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第 24 讲 实验：验证机械能守恒定律
目录
01 模拟基础练
【题型一】教材原型实验
【题型二】实验的拓展创新
02 重难创新练
【题型一】教材原型实验
1.某同学利用如图1所示装置进行“验证机械能守恒定律”的实验：
(1)关于这一实验，下列说法正确的是______；
A．实验使用电磁打点计时器，应接220V交流电 B．选择质量大体积小的物体作为重物
C．还必须配备的器材有秒表和刻度尺 D．本实验不需要测重物的质量
(2)实验中，该同学先接通电源，再释放重物，得到一条图2所示的纸带，其中O点为打点计时器打下的第
一个点，A、B、C为纸带上所打的三个点，测得它们到起始点O的距离分别为 、 、 ，在A和B、B
和C之间还各有一个点。已知当地重力加速度为g，打点计时器的打点周期为T，重物的质量为m，从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少量 ，动能增加量 ；（用题目中已知
字母表示）
(3)因重物下落过程受各种阻力的影响，则该同学数据处理的结果会出现 （选填“>”、“=”
或“<”）；
(4)该同学进一步求出纸带上各点的速度大小v，然后作出相应的 图像，画出的图线是一条通过坐标
原点的直线。该同学认为：只要图线通过坐标原点，就可以判定重物下落过程机械能守恒，该同学的分析
（选填“合理”或“不合理”）。
2．某实验小组的同学用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”实验，所用交流电源的频率为50Hz，
得到如图乙所示的纸带。选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为
，点A、C间的距离为 ，点C、E间的距离为 ，测得重物的质量为
。
(1)下列做法正确的有______。
A．图中两限位孔必须在同一竖直线上
B．实验时，应先释放纸带，再接通打点计时器的电源
C．选择的重物要求体积大、密度小
D．将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提着纸带的上端，且让重物尽量靠近打点计时器
(2)当地重力加速度 ，选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，在该过程中，重物减
少的重力势能是 J，重物增加的动能是 J。（结果均保留两位有效数字）
(3)另一实验小组的同学用如图丙所示装置来验证机械能守恒定律，将力传感器固定在天花板上，细线一端
系着小球，另一端连在力传感器上，力传感器可以直接显示绳子张力大小。将小球拉至水平位置从静止释
放，到达最低点时力传感器显示的示数为F。已知小球质量为m，当地重力加速度为g。在误差允许范围内，
当F、m、g满足关系式 时，即可验证小球的机械能守恒。3．如图1所示为验证机械能守恒定律的实验装置。
(1)如图2，释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是 ；
(2)由于受阻力的影响，重锤增加的动能 与减少的重力势能 的大小关系为 （选填
“大于”、“小于”或“等于”）
(3)如图是某次实验中打出的一条纸带，O点是打下的第一个点，打点计时器打点的时间间隔为T，重力加
速度为g，要验证O点到B点过程机械能是否守恒，则需要验证等式 是否成立。
4．在进行“验证机械能守恒定律”的实验中，甲、乙两实验小组分别采用了如图（1）和（2）所示的装
置进行实验。(1)甲组同学采用了图（1）所示的方案，除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、
交流电源、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是______。（填正确答案前的字母标号）
A．秒表 B．刻度尺 C．天平（含砝码）
(2)甲组同学释放纸带前的瞬间，重锤和手的位置合理的是 （填“甲”、“乙”、“丙”或“丁”）；
(3)乙组同学采用图（2）所示的方案完成实验，选出一条纸带如下图所示，其中O点为起始点，A、B、C
