文档内容
考点 25 验证机械能守恒定律
1. 高考真题考点分布
题型 考点考查 考题统计
实验题 验证机械能守恒定律 2024年6月浙江卷
实验题 验证机械能守恒定律 2023年天津卷
实验题 验证机械能守恒定律 2022年湖北卷、河北卷
2. 命题规律及备考策略
【命题规律】各地高考对验证机械能守恒定律这个实验的考查频度较高，考查多在原型实验的所用原理的
基础之上，通过创新实验的方式予以考查。
【备考策略】
1.掌握并会利用实验的原理验证机械能守恒定律，并会做出必要的误差分析。
2.能够在原型实验基础上，通过对实验的改进或者创新，做出同类探究。
【命题预测】重点关键利用创新性实验装置或方法对机械能守恒定律的验证。
1．实验目的
验证机械能守恒定律。
2．实验原理
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。
3．实验器材
打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。
4．实验步骤
(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)。
(3)选纸带：分两种情况说明
①若选第1点O到下落到某一点的过程，即用mgh＝mv2来验证，应选点迹清晰，且第1、2两点间距离接
近2 mm的纸带(电源频率为50 Hz)。或者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方
v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出v2-h图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原
点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。
②用mv 2－mv 2＝mgh 验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时选择适当的点为基准点即可。
B A AB
5．实验结论
在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒。
6．误差分析
(1)测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，
二是多测几次取平均值。
(2)系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量 ΔE ＝mv2必定稍小于重力势
k n
能的减少量ΔE＝mgh ，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力。
p n
7．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，以减少摩擦阻力。
(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v＝，不能用v＝或v＝gt来计算。
n n n
考点一 教材原型实验
考向 1 实验原理与操作
1．某物理兴趣小组利用如图1所示装置验证机械能金属杆守恒定律，该小组同学让重物带动纸带从静止开
始自由下落，按正确操作得到了一条完整的纸带如图2所示。
(1)下列关于该实验说法正确的是_______。
A．实验时重锤可以用木质小球替代
B．打点计时器工作时的电压应选择直流6~8VC．安装实验器材时，必须使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上
D．实验时应先手掌托住重锤使其紧靠打点计时器，待接通电源后，再释放重锤
(2)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（O点与下一点的间距接近2mm）的
距离分别为 。已知当地重力加速度为g，打点计时器的打点周期为T。设重物质量为m。从打O
点到B点的过程中，重物的重力势能变化量 ，动能变化量 。（用已知字母表
示）
(3)若通过计算发现，物体动能的增加量 大于重力势能减少量 ，则原因可能是下列选项的_______。
A．重物受到空气阻力的影响 B．打点计时器的电压较低
C．纸带和打点计时器间存在摩擦 D．实验时先释放纸带再接通电源
【答案】(1)C(2) (3)D
