔE=ΔEp-ΔEk。整理相关数据，见表表2h/(×10-2m)4.005.006.007.00ΔE/(×10-3J)2.943.554.354.92Wf/(×10-3J)0.981.081.181.27上表中ΔE与Wf相差明显。小明认为这是由于用W测2近似计算Wf不合理。你是否同意他的观点？。请根据表2数据简要说明理由。答案(1)B(2)甲(3)15.7(4)mgH(5)不同意小球减小的重力势能有一部分转化为小球的转动动能，相差很大的原因是小球的转动动能没有计入解析(1)正确步骤为将斜槽安置于底座，调节斜槽在竖直平面内，调节斜槽末端水平，安装光电门，序号为④②③①。故选B。(2)测量小球直径的正确操作需要确保测量工具与小球接触良好，并且小球的位置不会导致测量误差。在题图中的情形中，甲图使卡爪的两测量面与小球的表面垂直接触，测量更准确，适合测量外径；而乙图中由内测量爪测小球直径是错误的，测量不准确。故选甲。(3)根据ΔEp=mgh可知下降高度为8.00×10-2m时减少的重力势能为ΔEp=0.02×9.80×8.00×10-2J≈15.7×10-3J(4)根据动能定理可得mgH-W理=0可得W理=mgH(5)不同意，原因是小球减小的重力势能有一部分转化为小球的转动动能，相差很大的原因是小球的转动动能没有计入。课时精练[分值：50分]1.(8分)(2021·浙江6月选考·17(1))在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图甲所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图乙所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。(1)(2分)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。(2)(6分)已知交流电频率为50Hz，重物质量为200g，当地重力加速度g取9.80m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|=J、C点的动能EkC=J(计算结果均保留3位有效数字)。比较EkC与|ΔEp|的大小，出现这一结果的原因可能是。

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答案(1)阻力与重力之比更小(或其他合理解释)(2)0.5470.588C解析(1)在“验证机械能守恒定律”实验中，阻力越小越好，体积和形状相同的重物，密度大的阻力与重力之比更小。(2)由题图乙可知OC之间的距离为sOC=27.90cm，因此重力势能的减少量为|ΔEp|=mgsOC=0.2×9.80×0.2790J≈0.547J匀变速直线运动中，中间时刻的速度等于这段时间的平均速度，因此vC=xBD2T=0.3300-0.23302因此动能的增加量为EkC=12mvC2=12×0.2×2.4252工作电压偏高不会影响实验，存在空气阻力和摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有接通电源前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量，故选C。2.(8分)(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db.遮光片到光电门长度lc.遮光片通过光电门时间Δtd.托盘与砝码质量m1，小车与遮光片质量m2(1)(2分)小车通过光电门时的速度为；

(2)(4分)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)(2分)改变l，做多组实验，作出以l为横坐标，以(dΔt)2为纵坐标的图像。若机械能守恒成立，则图像斜率为答案(1)dΔt(2)m1gl12(m1+m2)((3)2解析(1)小车通过光电门时的速度为v=d(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=12(m1+m2)(dΔ(3)改变l，做多组实验，作出以l为横坐标，以(dΔt)有m1gl=12(m1+m2)(dΔ整理有(dΔt)2=2m1g3.(8分)(2025·甘肃卷·11)某学习小组使用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。把一个直径为d的小球用不可伸长的细线悬挂，光电门置于小球平衡位置处，其光线恰好通过小球球心，计时器与光电门相连。将小球拉离平衡位置并记录其高度h，然后由静止释放(运动平面与光电门光线垂直)，记录小球经过光电门的挡光时间Δt。改变h，测量多组数据。已知重力加速度为g，忽略阻力。(1)(4分)以h为横坐标、[填“Δt”“(Δt)2”“1Δt”或“1(Δt)2”]为纵坐标作直线图。若所得图像过原点，且斜率为(用d(2)(4分)实验中，用游标卡尺测得小球直径d=20.48mm。①由结果可知，所用的是分度的游标卡尺(填“10”“20”或“50”)；

②小组设计了一把25分度的游标卡尺，未测量时的状态如图所示。如果用此游标卡尺测量该小球直径，则游标尺上第条刻度线与主尺上的刻度线对齐。

答案(1)1(Δt)22gd2解析(1)小球经过光电门的挡光时间为Δt，可得小球到达平衡位置时速度v=dΔt，为验证机械能守恒定律，此过程中重力势能转化为动能有mgh=12mv2，联立解得1(Δt)2=2g(2)10分度、20分度、50分度的游标卡尺的精确度分别为0.1mm、0.05mm、0.02mm此游标卡尺测得小球直径d=20.48mm，可以判断所用的是50分度的游标卡尺。若为25分度的游标卡尺，其精确度为0.04mm，用此游标卡尺测量该小球直径，可得n=0.480.04=12，则游标尺上第124.(8分)(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)(2分)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)(4分)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)(2分)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答案(1)-2(2)-2.10.59(3)C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)=12mv2Tmax-mg=mv2l，联立可得Tmax=3mg-2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=1.35-1.770.20=-2.1，3mg=1.77N则小钢球的重力为mg=0.59N。(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选C。5.(10分)(2025·江苏盐城市五校联考)某同学用如图甲所示的实验装置来验证机械能守恒定律。轻杆两端固定两个大小相等但质量不等的小球A、B，杆的正中央有一光滑的水平转轴，杆能在竖直平面内绕轴的中点O自由转动，O点正下方有一光电门，已知A、B的质量分别为M、m(M>m)，重力加速度为g。(1)(2分)用游标卡尺测得小球的直径如图乙所示，则小球的直径d=cm。

(2)(2分)调节光电门位置，使A、B从水平位置静止释放，当小球A通过最低点时，球心恰好通过光电门，与光电门连接的数字计时器显示的挡光时间为Δt，则小球A经过最低点时的速度v=。(用物理量符号表示)

(3)(4分)测得两球球心间距离为L，则A、B系统重力势能的减少量ΔEp=，动能的增加量ΔEk=。(用物理量符号表示)

(4)(2分)若某次实验中测得重力势能的减少量小于动能的增加量，其可能原因是。

答案(1)1.440(2)dΔt(3)12(M-12(M+m)(dΔ(4)小球A通过最低点时，球心与光电门不在同一水平高度(或释放时A球位置高于B球)解析(1)20分度的游标卡尺的精确度为0.05mm，则小球的直径为d=1.4×10mm+8×0.05mm=14.40mm=1.440cm(2)小球A经过最低点时的速度v=d(3)