三个连续计时点到O点的距离分别为 、 、 ，打点计时器打点周期为T，重物质量 大于 ，重力
加速度为g。打下B点时重物速度大小表达式为 ，若通过纸带验证OB过程系统机械能守恒，其表达
式为 。
5.如图甲，小张同学做“验证机械能守恒定律”的实验。(1)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、
B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周
期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减小量ΔE = ，动能
p
增加量ΔE = 。
k
(2)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v = gt计算重物速度 B．利用公式 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
(3)小张同学继续应用纸带上各点到起始点O的距离h，计算出相应点对应的速度v，以h为横轴、v2为纵轴
作出了如图丙的图线，当地重力加速度为g，该图线的斜率应_______。
A．等于g B．小于2g C．等于2g D．大于2g
【题型二】实验的拓展创新
1．某同学利用如图所示的实验装置来验证系统机械能守恒，轻质细线跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，
两端各悬挂一只小球P和Q，P质量比Q大。已知小球Q的直径为d，重力加速度为g。实验操作如下：
①把实验装置安装好；
②开始时固定小球P，使Q球与A位置等高，与P、Q相连的细线竖直。释放P，记录光电门显示的遮光时间t，测量A与光电门的高度差H；
③改变光电门的位置，重复实验步骤2，记录t和H。
请回答下列问题：
(1)为了减小实验误差，实验中应选用 （填“实心小铁球”“小木球”或“空心小铁球”）。
(2)验证P和Q组成的系统机械能守恒，还需要的实验器材和对应测量的物理量有______（填正确选项序
号）。
A．天平，测量小球P的质量M和小球Q的质量m
B．打点计时器，测量小球Q过光电门的速度v
C．刻度尺，测量开始时两小球的高度差h
(3)想要验证P和Q的系统机械能守恒，只需验证表达式g= （用已知量和测量量的字母表示）成立
即可。
(4)在坐标纸上，以H为横坐标，以u（填“t”、“ ”或“ ”）为纵坐标，描点连线后得到一条直线，
测得斜率为k，只需验证g= （用已知量和测量量的字母表示）成立，即可验证机械能守恒。
2．某实验小组用如图甲所示的装置来完成“验证机械能守恒定律”实验，其中D为铁架台，E为固定在铁
架台上的轻质滑轮，F为光电门，C为固定在物块A上、宽度为d的遮光条，物块B与物块A用跨过滑轮
的细绳连接。铁架台上标记一位置O，并测得该位置与光电门F之间的距离为h。让遮光条C与位置O对
齐，让物块A由静止开始下降，测得遮光条通过光电门时的遮光时间为t。实验时测得物块A（含遮光
条）、B的质量分别为 、 ，重力加速度大小为g。
(1)遮光条经过光电门时物块A的速度大小 ，从物块A开始下落到遮光条经过光电门的过程
中，物块A、B构成的系统增加的动能 ，系统减少的重力势能 。（均用
题目中给定的物理量符号表示）(2)改变距离h，重复实验，测得各次遮光条的挡光时间t，以h为横轴、 为纵轴建立平面直角坐标系，在
坐标系中作出 图像，如图乙所示，该图像的斜率为k，在实验误差允许范围内，若
（用题目中给定的物理量符号表示）成立，说明系统机械能守恒。
(3)实验时总是测得系统增加的动能略小于减少的重力势能，造成该误差的原因可能是 （任写一
种即可）。
3．研究小组的同学利用DIS实验装置验证机械能守恒。装置如图甲所示，图乙为简化装置图。摆锤通过
连杆与转轴相连，摆锤不是普通的小球，此摆锤内置光电门，摆锤通过遮光片时可以记录挡光的时间，实
验时可以在最低点及其它不同的位置放上挡光片，即可以测出摆锤运动到不同位置的速度。实验时摆锤从
某一高度 由静止释放，依次记录通过每一个遮光片的时间 ，用刻度尺测出每一个遮光片距最低点的竖
直高度为 ，摆锤的质量为 ，重力加速度为 。
