考點25驗證機械能守恒定律

IK考情探究,

i.高考真題考點分布

題型考點考查考題統計

實驗題驗證機械能守恒定律2024年6月浙江卷

實驗題驗證機械能守恒定律2023年天津卷

實驗題驗證機械能守恒定律2022年湖北卷、河北卷

2.命題規律及備考策略

【命題規律】各地高考對驗證機械能守恒定律這個實驗的考查頻度較高，考查多在原型實驗的所用原理的

基礎之上，通過創新實驗的方式予以考查。

【備考策略】

1.掌握并會利用實驗的原理驗證機械能守恒定律，并會做出必要的誤差分析。

2.能夠在原型實驗基礎上，通過對實驗的改進或者創新，做出同類探究。

【命題預測】重點關鍵利用創新性實驗裝置或方法對機械能守恒定律的驗證。

n.考點梳理

i.實驗目的

驗證機械能守恒定律。

2.實驗原理

通過實驗，求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和對應過程動能的增加量，在實驗誤差允許

范圍內，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。

「打點匕姑

計時器一紙帶

\

夾子

f重物

n

3.實驗器材

打點計時器、交流電源、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(帶鐵夾)、導線。

4.實驗步驟

(1)安裝器材：將打點計時器固定在鐵架臺上，用導線將打點計時器與電源相連。

⑵打紙帶

用手豎直提起紙帶，使重物?？吭诖螯c計時器下方附近，先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落，打

點計時器就在紙帶上打出一系列的點，取下紙帶，換上新的紙帶重打幾條(3?5條)。

(3)選紙帶：分兩種情況說明

①若選第1點。到下落到某一點的過程，即用加來驗證，應選點跡清晰，且第1、2兩點間距離

接近2mm的紙帶(電源頻率為50Hz)?；蛘邷y量從第一點到其余各點的下落高度h,并計算各點速度的平方

峭，然后以｝2為縱軸，以力為橫軸，根據實驗數據作出圖像。若在誤差允許的范圍內圖像是一條過

原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律。

②用1辦2=加8自3驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時選擇適當的點為基準點即可。

5.實驗結論

在誤差允許的范圍內，自由落體運動過程機械能守恒。

6.誤差分析

(1)測量誤差：減小測量誤差的方法，一是測下落距離時都從。點量起，一次將各打點對應下落高度測量完,

二是多測幾次取平均值。

(2)系統誤差：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動能的增加量AEku/v/必定稍小于重力勢

能的減少量A￡p=〃?g〃"，改進辦法是調整安裝的器材，盡可能地減小阻力。

7.注意事項

(1)打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩，使其兩限位孔在同一豎直線上，以減少摩擦阻力。

(2)重物應選用質量大、體積小、密度大的材料。

(3)應先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落。

(4)測長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應用丫"=如手」，不能用荻或v〃=gf來計算。

!考點精講I

考點一教材原型實驗

考向1實驗原理與操作

典例引領

1.某物理興趣小組利用如圖1所示裝置驗證機械能金屬桿守恒定律，該小組同學讓重物帶動紙帶從靜止

開始自由下落，按正確操作得到了一條完整的紙帶如圖2所示。

~B~~C

⑴下列關于該實驗說法正確的是o

A.實驗時重錘可以用木質小球替代

B.打點計時器工作時的電壓應選擇直流6~8V

C.安裝實驗器材時，必須使打點計時器的兩個限位孔在同一豎直線上

D.實驗時應先手掌托住重錘使其緊靠打點計時器，待接通電源后，再釋放重錘

（2）在紙帶上選取三個連續打出的，點/、B、C,測得它們到起始點。點與下一點的間距接近2mm）

的距離分別為幻、小、生。已知當地重力加速度為g，打點計時器的打點周期為7。設重物質量為加。從打

。點到2點的過程中，重物的重力勢能變化量第=,動能變化量A￡k=o（用已知字母表

示）

⑶若通過計算發現，物體動能的增加量溫大于重力勢能減少量明,則原因可能是下列選項的。

A.重物受到空氣阻力的影響B.打點計時器的電壓較低

C.紙帶和打點計時器間存在摩擦D.實驗時先釋放紙帶再接通電源

即典性測

2.某實驗小組的同學利用如圖1所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。規范操作后，得到一條點跡清晰

