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第20 讲 实验：验证机械能守恒定律
01 考情解码· 命题预警.........................................................................................................................................1
02 体系构建 ·思维可视.........................................................................................................................................2
03 核心突破 靶向攻坚...........................................................................................................................................3
考点一 教材原型实验 ...........................................................................................................................3
知识点一 实验原理与操作........................................................................................................................3
知识点二 数据处理方法............................................................................................................................4
知识点三 误差分析....................................................................................................................................4
考向1 研究自由下落物体的机械能.........................................................................................................5
考向2 研究其他运动物体的机械能.........................................................................................................7
考点二 实验拓展与创新 .....................................................................................................................10
知识点 实验拓展与创新..........................................................................................................................10
考向1 实验器材的创新............................................................................................................................11
考向2 实验方案的创新...........................................................................................................................13
考向3 实验目的的创新...........................................................................................................................15
04 真题溯源 ·考向感知......................................................................................................................................17
考点要求
考查形式
2025 年
2024 年
2023 年
教材原型实验
选择题
实验题
实验创新
选择题
实验题
考情分析：
1．高考实验题一般立足于教材而不拘泥于教材，不回避经典，常常在教材原型实验的基础上创设新情
境，从实验目的、实验原理、实验器材、数据处理技巧等方面进行迁移拓展、创新。因此，要在掌握教材
原型实验的基础上注意迁移创新能力的培养，善于用教材原型实验的原理、器材、方法和技巧等解决新问
题。
2．从命题思路上看，试题创新为
根据实验创新方面分析，试题可使用气垫导轨、平抛运动、圆周运动、频闪照相等。
复习目标：
目标一：理解实验的原理，明确实验过程并能利用自由落体探究单物体的机械能守恒；
目标二：掌握系统机械能守恒的条件并能利用此条件解决系统机械能守恒问题；
目标三：理解创新实验的原理，并能运用相对应的公式、函数处理数据。
1
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考点一 教材原型实验
知识点一 实验原理与操作
2
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原理
装置
图
操作
要领
1．安装置：如图所示，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
2．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
3．选纸带：分两种情况说明
(1)用mv＝mghn验证时，应选点迹清晰，且第1、2 两点间距离接近2 mm 的
纸带。若第1、2 两点间的距离大于2 mm，则可能是由先释放纸带后接通电
源造成的。这样，第1 个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选。
(2)用mv－mv＝mghAB验证时，处理纸带时不必从起始点开始计算重力势能
减少量的大小，这样，纸带上打出的起始点O 后的第一个0.02 s 内的位移是
否接近2 mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了，实验打出的任何一
条纸带，只要后面的点迹清晰，就可以用来验证机械能守恒定律。
注意
事项
1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调
整到竖直方向，以减小摩擦阻力。
2．重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从
而减小实验误差。
3．实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点
计时器工作稳定后，再松开纸带。
4．测量下落高度时，为了减小测量值h 的相对误差，选取的各个计数点要
离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60～80 cm 之间。
5．不需测出物体质量，只需验证v＝ghn或v－v＝ghAB即可。
6．速度不能用vn＝gtn或vn＝计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然
守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，所以速度应从纸带
上直接测量计算。同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测
量，而不能用hn＝gt 或hn＝
算得到。
计
3
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知识点二 数据处理方法
数据
处理
方法一：利用起始点和第n 点计算。计算ghn和v，如果在
差允
的范
实验误
许
内，
围
ghn＝v，
了机械能守恒定律。
验证
则
(此方法要求所
必
点迹清晰
选纸带
须
且第1、2 两点
距离接近
间
2 mm)；
方法二：任取两点计算。
①任取两点A、B 测出hAB，算出ghAB。
②算出v－v 的
。
值
③在实验误差允许的范围内，如果ghAB＝v－v，
了机械能守恒定律
则验证
；
方法三：图像法。从纸带上选取多个点，测量从第一个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
验数据绘出v2h 图像。若在误差允许的范围内图线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。
知识点三 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ΔEp，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
各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差。
得分速记
1.实验过程中可以不测重物的质量（由于质量可以约去）；
2.重物速度的测量可通过打点计时器获得的纸带进行计算；
3. 放开纸带前应用手提住纸带处于竖直方向且重物靠近打点计时器。
考向1 研究自由下落物体的机械能
例1 （2025·浙江·二模）用如图所示的实验装置来验证机械能守恒定律。重锤从高处由静止开始落下，重
锤上拖着的纸带通过打点计时器打下一系列的点。挑出点迹清晰的一条纸带，从点迹清晰处依次标出计数
点0，1，2，……，6，纸带如图。
