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第23 讲 实验：验证机械能守恒定律
目
录
01 课标达标练.................................................................................................1
题型01 教材原型实验：研究自由下落物体的机械能守恒..............................1
题型02 研究沿斜面下滑（光电门及气垫导轨）物体的机械能守恒.............6
题型03 其他创新方案.............................................................................................6
02 核心突破练..............................................................................................11
03 真题溯源练..............................................................................................15
01 教材原型实验：研究自由下落物体的机械能守恒
1．（2025·浙江湖州·一模）如图1 为“验证机械能守恒定律”实验装置。
(1)下列说法正确的是______（多选）
1
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A．选用点迹清晰的纸带
B．打点计时器直接使用220V 交流电源
C．打点计时器平面须处于竖直方向，且两个限位孔在同一竖直线上
D．选取起始点作为第一个计数点，可用公式
（T 为打点时间间隔，h 为第n 点距起始点的距
离）来计算打第n 点时重物的速度
(2)如图2，O、A、B、C、D、E、F 是7 个连续的打点，电源频率为50Hz。则打下O 点时，重物的速度
（选填“为零”或“不为零”）；打下E 点时重物速度为 m/s（保留2 位有效数字）。
(3)当地重力加速度
，由纸带数据分析重物重力势能的减少量
（选填“大于”、
“小于”或“等于”）
；如果是由于电源频率造成上述情况，则电源的实际频率 （选填“大
于”或“小于”）50Hz。
2．（2025·北京大兴·三模）如图所示，学生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。
(1)实验中得到如图所示的一条纸带（部分）。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
、
、
，已知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，重物的动能增加量
。
2
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(2)该同学在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O 的距离h，计算对应计数点的重物速度v，得到
如图所示的
图像，由图像可求得当地的重力加速度
（保留两位小数）。
3．（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。
(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）
3
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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
4．（2025·浙江·三模）用如图1 所示装置完成“验证机械能守恒定律”实验，查阅当地重力加速度
。
(1)在纸带上确定计数点时，选取起始点为第1 个计数点，得到的纸带如图2 所示，打下B 点时重物的速度
为 m/s（结果保留3 位有效数字）；
(2)测得重物的质量
，重物由O 点运动到C 点时重力势能的减小量为 J（结果保留2 位有效
数字），C 点可能是第 （选填“11”、“12”或“13”）个计数点；
(3)将测得的数据描绘
图像，求得图线斜率为k，下落h 时，重力势能减小量与动能增加量之间的差
值为 （结果用字母“m”、“h”、“k”、“g”表示）。
5．（2025·广东深圳·一模）某同学利用重物自由下落来做“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示。
4
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(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中，有下列器材可供选择：
A . 带夹子的铁架台 B．电磁式打点计时器 C． 低压交流电源
D．纸带 E. 带夹子的重物 F. 秒表
G. 天平 H. 刻度尺
其中不必要的器材有 （填器材前面的字母）。
(2)请指出实验装置甲中存在的明显错误： 。
(3)进行实验时，为保证测量的重物下落时初速度为零，应选______（填“A”或“B”）。
A．先接通电源，再释放纸带
B．先释放纸带，再接通电源。
(4)根据打出的纸带，选取纸带上连续打出的1、2、3、4 四个点如图乙所示。已测出点1、2、3、4 到打出
的第一点0 的距离分别为
、
、
、
，打点计时器的打点周期为
。若代入所测数据能满足表达式
，则可验证重物下落过程机械能守恒（用题目中已测出的物理量表示）。
(5)某同学作出了
图象（图丙），则由图线得到的重力加速度
（结果保留三位有效数
字）。
(6)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
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
6．（2025·吉林长春·模拟预测）利用如图（a）所示装置验证机械能守恒定律。
5
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(1)除带夹子的重物、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