(1)实验前，某同学用游标卡尺测量挡光片的宽度 ，如图丙所示，则 的长度是 。
(2)研究小组以摆锤运动的最低点所在的平面为零势能面，在离开最低点一定高度 处由静止释放摆锤，测
量出摆锤到达最低点时挡光的时间为 ，由此可以估算出摆锤下落的高度 为 （保留两位
有效数字）。
(3)以摆锤运动的最低点所在的平面为零势能面，则摆锤经过某个挡光片时，摆锤的机械能的表达式为
（选用字母 表示），通过对比各挡光片处摆锤的机械能 是否相等，可以判断机械能是否守恒。
(4)研究小组又绘制了摆锤下摆过程中动能、重力势能、机械能随高度变化的图像，如图丁所示，其中动能
的图线为 （选填“A”“B”或“C”）。
4．某同学受课后习题的启发，设计了如图所示的实验来验证机械能守恒定律。滑轮组下方悬挂质量相同
的重物 、B，已知重力加速度为 ，请完成下列问题：(1)为完成实验，还需要的器材有__________（填正确选项序号）。
A．天平 B．刻度尺 C．秒表
(2)按图组装好器材后，将B由静止释放，测出 上升的高度 及所用的时间 ，若满足 （用
题中字母表示），则验证了机械能守恒定律。
(3)为提高实验精度，下列建议正确的有__________（填正确选项序号）
A．滑轮要尽可能的轻且光滑
B．绳子要尽可能的轻
C．物块的质量越小越好
5．某同学用图甲所示的实验装置探究线速度与角速度的关系并验证机械能守恒定律。先将两个完全相同
的钢球P、Q固定在长为3L的轻质空心刚性杆两端，然后在杆长 处安装一个阻力非常小的固定转轴O。
最后在两个钢球的球心处分别固定一个相同的挡光片，挡光片宽度为d，如图乙所示，保证挡光片所在平
面和杆垂直。已知重力加速度为g。实验步骤如下：
（1）该同学将杆抬至水平位置后由静止释放，当P转到最低点时，固定在钢球P、Q球心处的挡光片刚好
同时通过光电门1、光电门2；（两个光电门规格相同，均安装在过O点的竖直轴上）
（2）若挡光片通过光电门1、光电门2的时间分别为 和 ，根据该同学的设计， 之比应为 ；（3）若要验证“机械能守恒定律”，该同学 （选填“需要”或者“不需要”）测量钢球的质量m；
（4）在误差允许范围内，关系式 成立，则可验证机械能守恒定律（关系式用g、L、d、 、 表
示）；
（5）通过多次测量和计算，发现第（4）问的关系式中重力势能的减少量一定大于动能的增加量，造成误
差的主要原因可能是 。
1．阿特伍德机是著名的力学实验装置。如图所示，绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的钩码A和钩码
B，在钩码B下面再挂钩码C时，由于速度变化不太快，测量运动学物理量更加方便。
(1)某次实验结束后，打出的纸带如图所示，可知纸带的 端（填“左”或“右”）和钩码A相连；
已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz，则钩码A运动拖动纸带打出F点时的瞬时速度大小为
；纸带的加速度大小为 （结果保留两位有效数字）
(2)某小组想通过这套装置验证连接体系统机械能守恒定律。已知钩码A和钩码B的质量均为M，钩码C
质量为m。接通打点计时器电源开关后，由静止释放该系统，钩码BC下降，钩码A上升从而拖动纸带打
出一系列点迹，当钩码A由静止上升高度h时，对应计时点的速度为v，若当地的重力加速度为g，则验证
钩码A、B、C系统机械能守恒定律的表达式为： ；引起系统误差的原因有： 。
（写出一条即可）
2．实验小组的同学做“验证机械能守恒定律”实验。
(1)用自由落体法“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50Hz，当地重力加速度
的值为10m/s²甲、乙、丙三位同学分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分
别为0.19cm、0.20cm和0.35cm，可见其中肯定有一个同学在操作上有错误，则操作错误的同学是
（选填“甲”“乙”或“丙”）。
(2)丁同学在用自由落体法“验证机械能守恒定律”的实验中，按实验要求正确选出如图1所示的纸带进行测量，测得连续三点A、B、C到第一个点O点的距离分别为 ，相邻计数点的时间间隔为T，重
力加速度为g。
①分析可知，纸带的 （选填“左”或“右”）端与重物相连。