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(1)观察纸带，连接重锤的夹子夹在纸带的 （选填“左端”或“右端”）
(2)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的
A．速度变化量和高度变化量
B．速度变化量和势能变化量
C．动能变化量与势能变化量
(3)打点计时器接在频率为50Hz 的交流电源上，打下5 点时重锤的瞬时速度大小是 m/s（保留二
位有效数字）
(4)某同学用两个形状相同、质量不同的重锤a 和b 进行实验，记录几组数据，画出
图像，并求出图
线的斜率k，如图所示，由图像知，a 的质量 （选填“大于”或“小于”）b 的质量
(5)实验中，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，但某同学提交的结论显示，
重锤的动能增加量大于重锤的重力势能减少量，出现这一问题的原因可能是 （多选）
A．该同学修改了实验数据
B．重锤的质量测量错误
C．交流电的频率不等于50Hz
D．重锤下落受到的阻力较小
【变式训练1】（2025·安徽淮北·模拟预测）如图甲所示，一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。有一直径为
、质量为
的金属小球由A 处由静止释放，下落过程中能通过A 处正下
方、固定于B 处的光电门，测得A、B 间的距离为
（
），光电计时器记录下小球通过光电门的时
间为，当地的重力加速度为
。则：
(1)如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径
cm。
(2)多次改变高度
，重复上述实验，作出
随
的变化图像如图丙所示（误差范围内可视为过原点的倾
斜直线），重力加速度
及小球的直径
为已知量，则直线斜率k 满足以下表达式：k= 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
总是稍小于重力势能减少量
，增加下落高度后，则
将
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（选填“增大”“减小”或“不变”）。
【变式训练2】（2025·福建宁德·三模）某同学利用图甲所示装置验证机械能守恒定律。
(1)以下四种测量方案中，合理的是______
A．直接测量下落高度和下落时间，通过
算出瞬时速度
B．直接测量下落高度，通过
算出瞬时速度
C．根据纸带上某点的相邻两点间的平均速度，得到该点的瞬时速度，再由
算出高度
D．直接测量下落高度，根据纸带上某点的相邻两点间的平均速度，得到该点的瞬时速度
(2)实验中得到如图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点
、
、
，测得它们到起始点
（速度为0）的距离分别为
、
、
。已知重物质量为
，当地重力加速度为
，打点计时器打点的周
期为
。从打下
点到打下
点的过程中，重物的重力势能减少量为 ，动能增加量为 。
(3)实验发现重物重力势能的减少量通常略大于动能的增加量，关于这个误差下列说法正确的是______
A．属于偶然误差
B．属于系统误差
C．可以通过多次测量取平均值的方法来减小
D．可以通过减小空气阻力和摩擦阻力来减小
考向2 研究其他运动物体的机械能
例2 （2025·山东·模拟预测）物体沿固定光滑斜面下降时，满足机械能守恒的条件。某同学据此设计了如
图所示的实验装置用于验证机械能守恒定律。将表面打磨光滑的平板下端置于水平地面的固定挡板处，上
部架在铁架台的横杆上，横杆的位置可在竖直杆上调节，使得平板与水平地面之间的夹角
可变。现在平
板上方某位置固定一电磁铁，下端固定一光电门，实验时，先将小钢球静置于磁铁处，然后切断电磁铁电
源释放小钢球，小钢球通过光电门时的遮光时间为；然后调节横杆的位置，重复此前操作，多次进行实
验。实验时测出小钢球的直径
，当地重力加速度为
。
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(1)该同学用游标卡尺测小球直径时，示数如图所示，则
cm；
(2)为完成实验，还必须测量的物理量有（ ）
A．小球质量
B．电磁铁与小球接触点到光电门中心的距离
C．横杆到地面的高度
(3)分别以
和
为横、纵坐标建立平面直角坐标系，根据实验数据绘制的图线如图所示，若图线的斜
率为
，则
（用所测物理量的符号表示），可验证小钢球在滚下的过程中机械能守恒；
(4)引起实验误差的原因可能是（ ）
A．小球运动过程存在空气阻力
B．切断电磁铁电源后，由于磁滞现象，电磁铁没有立即消磁（还有微弱的磁性）
C．平板倾斜角度的过大
【变式训练1】（2025·河北·模拟预测）某同学采用如图所示装置验证动滑轮下方悬挂的物块A 与定滑轮
下方悬挂的物块B（带有遮光条）组成的系统机械能守恒。图中光电门安装在铁架台上且位置可调，滑轮
质量不计且滑轮凹槽中涂有润滑油，以保证细线与滑轮之间的摩擦可以忽略不计，细线始终伸直。A、B
质量相等，重力加速度为g，测得遮光条宽度为d，实验时将B 由静止释放。
(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