的紙帶，如圖2所示，4B、C、D、E、尸是紙帶上選取的6個計數點，每相鄰兩個計數點間還有一個點

未畫出，用刻度尺依次測得各計數點到/點的距離分別為磯=2.34cm、hCA=6.22cm電=11.65cm、

垢=18.62cm、砧=27.11cm,已知打點計時器所接交流電源的頻率為50Hz,當地的重力加速度

g=9.80m/s2?回答下列問題：

ABCDE

⑴打下計數點2時，重物的速度大小”=m/s（結果保留兩位小數）。

（2）根據上述測量數據，為驗證重物下落過程中機械能守恒，應使用表達式驗證。（填選項前的字

母）

A-g力

=V

B.ghEB~E

,1212

c-ShFA=2Vf~:2VA

⑶有同學認為，若重物下落過程中的加速度在誤差允許的范圍內等于當地的重力加速度，就可以驗證重物

下落過程機械能是守恒的。該說法是否正確？（選填"正確"或"錯誤"）。

⑷重物下落過程中的加速度大小為m/s?（保留3位有效數字）。

典例引領

3.某實驗小組用重錘自由下落的過程來檢驗機械能守恒。

⑴如圖甲是四位同學釋放紙帶瞬間的照片，你認為操作正確的是

ABCD

甲

（2）關于接通電源和放手讓重錘運動的先后順序,下列說法正確的是o

A.先放手后接通電源B.放手時同時接通電源

C.先接通電源后放手D.以上說法都不對

⑶選出一條清晰的紙帶如圖乙所示，其中。點為打點計時器打下的第一個點，通過分析已知該點速度為

零，另選連續的三個點/、B、Co用刻度尺測得這三個點到。點間距為：CM=15.55cm,（95=19.20cm,

OC=23.23cm,重錘的質量為0.2kg,打點計時器工作頻率為50Hz,當地的重力加速度g為9.8m/s2。從

打下。到打下2點，重力勢能減少量等于J,打點計時器打下2點時重錘的速度大小m/s,重錘

動能增加量為J=（計算結果均保留2位小數）

<------->

15.55cm

<-----19.20cm-----?

<23.23cm---------------------?

乙

⑷實驗發現重錘自由下落過程中獲得的動能并不等于重力勢能減少量，分析兩者不相等的原因可能

是=（至少寫出一條主要原因）。

即

4.某同學利用如圖1所示裝置進行"驗證機械能守恒定律”的實驗：

⑴關于這一實驗，下列說法正確的是;