【详解】（1）A．为减小空气阻力的影响，实验时应该选择体积小，密度较大，下端有胶垫的重锤，不可
以用木质小球替代。故A错误；
B．打点计时器工作时的电压应选择交流6~8V。故B错误；
C．安装实验器材时，必须使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，来减小纸带与限位孔之间的摩擦
阻力。故C正确；
D．实验时如果先手掌托住重锤使其紧靠打点计时器，会使纸带弯曲，下落时阻力过大，误差较大。故D
错误。故选C。
（2）[1]从打O点到B点的过程中，重物的重力势能变化量
[2]动能变化量 又 解得
（3）A．重物受到空气阻力的影响，会使物体动能的增加量 小于重力势能减少量 。故A错误；
B．打点计时器的电压较低，不会影响实验中计算的结果。故B错误；
C．纸带和打点计时器间存在摩擦，会使物体动能的增加量 小于重力势能减少量 。故C错误；
D．实验时先释放纸带再接通电源，会有初速度，物体动能的增加量 大于重力势能减少量 。故D正
确。故选D。
2．某实验小组的同学利用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。规范操作后，得到一条点迹清晰的
纸带，如图2所示，A、B、C、D、E、F是纸带上选取的6个计数点，每相邻两个计数点间还有一个点未
画出，用刻度尺依次测得各计数点到A点的距离分别为 、 、 、
、 ，已知打点计时器所接交流电源的频率为50Hz，当地的重力加速度
。回答下列问题：(1)打下计数点B时，重物的速度大小 m/s（结果保留两位小数）。
(2)根据上述测量数据，为验证重物下落过程中机械能守恒，应使用表达式_______验证。（填选项前的字
母）
A．
B．
C．
(3)有同学认为，若重物下落过程中的加速度在误差允许的范围内等于当地的重力加速度，就可以验证重物
下落过程机械能是守恒的。该说法是否正确？ （选填“正确”或“错误”）。
(4)重物下落过程中的加速度大小为 （保留3位有效数字）。
【答案】(1)0.78(2)B(3)正确(4)9.63（9.58~9.65）
【详解】（1）相邻计数点之间的时间间隔
根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程平均速度，打下计数点B时，重物的速度大小
（2）A．易知，A点不是起始点，速度不为零，则不能由 验证机械能守恒，故A错误；
B．选择纸带的BE段进行验证时，B点和E点和速度均可方便计算出，由机械能守恒定律有
，式中左、右两边消去m，故B正确；
C．由于打A、F点时的速度大小不方便计算出，因此不能用 验证机械能守恒，故C
错误。故选B。
（3）当重物下落的加速度在误差允许范围内等于当地重力加速度时，则重物下落时受到的空气阻力可以
忽略不计，其机械能必然守恒，故题中说法正确。
（4）由逐差法可得，重物下落过程中的加速度大小为考向 2 数据处理与误差分析
3．某实验小组用重锤自由下落的过程来检验机械能守恒。
(1)如图甲是四位同学释放纸带瞬间的照片，你认为操作正确的是 。
(2)关于接通电源和放手让重锤运动的先后顺序，下列说法正确的是______。
A．先放手后接通电源 B．放手时同时接通电源
C．先接通电源后放手 D．以上说法都不对
(3)选出一条清晰的纸带如图乙所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，通过分析已知该点速度为零，
另选连续的三个点A、B、C。用刻度尺测得这三个点到O点间距为： ， ，
，重锤的质量为0.2kg，打点计时器工作频率为50Hz，当地的重力加速度g为 。从打
下O到打下B点，重力势能减少量等于 J，打点计时器打下B点时重锤的速度大小 m/s，重锤
动能增加量为 J。（计算结果均保留2位小数）
(4)实验发现重锤自由下落过程中获得的动能并不等于重力势能减少量，分析两者不相等的原因可能是
。（至少写出一条主要原因）。
【答案】(1)A(2)C(3) 0.38 1.92 0.37(4)见解析
【详解】（1）为充分利用纸带，重物应靠近打点计时器。为减小阻力影响，应使纸带在竖直方向上，手
抓住纸带上端。故选A。
（2）应先给打点计时器通电打点，后释放纸带，如果先释放纸带，再接通打点计时器的电源，由于重物
运动较快，无法充分利用纸带。故选C。
（3）[1]从打下O到打下B点过程中，重力势能减少量[2]打点计时器打下B点时重锤的速度大小
[3]重锤动能增加量为