②若重物的质量为m，从起点O到打下计数点B的过程中，重物重力势能的减少量 ，重
物动能的增加量 = 。（用已知物理量符号表示）
③实验结论：在误差允许范围内，重物下落过程中机械能守恒。
(3)戊同学用如图2所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验，将小球a、b分别固定在轻杆的两端，轻
杆可以无摩擦绕O点转动，开始时杆水平，由静止释放后轻杆沿逆时针方向转动，重力加速度为g。现用
刻度尺测出小球b的直径为d，测出小球a、b的质量均为m，光电门记录小球b挡光的时间为t，转轴O到
a、b球心的距离分别为l、l，光电门在O点的正下方，小球b摆到最低点时，光线恰好水平对着球心，
a b
如果小球a、b以及轻杆组成的系统机械能守恒，应满足的关系式为 。（用已知物理
量符号表示）。
3．某实验小组用如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。绕过定滑轮的轻质细线的两端分别悬挂质量
均为m的重物P、Q且处于静止状态，P与纸带连接，纸带通过固定的打点计时器，在Q的下端再挂上质
量也为m的重物R。由静止释放重物Q和R，利用打点计时器打出的纸带可研究系统（由重物 P、Q、R
组成）的机械能守恒，已知当地的重力加速度大小为g。
某次实验时获得的纸带如图乙所示，纸带上的A、B、C、D四点为打出的相邻的四个计时点，已知打点计时器的打点周期为 T，则打出纸带上的 B 点时重物P 的速度大小 ，打出 B点到打出C 点
的过程中系统增加的动能 系统减少的重力势能 若在误差允许范围内
则说明系统机械能守恒。（均用题中给定的物理量符号表示）
4．某物理兴趣小组利用如图所示的装置验证机械能守恒定律。图中是固定的光滑半圆轨道，圆心为O，
OC为竖直半径，1和2是A、B位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出。让正方体滑块
从与圆心等高处滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为 和 。
已知滑块的质量为20g，体积为 ， ， ，半圆轨道的半径为1.35m，取重力加速度
大小 ， ， 。所有计算结果均保留三位有效数字。
(1)滑块通过光电门1时的速度大小为 m/s，通过光电门2时的速度大小为 m/s。
(2)滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，重力势能的减少量为 J，动能的增加量为
J。
(3)在误差允许范围内，该过程中滑块的机械能 。（填“守恒”或“不守恒”）
5．某学习小组用如图所示的实验装置来验证机械能守恒定律。实验操作步骤如下：
①用天平测出滑块和遮光条的质量 、钩码的质量 ；
②调整气垫导轨水平，按图连接好实验装置，固定滑块；
③测量遮光条中点与光电门之间距离 及遮光条宽度d，将滑块由静止释放，光电门记录遮光条遮光时间 ；
④改变遮光条中点与光电门之间距离 ，进行多次实验。
根据上述实验操作过程，回答下列问题：
（1）下列关于该实验的说法正确的是 ；
A．本实验必须测量 和 的质量B．实验中必须保证 远小于
C．滑块运动过程中速度大小等于钩码速度大小的一半
D．本实验的研究对象为滑块
（2）在调整气垫导轨水平时，滑块不要连接钩码，打开气泵，待气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导
轨上的滑块保持静止或者匀速运动，表示气垫导轨已经调节水平。
（3）某同学测量得滑块和遮光条的质量 、钩码的质量 ，遮光条宽度 ，某
次实验中，滑块静止时遮光条中点与光电门的距离 ，遮光条通过光电门过程中遮光时间
，当地重力加速度 。测量过程中系统重力势能的减少量 J，滑块
和钩码增加的动能总和为 J。（结果均保留三位有效数字）
（4）多次改变挡光条到光电门的距离，重复步骤③、④，测出多组 和 ，作出 随 的变化图像如图所
示，图线为过坐标原点的直线，图像的斜率为 ，如果在误差允许的范围内当地的重力加速度大小为
时，可以判断钩码带动滑块运动的过程中机械能守恒。（用字母 、 、k、d表示）