A.實驗使用電磁打點計時器，應接220V交流電B.選擇質量大體積小的物體作為重物

C.還必須配備的器材有秒表和刻度尺D.本實驗不需要測重物的質量

⑵實驗中，該同學先接通電源，再釋放重物，得到一條圖2所示的紙帶，其中。點為打點計時器打下的第

一個點，/、B、C為紙帶上所打的三個點，測得它們到起始點。的距離分別為％、用、自，在/和8、8

和C之間還各有一個點。己知當地重力加速度為g,打點計時器的打點周期為T,重物的質量為加，從打

。點到打8點的過程中，重物的重力勢能減少量反0=,動能增力口量AEk=；（用題目中已知字

母表示）

⑶因重物下落過程受各種阻力的影響，則該同學數據處理的結果會出現5f（選填">或

“<"）；

1,

⑷該同學進一步求出紙帶上各點的速度大小v,然后作出相應的一丁―〃圖像，畫出的圖線是一條通過坐標

2

原點的直線。該同學認為：只要圖線通過坐標原點，就可以判定重物下落過程機械能守恒，該同學的分析_

（選填"合理"或"不合理”）。

!考點精講I

考點二創新實驗

i.實驗裝置的改進：通過光電門測速度，進一步驗證機械能守恒定律。

2.實驗思路的改進：通過細線拉力最大值和最小值的關系圖像驗證機械能守恒定律。

―數據

L-J-I采集器

I計算機I

典例引領

5.某同學設計出如圖1所示的實驗裝置來驗證機械能守恒定律。讓小球自由下落，下落過程中小球經過

光電門和光電門光電計時器記錄下小球先后通過光電門的時間分別為、已知當地的重力加

12,4|Af2,

速度為g。

圖1圖2

⑴該同學先用螺旋測微器測出小球的直徑"如圖2所示，則其直徑"=mm。

⑵小球通過光電門1時的速度匕=（用題中所給字母表示）。

⑶保持光電門1到光電門2的高度差〃不變，調整電磁鐵的位置，使小球從光電門1上方不同高度處釋

11

放，多次實驗記錄多組數據后，以區了為縱軸,以為橫軸作出相應的圖像，則該圖像的斜率

k=。如果不考慮空氣阻力，當縱截距6=（用題中所給字母表示）時，就可以驗證小球下落過

程中機械能守恒。

6.某實驗小組驗證機械能守恒定律的裝置如圖1所示，在鐵架臺上端固定一輕質滑輪，一條輕質細繩跨

過滑輪懸吊兩個完全相同的物塊A、B,質量均為物塊A側面粘貼小遮光片（質量忽略不計）。在物塊

A下掛6個小鉤碼、B下掛4個小鉤碼，小鉤碼也完全相同且質量為小，光電門C、D通過連桿固定于鐵架

臺上，并處于同一豎直線上，光電門C、D之間的距離為=50Qcm。兩光電門與數字計時器相連（圖中未畫

2

出），可記錄遮光片通過光電門的時間。初始時，通過外力干預使整個裝置處于靜止狀態，g=10m/so實

驗步驟如下：

■CM2]II

c!!

IIlB

f=0J0123（cm）

DI山川],1旦1卜!|山1,11ILLhuiI

■“ih?Hii]11111illi「

，01020

uu-------------------------------------------

圖1圖2

⑴用20分度的游標卡尺測量遮光片的寬度如圖2所示，遮光片的寬度d=mm。

⑵從合適位置釋放物塊，計時器記錄遮光片通過光電門C、D的時間分別為。=4.30ms,〃=2.15ms。物塊

A下落過程的加速度為m/s2。（結果保留兩位小數）

⑶已知當地的重力加速度為g,若要驗證機械能守恒定律，需要驗證的關系式為o（用所給物理量的

符號表示）

考向2實驗思路的改進

典例引領

7.某實驗小組的同學利用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律，在鐵架臺上固定一角度測量儀，用一