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(2)运动中A 与B 的速度大小之比为 ；
(3)若测得光电门的中心与遮光条释放点的竖直距离为h，遮光条通过光电门的挡光时间为t，A、B 的质量
均为m，则从释放点下落至遮光条通过光电门中心时的系统动能的增加量
，系统重力势能的
减少量
。（用题中所给物理量的字母表示）
【变式训练2】（2025·河南·模拟预测）用如图1 所示气垫导轨装置做验证机械能守恒定律的实验。
(1)如图2 所示，用游标卡尺测量遮光条的宽度
，读数为 mm。
(2)调节P、Q 使气垫导轨水平，测出钩码质量为
，带遮光条的滑块总质量为
，让滑块从
处由静止释
放运动到光电门
，光电门的挡光时间为，
、
间的距离为
，重力加速度为
，若系统符合机械能守
恒定律，测得的物理量应满足的关系式为 （用字母
、
、
、
、、
表示）。
(3)若在滑块上放置一小物块，改变
，其他操作正确，测出对应的挡光时间，作出
（选填“
”“
”或“
”）图像，根据图像斜率可求出小物块的质量。
（2025·江苏宿迁·三模）实验小组用图甲所示的装置验证机械能守恒定律。细绳跨过固定在铁架台上的小
滑轮，两端各悬挂一个质量均为M 的重锤A（含遮光条）、重锤B。主要的实验操作如下：
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①用游标卡尺测量遮光条的宽度d；
②用米尺量出光电门1、2 间的高度差h；
③在重锤A 上加上质量为m 的小钩码；
④将重锤B 压在地面上，由静止释放，记录遮光条先后经过两光电门的遮光时间t1、t2；
⑤改变光电门2 的位置，重复实验。
请回答下列问题：
(1)如图乙所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d= mm。
(2)重锤A 经过光电门2 时速度的大小为 （用题中物理量的符号表示）。
(3)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），则验证了重锤A、B 和钩
码组成的系统机械能守恒。
(4)某小组实验中发现系统增加的动能略大于系统减少的重力势能，下列原因中可能的是________。
A．存在空气阻力
B．细绳与滑轮间有摩擦力
C．遮光条宽度d 的测量值偏大
(5)实验中，忽略空气阻力，细绳与滑轮间没有相对滑动。有同学认为细绳与滑轮间的静摩擦力做功但不产
生内能，因此重锤A、B 和钩码组成的系统机械能守恒。该同学的观点 （选填“正确”或“不正
确”），理由是 。
考点二 实验拓展与创新
知识点二 实验拓展与创新
创新角度
实验装置图
创新解读
实验目的的
创新
(1)利用机械能守恒定律确定弹簧弹性势
能。
(2)由平抛运动测量球的初速度。
(3)利用平抛的水平位移s 与弹簧压缩量Δx
的图线处理数据
实验器材的
创新
(1)利用系统机械能守恒代替单个物体的机
械能守恒。
(2)利用光电门测算滑块的瞬时速度
(1)小球在重力作用下做竖直上抛运动。
(2)利用频闪照片获取实验数据
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(1)用光电门测定小球下落到B 点的速度。
(2)结合H－图线验证小球下落过程中机械
能守恒。
(3)分析实验误差ΔEp－ΔEk随H 变化的规
律
实验方案的
创新
(1)利用钢球摆动来验证机械能守恒定律。
(2)利用光电门测定摆球的瞬时速度
考向1 实验器材的创新
例1 （2025·吉林·模拟预测）某实验小组设计了一个验证机械能守恒定律的实验装置。如图所示，在竖直
木板上贴上白纸，在白纸上画上边长为L 的正方形ABCD，AD 边水平，在正方形内画水平线a、b、c、
d、e、f、g 将正方形8 等分，每一等份的高为L0，在D 点固定一个力传感器，用长为L 的细线一端系在力
传感器上，另一端系一个小球。经测量小球的质量为m，忽略小球的大小，已知重力加速度为
。
(1)关于实验器材，下列说法正确的是______
A．应选用密度小的木质小球
B．应选用密度大的钢质小球
C．应选用弹性良好的细线
D．应选用几乎没有弹性的细线
(2)分别在a、b、c、d、e、f、g 线上由静止释放小球，每次细线均拉直，L 和L0未测定，记录每次小球由
静止释放到最低点的高度
（n 为正整数且
）及小球运动过程中力传感器的最大示数
，作出
图像，如果图像是一条倾斜直线，图像与纵轴的截距等于 ，斜率等于 ，则小球运动过
程中机械能守恒得到验证。（用m、
表示）
【变式训练1】（2025·湖北·模拟预测）某实验小组假期在家中进行科学探究，通过手机拍摄下落物体的视
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频并将其分解成逐帧图片（已知该视频每秒20 帧）。该小组想利用这些图片中小球的位置信息来验证机
械能守恒定律。
(1)该小组用游标卡尺测量实心小钢球的直径，如图甲所示，其读数是 cm。
(2)不同时刻小球的位置与图乙中某一个小球位置（即图乙中A 处对应位置）之间的实际距离已算出，其中
d1=1.99cm，d2=6.40cm，d3=13.19cm，d4=22.40cm。则小球处在位置D 时的速度vD= m/s（结果