6．某实验小组利用如图甲所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。
(1)除带夹子的重锤、纸带、铁架台（含铁夹）、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 （填选项前的字母）。
A．交流电源 B．秒表
C．天平（含砝码） D．刻度尺
(2)实验中按照正确的操作得到如图乙所示的纸带，其中O点是重锤刚释放时所打的点，测得连续打下的三个点A、 B、C到O 点的距离分别为 18.00 cm、21.40 cm、26.00 cm。已知重锤质量为 300g，交流电源频
率为 50 Hz，当地重力加速度大小为9.8m/s2。从O点到B点的这段时间内，重锤动能的增加量
J，重力势能的减少量 J。（结果均保留三位有效数字）
(3)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，主要原因是 （填选项前的字母）。
A．重锤下落过程中克服空气阻力和摩擦阻力做功
B．没有采用多次实验取平均值的方法
(4)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，测量它们到某计数起始点P的距
离h，计算对应计数点的重物速度 v，描绘 图像，下列说法正确的是 （填选项前的字母）。
A．若图像是一条过原点的直线，则重锤下落过程中机械能一定守恒
B．若图像是一条过原点的直线，则重锤下落过程中机械能可能不守恒
C．若图像是一条不经过原点的直线，则重锤下落过程中机械能一定不守恒
D．若图像是一条不经过原点的直线，则重锤下落过程中机械能可能守恒
7．在“验证机械能守恒定律”实验中，某小组同学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)在本实验中，还需要用到的实验器材有______。
A．刻度尺 B．天平 C．秒表 D．低压交流电源
(2)已知交流电频率为50Hz，重物质量为400g，当地重力加速度取 ，则从起始点O到点C的过
程中，重物的重力势能减少量 J，重物的动能增加量 J（计算结果均保留3位有
效数字）(3)通过计算，数值上 （填“>”、“=”或“<”），这是因为 ，该误差属于
（填“系统误差”或“偶然误差”）。
8．某实验小组利用如图甲所示的装置完成“验证机械能守恒定律实验”。将气垫导轨沿倾斜方向固定在
水平桌面上。将光电门固定在气垫导轨上，带有挡光条的滑块从光电门上方由静止释放。
(1)实验中测出滑块及挡光条的总质量为m，挡光条的宽度为d，释放点到光电门的竖直高度为h，挡光条
经过光电门的挡光时间为t，重力加速度为g，挡光条经过光电门时的速度大小为 。滑块及挡光条
由释放点运动到光电门的过程中，动能的增加量为 ，重力势能的减少量为 ，若关系式
成立，则滑块下滑过程中机械能守恒。（用题中所给物理量符号表示）
(2)改变h，多次实验，并记录滑块每次经过光电门时的挡光时间t，该小组的同学利用图像法验证机械能守
恒定律。以h为横轴、以 为纵轴建立坐标系，根据实验数据得到图乙所示的图线，若该图线的斜率k＝
时，滑块下滑过程中的机械能守恒。（用题中所给物理量符号表示）
9．利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验，从图示位置开始释放重锤。改进实验中错误及不妥之
处后，某同学经正确操作得到一条打点纸带如图乙所示，打点周期为 ，点 为电火花打点计时器
打下的第一个点，分别测出若干连续点A、 、C…与 点的距离 、 、
…如图所示，已知重物的质量为 ， 取 ，请回答下列问题：
(1)请指出图甲中的错误及不妥之处（只需写出两处）。
①
② ；(2)从打出 点到打出 点的过程中，重物重力势能的减少量为 ，动能的增加量为 （结果均用
、 、 、 字母表示）
(3)取打下 点时重物的重力势能为零，计算出该重物下落不同高度 时所对应的动能 和重力势能 ，建
立坐标系，横轴表示 ，纵轴表示 和 ，根据以上数据在图丙中绘出图线I和图线II。其中表示动能
随下落高度变化的图线是 （填图线I或图线II）；已求得图线I斜率的绝对值为 ，图线II的斜率的
绝对值为 ，则可求出重物和纸带下落过程中所受平均阻力为 （用 和 表示）。