的器材有______。
A．交流电源
B．刻度尺
C．天平（含砝码）
(2)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图（b）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
、
、
已知重力加速度为g，打点计时器打点周期为
T。选取O 到B 的过程进行机械能守恒定律的验证，则需要验证的关系式为 （用图中已给物理量符
号表示）。
(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，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
D．没有采用多次实验取平均值的方法
02 研究沿斜面下滑（光电门及气垫导轨）物体的机械能守恒
7．（2025·福建泉州·一模）某实验小组利用图甲装置验证系统机械能守恒定律。实验中，钩码用跨过定滑
轮的轻绳与带有遮光条的滑块连接。接通气源调节气垫导轨水平，将滑块从导轨右端由静止释放。测出滑
6
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块释放时遮光条中心到光电门中心的距离L 和遮光条通过光电门的遮光时间t。仅改变距离L，重复实验，
测得多组L 和t 的数据。已知滑块（含遮光条）的质量为M，钩码质量为m，重力加速度大小为g。
(1)用游标卡尺测量遮光条的宽度如图乙所示，其读数d= mm；
(2)本实验 （选填“需要”或“不需要”）满足
的条件；
(3)作出
图像，如图丙所示，若图线斜率k= （用题中所给物理量符号表示），则可验证系统机
械能守恒。
03 其他创新方案
8．
（2025·江苏常州·模拟预测）某实验小组利用光电门遮光时可测速度的特性来做“验证机械
能守恒定律”实验。实验装置主体如图甲所示。
(1)将宽度d=0.5cm 的黑色胶带等间隔贴在 （选填“透明塑料”或“铁质”）直尺上，相邻胶带
中心线之间的距离
。
7
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(2)图乙为某条胶带在刻度尺上的位置，该胶带右侧边缘所对应的读数为 cm。
(3)将光电门固定在铁架台上，由静止竖直释放直尺，测得第1 个和第4 个胶带通过光电门的时间分别为
和
。已知直尺质量m=0.4kg，
，则第1 个胶带经过光电门时直尺的动能为 J（保留两位有
效数字）
(4)在误差允许范围内，若关系式 （用
、d、
、
、g 表示）成立，说明直尺下落过程
中机械能守恒。
(5)为了更精确验证机械能守恒，就题中相关参数，提出一条改进措施： 。
9．（2025·湖南长沙·模拟预测）如图所示，某同学利用实验室提供的器材，自制了一个验证机械能守恒定
律的实验，他用细线的一端连接一个小钢球，另一端固定在铁架台上的
点，然后将一个半圆形状的量角
器固定在铁架台上，其圆心与悬挂点
重合，在
点正下方适当位置固定一个光电门，光电门与光电计时
器连接（图中未画出），该同学将细线拉直到水平线以下某一初始角度由静止释放，当小球摆至最低点时，
光电计时器显示其挡光的时间，重力加速度为
，则：
(1)该同学用游标卡尺测量小钢球的直径
如图所示，则游标卡尺读数是 mm。
(2)测量小钢球的直径后，要完成实验，还必须要测量下列哪些物理量___________。
8
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A．小钢球的质量
B．细线的长度
C．小钢球释放时绳子与水平方向夹角
D．小钢球经过光电门位置时的挡光时间
(3)若小钢球摆动过程中满足机械能守恒定律，则需要验证的表达式是 。（用必须测量的物理
量和已知量的字母表示）
10．（2025·广西南宁·模拟预测）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：
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)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。
(3)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
9
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(4)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 。
11．
（2025·湖南长沙·模拟预测）物理小组的同学用如下图甲所示的实验器材验证机械能守恒定
律。实验器材有：底座带有标尺的竖直杆、光电计时器，小球释放器（可使小球无初速释放）、网兜。实
验时可用光电门测量小球挡光时间t，并从竖直杆上读出小球到光电门间的距离h。
(1)使用游标卡尺测量小球的直径如下图乙所示，则小球直径为 cm。
(2)改变光电门的位置，小球经过光电门的时间为t，若不考虑空气阻力，重力加速度为g，则为验证机械能
守恒定律， （填“一定”、“不需要”）要测小球的质量m。
(3)若考虑空气阻力，根据实验数据作出
图像如上图丙所示，若图中直线斜率的绝对值为k，则空气
的阻力大小为 。（用h、m、g、k、v 等表示）
12．（2025·河南·模拟预测）某同学验证机械能守恒定律，实验装置及主要步骤如下，请完成下列问题：
（1）测量小球所带遮光片的宽度d；
（2）将轻质细弹簧上端固定于O 点，下端挂上小球后缓慢释放，待小球静止时，记下该位置，测出弹簧
的伸长量为x0，并在该位置固定好光电门，如图所示；
（3）把小球竖直向下拉至距弹簧原长2x0的位置，由静止释放，记录小球经过光电门时遮光片的遮光时间
t0，则小球经过光电门时的速度大小v= （用题中所给字母表示）；
10
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（4）保证弹簧始终处于弹性限度内，把小球依次竖直向下拉至距弹簧原长3x0、4x0…nx0处，重复（3）的
操作，记录对应的遮光时间t，若已知弹簧的弹性势能
（k 为弹簧的劲度系数，x 为弹簧的形变
量），当地的重力加速度为g，则小球从距弹簧原长3x0到x0过程中，小球和弹簧组成的系统机械能守恒定
律的式子为
（选用题中所给或测量的合适的物理量字母表示），由此可验证小球和弹簧组成的
系统机械能守恒定律， （填“还需要”或“不需要”）测量小球的质量m。
13．