保留2 位有效数字）。
(3)若想验证机械能守恒，还需要的物理量有 。
(4)该小组用A、D 两点来验证机械能守恒，计算后发现动能的增加量总是大于重力势能的减少量，其原因
可能是 （填字母）。
A．没有测量重物的质量
B．存在空气阻力和摩擦阻力的影响
C．计算时错误地将A 点视作小球的释放点
D．利用公式
计算重物的速度大小
【变式训练2】（2025·江西鹰潭·一模）某研究小组利用DIS 实验装置验证机械能守恒定律。如图甲，内置
有光电门的重锤通过轻杆与转轴O 相连，重锤通过遮光片时可记录遮光时间。实验时，重锤从M 点由静止
释放，依次记录其通过每个遮光片所对应的时间t。用刻度尺测出每个遮光片距最低点N 的竖直高度为h，
重锤质量为m，重力加速度为g。
(1)实验前，用螺旋测微器测量遮光片的宽度d，其示数如图乙，则
。
(2)若以最低点N 为零势能面，则经过某个遮光片时，重锤的重力势能
，动能
（选用
字母m、h、d、t、g 等物理量表示）；对比通过各遮光片处重锤的机械能
是否相等，可判
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断机械能守恒与否。
(3)若某同学作出
图像如图丙，图像斜率为k，则当地的实际重力加速度可以表达为
（选
用题中字母k、m、h、d、t 等表示）。
考向2 实验方案的创新
例2（2025·湖北武汉·模拟预测）某实验小组设计实验验证机械能守恒定律，主要步骤如下：
（Ⅰ）用细线悬挂小球（最下端沿半径方向固定宽度为d 挡光片）处于静止状态，利用激光水平仪定位小
球最低点的位置；
（Ⅱ）将小球拉至某一位置，利用激光水平仪定位此时小球最低点的位置，保证细绳处于伸直状态，并测
量两次定位点间的竖直高度h；
（Ⅲ）静止释放小球，测出小球经过最低点时挡光片的挡光时间t；
（Ⅳ）重复上述Ⅱ、Ⅲ步骤，得到多组
数据；
（Ⅴ）建立
坐标系，描绘数据点，用直线拟合。
装置示意图及数据处理结果分别如图甲、乙所示，当地重力加速度为g。据此回答下列问题：
(1)用游标卡尺测量挡光片宽度如图乙所示，可得
。
(2)该实验小组多次实验后发现数据点基本在过原点的倾斜直线上，测得该直线的斜率为k，若等式
（用d、g、k 表示）近似成立，则说明误差允许范围内该过程中系统机械能守恒。
(3)通过对数据分析发现测得的多组实验数据中，小球运动至最低点时的动能总是大于减少的重力势能。最
为可能的原因是 。
【变式训练1】（2025·重庆·二模）某同学设计了如图1 所示实验装置，来验证“机械能守恒定律”。所用
实验器材有：铁架台、小圆柱体、光电门计时器、带量角器的参考背景板等。主要实验步骤如下：
①用直尺测量摆线长L（作为摆长）；用游标卡尺测量小圆柱体的直径d，结果如图2 所示。
②按图1 安装好实验器材，使小圆柱体下摆时，其中心经过固定在O 点正下方的光电门。
③用手拉住小圆柱体，使细线稍稍绷紧，记录下摆夹角
，然后打开光电门计时器，将小圆柱体由静止释
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放，记录小圆柱体第一次经过光电门的遮光时间
。
④改变小圆柱体的下摆夹角，多次重复步骤③。
⑤记录多组
、
数据，并绘制出
图像，如图3 所示。
已知小圆柱体的质量为m，当地重力加速度大小为g。回答下列问题：
(1)小圆柱体的直径
cm。
(2)小圆柱体从静止释放到经过光电门的过程中，其动能的增加量为 （用m、d、
表示）。
(3)若图3 中图线斜率与理论值 （用g、L 表示）近似相等，则成功验证了机械能守恒定律。
【变式训练2】（2025·广东汕头·三模）某同学设计实验验证机械能守恒定律，装置如图（b）所示。一个
质量为
、直径为
的小球固定于释放装置上，在小球正下方固定四个光电门，调节各光电门的中心，使
其与小球的球心均在同一竖直线上。由静止释放小球，记录小球通过每个光电门的挡光时间，重力加速度
为
。
(1)用游标卡尺测小球的直径，如图（a）所示，可得小球的直径
mm。
(2)若测得某光电门的中心与释放点的竖直距离为，小球通过此光电门的挡光时间为
，则小球从释放点
下落至此光电门中心时的动能增加量
（用题中字母表示），重力势能减小量
；
(3)根据实验数据，做出
的图像，如图（c）所示。若图中虚线的斜率
（结果保留
1 位有效数字），则可验证机械能守恒定律；
(4)经过多次重复实验，发现小球经过第三个光电门时，
总是大于
，下列原因中可能的是
___________。
A．第三个光电门的中心与释放点的竖直距离测量值偏大
B．第三个光电门的中心偏离小球下落时球心所在的竖直线
C．小球下落过程中受到空气阻力的作用
考向3 实验目的的创新
例3（2025·河南·三模）某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。他将两物块
和
用轻质细绳
连接并跨过轻质定滑轮，
下端连接纸带，纸带穿过固定的打点计时器，用天平测出
两物块的质量
从高处由静止开始下落，
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，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