長度為2的細線拴接一小球，自然下垂時小球剛好位于光電門處。首先用游標卡尺測量了小球的直徑d

（?<”）,然后將小球拉離平衡位置一個角度a,使小球由靜止釋放，記錄小球經過光電門時的擋光時間

t,多次改變角度a,并記錄每次所對應的擋光時間，已知重力加速度為g。

⑴用50分度的游標卡尺測量小球的直徑時，游標卡尺的讀數如圖乙所示，該小球的直徑仁mm；

（2）實驗時（填"需要"或"不需要"）測量小球的質量加；

⑶通過記錄的實驗數據，以cosa為橫軸，欲將圖線擬合成一條直線應以_____（填"產或"斗"）為縱

tt

軸，若該過程小球的機械能守恒，則圖線的斜率h（用題中所給字母表示）。

即時檢測

8.某同學設計出如圖甲所示的實驗裝置來驗證機械能守恒定律.用細線懸掛一個勻質小圓柱體，從細線

與水平方向成。角無初速度地釋放，下落過程中小圓柱體中心經過固定在。點正下方的光電門，光電計時

器記錄下小圓柱體通過光電門的時間加，已知當地的重力加速度大小為g。

⑴該同學先用螺旋測微器測出小圓柱體的直徑如圖乙，則直徑"=mm。

（2）為了驗證機械能守恒定律，該實驗不需要測量下列哪些物理量_________（填標號）。

A.小圓柱體的質量加B.細線與水平方向成。角

C.懸線長c和小圓柱體的高度人D.小圓柱體經過光電門的遮光時間。

（3）保持光電門的位置不變，改變釋放點，記錄多組實驗數據，作出sin。-[}[變化的圖像如圖丙所示，

如果不考慮空氣阻力，則滿足f=_______（用題中所給的物理量符號表示），就可以驗證小圓柱體下擺過

b

程中機械能守恒.

I、.好題沖關，

基礎過關

1.如圖1所示為驗證機械能守恒定律的實驗裝置。

J

⑴如圖2,釋放紙帶前的瞬間，重錘和手的位置合理的是;

⑵由于受阻力的影響，重錘增加的動能陽與減少的重力勢能多的大小關系為"k妝（選填"大

于"、"小于"或"等于"）

⑶如圖是某次實驗中打出的一條紙帶，。點是打下的第一個點，打點計時器打點的時間間隔為T,重力加

速度為g,要驗證。點到B點過程機械能是否守恒，則需要驗證等式是否成立。

2.如圖甲，小張同學做"驗證機械能守恒定律”的實驗。

修

II計打時點器一紙幣帶

\—

⑴實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到圖乙所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續打出的點/、

B、C,測得它們到起始點。的距離分別為相、hB、hC。已知當地重力加速度為g,打點計時器打點的周

期為7。設重物的質量為加。從打。點到打8點的過程中，重物的重力勢能減小量△與=,動能增

加量'Ek=o

⑵大多數學生的實驗結果顯示，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因是O

A.利用公式丫=卬計算重物速度B.利用公式"=廊計算重物速度

C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D.沒有采用多次實驗取平均值的方法

⑶小張同學繼續應用紙帶上各點到起始點。的距離〃，計算出相應點對應的速度v,以分為橫軸、3為縱

軸作出了如圖丙的圖線，當地重力加速度為g,該圖線的斜率應_______。

A.等于gB.小于2gC.等于2gD.大于2g

3.某學習小組用如圖所示的實驗裝置來驗證機械能守恒定律。實驗操作步驟如下：

①用天平測出滑塊和遮光條的質量M、鉤碼的質量加；

②調整氣墊導軌水平，按圖連接好實驗裝置，固定滑塊；

③測量遮光條中點與光電門之間距離Z及遮光條寬度d,將滑塊由靜止釋放，光電門記錄遮光條遮光時間

④改變遮光條中點與光電門之間距離￡,進行多次實驗。

////////

根據上述實驗操作過程，回答下列問題：

(1)下列關于該實驗的說法正確的是;

A.本實驗必須測量M和加的質量

B.實驗中必須保證他遠小于“

C.滑塊運動過程中速度大小等于鉤碼速度大小的一半

D.本實驗的研究對象為滑塊

(2)在調整氣墊導軌水平時，滑塊不要連接鉤碼，打開氣泵，待氣流穩定后調節氣墊導軌，直至看到導

軌上的滑塊保持靜止或者勻速運動，表示氣墊導軌已經調節水平。

(3)某同學測量得滑塊和遮光條的質量”=300.0g、鉤碼的質量a=50.0g,遮光條寬度d=0.48cm,某

次實驗中，滑塊靜止時遮光條中點與光電門的距離C=93.00cm,遮光條通過光電門過程中遮光時間

f=4.0xl0-3s,當地重力加速度g=9.8m/s2。測量過程中系統重力勢能的減少量反。=J,滑塊和

鉤碼增加的動能總和為陽=Jo(結果均保留三位有效數字)