（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）
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14．（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
1．
（2025·天津和平·二模）同学们在做“验证机械能守恒定律”实验时，根据实验原理，设计
了三种方案，实验装置如图所示。
12
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(1)对于这几个实验方案，分析正确的是______
A．3 个实验方案均不需要使用天平测量质量
B．方案2 中，轨道倾斜的目的是为了减小系统误差
C．方案1 中，如果通过图像处理数据，必须打出多条纸带进行测量
D．方案3 中，不要求砝码和托盘的质量远远小于滑块的质量
(2)进行方案3 的实验时，用螺旋测微器测量遮光条的宽度，其示数如图所示，则遮光条的宽度为
mm；
(3)某实验小组利用方案1 将打点计时器接到周期为T 的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，
由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O 点为纸带
上打出的第一个点。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
、
、
，若它们之间的关系满足表达式 ，则可验证此过程机械能守恒。
2．
（2025·北京海淀·二模）某小组同学用如图1 所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验。
13
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(1)实验时甲同学进行了如下操作，其中操作不当的步骤是______（选填选项前的字母）
A．对体积和形状相同的重物，选择密度大的进行实验
B．将打点计时器接到直流电源上
C．将接有重物的纸带沿竖直方向穿过打点计时器的限位孔
D．先释放纸带，再接通打点计时器电源
(2)实验得到如图2 所示的一条纸带（其中一段纸带图中未画出）。选取纸带上清晰的某点记为O，再选取
三个连续打出的点A、B、C，测出它们到O 点的距离分别为
、
、
。已知打点计时器所用电源的频率
为
，重物质量
，当地重力加速度
。由此可计算出打点计时器打下B 点时重物下
落的瞬时速度
。从打下O 点到打下B 点的过程中，重物的重力势能减少量为 J。（结
果保留两位有效数字）
(3)乙同学的实验结果显示，重物的重力势能减少量总是小于其动能增加量，最可能的原因是______。（选
填选项前的字母）
A．存在空气阻力和摩擦阻力的影响
B．将打下O 点时重物的速度记为0
14
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C．没有采用多次实验取平均值的方法
(4)丙同学设计了另一种“验证机械能守恒定律”的实验方案，如图3 所示。他在一个较粗的矿泉水桶侧面
开一个小孔，将一细管插入小孔处，水能够从细管中水平射出。该同学仅选用刻度尺作为测量工具，验证
桶中液面下降过程中水的机械能守恒。写出需测量的物理量及其应满足的关系。（用所需测量的物理量表
示）
3．
（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
。
(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
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(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
1．（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）。
(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
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“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
2．（2025·江西·高考真题）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
。
(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
，光电门1、2 相距L。将宽度
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
和
。移动光电门2 的
位置改变L，重复实验，所测数据见下表。
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…
滑块经过光电门1、2 的速度分别为
和
。当
时，
，滑块通过两光电门下降的高度
。（结果保留2 位小数）
(3)处理上表数据，并绘制
关系曲线（其中
），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： ，并给出理由： 。
3．（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。
18
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4．（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。
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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
(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？
20
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请根据表2 数据简要说明理由。
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