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数点间还有4 个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示，已知打点计时器计时周期为
0.02s，
则：
(1)在打点
过程中系统重力势能的减小量
，（重力加速度
，结果均保
留三位有效数字）
(2)实验结果显示，动能的增加量小于重力势能的减少量，主要原因可能是___________。
A．工作电压偏高
B．存在空气阻力和摩擦阻力的影响
C．先释放重物，后接通电源打出纸带
D．利用公式
计算重物速度
(3)用表示物块
的速度，表示物块
下落的高度。若某同学作出的
图像如图丙所示，则可求出
当地的重力加速度
（结果保留三位有效数字）。
【变式训练1】（2025·河南·模拟预测）某同学查阅资料时发现弹簧弹性势能的表达式为
，其中
为弹簧的劲度系数，
为弹簧的形变量，于是设计了如图甲所示的实验装置来验证弹簧振子振动过程中
机械能守恒。将质量为
的滑块（含遮光片）放置在水平气垫导轨上，劲度系数为
的轻质弹簧一端固
定在气垫导轨上，另一端拴接滑块，打开气泵，调节光电门位置，使弹簧处于原长时，滑块上的遮光片刚
好在光电门中间。回答下列问题：
(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度
，结果如图乙所示，则游标卡尺的读数为
。
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(2)用外力使滑块压缩弹簧，当遮光片到光电门的距离为
时，弹簧的弹力大小为
，将滑块在
该位置静止释放，光电计时器记录遮光片通过光电门的遮光时间为
，则滑块经过光电门时的动能为
。（两空均用题目中给出的物理量符号表示）
(3)多次调整滑块静止释放时遮光片到光电门的距离
，并测量对应的遮光片通过光电门的遮光时间，利
用测得的实验数据描绘
图像如图丙所示，在误差允许范围内，图像的斜率大小为 ，则可以验
证弹簧振子振动过程中机械能守恒。
【变式训练2】（2025·湖南长沙·模拟预测）单摆在生活中随处可见，在物理实验中运用广泛。单摆运动可
以测量当地重力加速度g。
(1)A 组同学采用细绳、小球、机械停表、刻度尺等器材，测出了当地重力加速度大小。先正确组装单摆装
置，将小球拉开较小的偏角，松手释放小球，用机械停表测出一摆线较长的单摆的振动周期
，再把摆线
缩短适当的长度x，再测出其振动周期
，用测出的物理量表示重力加速度为
（用题目所给字
母符号表示）。
(2)B 组同学运用游标卡尺、刻度尺、细绳、小球、光电门和铁架台等器材，组成了如图所示的装置图。用
游标卡尺测得光电门宽度为d，多次将小球从①点静止释放，光电门先后放在②和③处，③为最低点。测
得小球经过两点时的遮光时间分别为
，再用刻度尺分别测得②和③点到①点的高度差为
若不
计空气阻力，下列说法正确的是______（填字母序号）。
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A．实验必须测出小球的质量m
B．选取的3 个点必须间距相等
C．因光电门的宽度限制，该小球的运动并不是严格的单摆，但实验结论仍然成立
D．光电门测定的速度是小球通过光电门的平均速度
(3)B 组同学在实验正确操作的情况下，测得当地重力加速度
（用题目所给字母符号表示）。
1．（2023·天津·高考真题）某同学利用图示的气垫导轨实验装置验证机械能守恒定律，主要实验步骤如下：
A．将桌面上的气垫导轨调至水平；
B．测出遮光条的宽度d
C．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离l
D．由静止释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间t
E．秤出托盘和砝码总质量
，滑块（含遮光条）的质量
已知当地重力加速度为g，回答以下问题（用题中所给的字母表示）
（1）遮光条通过光电门时的速度大小为 ；
（2）遮光条由静止运动至光电门的过程，系统重力势能减少了 ，遮光条经过光电门时，滑块、
托盘和砝码的总动能为 ；
（3）通过改变滑块的释放位置，测出多组、
数据﹐利用实验数据绘制
图像如图。若图中直线
的斜率近似等于 ，可认为该系统机械能守恒。
2．（2025·河南·高考真题）实验小组利用图1 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
）、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。
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(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2 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
（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3 所示的
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3 得直线的斜率
（保留3 位有效数字）。