（4）重锤下落过程受到空气阻力、纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力作用，做负功，使得动能增加
量小于重力势能减少量。
4．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”）。
【答案】(1)BD(2) (3)>(4)不合理
【详解】（1）A．电磁打点计时器接8V左右的交流电源，故A错误；B．为了减小空气阻力的影响，应选择质量大体积小的物体作为重物，故B正确；
C．本实验不需要用秒表测时间，但需要用刻度尺测量纸带上计数点间的距离，故C错误；
D．本实验考查机械能守恒定律，根据公式可知，质量会被约掉，故不需要测量质量，故D正确。故选
BD。
（2）[1] 从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少量 [2]B点速度为 动能增
加量
（3）根据动能定理可知，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 。
（4）从起始点开始，若机械能守恒应满足 化简可得 作出 的图像，若图像过原
点，且其斜率等于当地的重力加速度，才可判定重锤下落过程机械能守恒，因此若只满足图像过坐标原点，
并不能判定重锤下落过程中机械能守恒，因此该同学的分析不合理。
考点二 创新实验
1. 实验装置的改进：通过光电门测速度，进一步验证机械能守恒定律。
2. 实验思路的改进：通过细线拉力最大值和最小值的关系图像验证机械能守恒定律。
考向 1 实验 装置 的改进5．某同学设计出如图1所示的实验装置来验证机械能守恒定律。让小球自由下落，下落过程中小球经过光
电门1和光电门2，光电计时器记录下小球先后通过光电门的时间分别为 、 ，已知当地的重力加速
度为 。
(1)该同学先用螺旋测微器测出小球的直径 如图2所示，则其直径 mm。
(2)小球通过光电门1时的速度 （用题中所给字母表示）。
(3)保持光电门1到光电门2的高度差 不变，调整电磁铁的位置，使小球从光电门1上方不同高度处释放，
多次实验记录多组数据后，以 为纵轴，以 为横轴作出相应的图像，则该图像的斜率
。如果不考虑空气阻力，当纵截距 （用题中所给字母表示）时，就可以验证小球下落过程中机
械能守恒。
【答案】(1)8.600(2) (3) 1
【详解】（1）螺旋测微器的精确度为0.01mm，转动刻度需估读到0.1格，则小球的直径为
（2）小球通过光电门挡住光的时间极短，则其平均速度近似代替为球心过光电门的瞬时速度，有
（3）[1]小球从光电门1到光电门2做匀加速直线运动，由动能定理有
整理可得 则 为一次函数，图像的斜率为
[2]如果不考虑空气阻力,则小球的下落机械能守恒，其合外力为 ，即 则函数表达式为
故函数的纵截距为 。
6．某实验小组验证机械能守恒定律的装置如图1所示，在铁架台上端固定一轻质滑轮，一条轻质细绳跨过
滑轮悬吊两个完全相同的物块A、B，质量均为M，物块A侧面粘贴小遮光片（质量忽略不计）。在物块A下挂6个小钩码、B下挂4个小钩码，小钩码也完全相同且质量为m，光电门C、D通过连杆固定于铁架台
上，并处于同一竖直线上，光电门C、D之间的距离h＝50.0cm。两光电门与数字计时器相连（图中未画
出），可记录遮光片通过光电门的时间。初始时，通过外力干预使整个装置处于静止状态，g＝10m/s2。实
验步骤如下：
(1)用20分度的游标卡尺测量遮光片的宽度如图2所示，遮光片的宽度d＝ mm。
(2)从合适位置释放物块，计时器记录遮光片通过光电门C、D的时间分别为t＝4.30ms，t＝2.15ms。物块
1 2
A下落过程的加速度为 m／s2。（结果保留两位小数）
(3)已知当地的重力加速度为g，若要验证机械能守恒定律，需要验证的关系式为 。（用所给物理量
的符号表示）
【答案】(1)2.15(2)0.75(3)
【详解】（1）20分度的游标卡尺，精确度为0.05mm，则遮光片的宽度
（2）物块经过光电门 、 时的速度分别为 ， 物块A下落过程的加速度
（3）若机械能守恒，则满足 即 整
理得
考向 2 实验 思路 的改进
7．某实验小组的同学利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律，在铁架台上固定一角度测量仪，用一长度为L的细线拴接一小球，自然下垂时小球刚好位于光电门处。首先用游标卡尺测量了小球的直径d
（d<