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(4)定义单次测量的相对误差
，其中
是重锤重力势能的减小量，
是其动能增加量，
则实验相对误差为
（用字母k 和g 表示）；当地重力加速度大小取
，则
（保留2 位有效数字），若
，可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒。
3．（2025·江苏·高考真题）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
得出其通过光电门的速度v，再计算出动能增加量
。用刻度尺测得钢
球下降的高度h，计算出重力势能减少量
。
(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．①②③④
B．④②③①
C．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
，
重力加速度
。请将下表的数据补充完整。
表1
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
4.90
6.25
7.45
8.78
10.0
7.84
9.80
11.8
13.7
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(4)实验数据表明，
明显小于
，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
要是由于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下图平滑对接。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
（用m、g、H 表示）。
(5)用上图的装置，按表1 中所列部分高度h 进行实验，测得摩擦力做功大小
。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
。然后通过表1 的实验数据，计算出
AO 过程损失的机械能
。整理相关数据，见表2。
表2
4.00
5.00
6.00
7.00
2.94
3.55
4.35
4.92
0.98
1.08
1.18
1.27
上表中
与
相差明显。小明认为这是由于用
近似计算
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。
4．（2024·浙江·高考真题）在“验证机械能守恒定律”的实验中
(1)下列操作正确的是 。
A．
B．
C．
(2)实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图所示已知打点的频率为 50Hz，则打点“13”时，
重锤下落的速度大小为 m/s（保留三位有效数字）。
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(3)某同学用纸带的数据求出重力加速度g=9.77m/s2，并用此g 值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力
势能减小值为5.09m，另计算得动能增加值为5.08m（m 为重锤质量）则该结果 （选填“能”或“不
能”验证机械能守恒定律，理由是( )
A．在误差允许范围内
B．没有用当地的重力加速度g
5．（2025·湖北·高考真题）某同学利用如图（a）所示的实验装置来测量重力加速度大小g。细绳跨过固定
在铁架台上不可转动的小圆柱体，两端各悬挂一个重锤。实验步骤如下：
①用游标卡尺测量遮光片的宽度d。
②将遮光片固定在重锤1 上，用天平测量重锤1 和遮光片的总质量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 离地面足够高。用刻度尺测量
遮光片中心到光电门的竖直距离H。
④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。
⑤根据上述数据求出重力加速度g。
⑥多次改变光电门高度，重复步骤，求出g 的平均值。
回答下列问题：
(1)测量d 时，游标卡尺的示数如图（b）所示，可知 cm。
(2)重锤1 通过光电门时的速度大小为
（用遮光片d、t 表示）。若不计摩擦，g 与m、M、d、t、
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H 的关系式为 。
(3)实验发现，当M 和m 之比接近于1 时，g 的测量值明显小于真实值。主要原因是圆柱体表面不光滑，导
致跨过圆柱体的绳两端拉力不相等。理论分析表明，圆柱体与绳之间的动摩擦因数很小时，跨过圆柱体的
绳两端拉力差
，其中
是只与圆柱体表面动摩擦因数有关的常数。保持
不变，
其中
，
。
足够小时，重锤运动的加速度大小可近似表示为
。调
整两重锤的质量，测得不同β 时重锤的加速度大小a，结果如下表。根据表格数据，采用逐差法得到重力
加速度大小
（保留三位有效数字）。
β
0.04
0.06
0.08
0.10
a/（m/s2）
0.084
0.281
0.477
0.673
21