(4)多次改變擋光條到光電門的距離，重復步驟③、④，測出多組乙和乙作出：隨工的變化圖像如圖

所示，圖線為過坐標原點的直線，圖像的斜率為左，如果在誤差允許的范圍內當地的重力加速度大小為

g=時，可以判斷鉤碼帶動滑塊運動的過程中機械能守恒。(用字母機、M、hd表示)

4.某實驗小組利用如圖甲所示的裝置完成“驗證機械能守恒定律實驗”。將氣墊導軌沿傾斜方向固定在水平

桌面上。將光電門固定在氣墊導軌上，帶有擋光條的滑塊從光電門上方由靜止釋放。

⑴實驗中測出滑塊及擋光條的總質量為〃?，擋光條的寬度為d,釋放點到光電門的豎直高度為〃，擋光條

經過光電門的擋光時間為3重力加速度為g,擋光條經過光電門時的速度大小為?；瑝K及擋光條

由釋放點運動到光電門的過程中，動能的增加量為,重力勢能的減少量為,若關系式

成立，則滑塊下滑過程中機械能守恒。（用題中所給物理量符號表示）

（2）改變肌多次實驗，并記錄滑塊每次經過光電門時的擋光時間該小組的同學利用圖像法驗證機械能守

恒定律。以〃為橫軸、以5為縱軸建立坐標系，根據實驗數據得到圖乙所示的圖線，若該圖線的斜率左=_

時，滑塊下滑過程中的機械能守恒。（用題中所給物理量符號表示）

!能力提升I

5.某實驗小組用圖1所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。在鐵架臺的橫梁上固定一拉力傳感器，彈簧

的一端與拉力傳感器相連，另一端連接帶有遮光片的小鋼球。調整光電門1、2的位置并固定在鐵架臺上48

處，使鋼球由靜止釋放后遮光片能夠無碰撞地通過兩光電門。已知彈簧處于原長時，小鋼球處在光電門1

的上方。用手向上推小鋼球到某一位置。處，后由靜止釋放小鋼球，遮光片能過光電門1、2,重力加速度

g=9.8m/s"實驗過程中彈簧均處于彈性限度內。

（1）用天平測得小鋼球和遮光片的總質量以=O」kg。

（2）用螺旋測微器測量遮光片的寬度如圖2所示，則寬度"=mmo

（3）用刻度尺測出OA之間的距離比彈簧的原長多出羽=5cm,05之間的距離比彈簧的原長多出

AX2=10cmo

（4）測得遮光片經過光電門1、2時力傳感器的讀數分別為片=0.52N、乙=1.04N,遮光片的遮光時間分別

為％、從以上數據分析可知小鋼球從光電門運動到光電門的過程中，小鋼球的動

=0.008sZ2=0.004s,12

能0（選填"增加"或"減少"）

（5）小鋼球從光電門1運動到光電門2的過程中，由于彈簧彈力與伸長量成正比，計算彈簧彈性勢能的

改變量反彈=J,小鋼球的重力勢能的改變量％=J,小鋼球動能的改變量A^=

J,由以上實驗結果表明，在誤差允許范圍內，小鋼球和彈簧組成的系統機械能守恒。（結果均保留兩位有

效數字）

6.北京市一興趣小組利用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律。裝置中M為斜槽，N為水平放置可上

下調節的擋板，白紙和復寫紙固定在豎直背板上。鋼球在斜槽中從某一位置由靜止釋放，從末端飛出后，

落到N上，擠壓復寫紙，在白紙上留下印跡。上下調節擋板N,通過多次實驗，利用描跡法描繪出鋼球的

運動軌跡。在描出的軌跡上安裝光電門1和光電門2。改變光電門2的位置，使鋼球多次釋放（鋼球均可

以無阻礙地通過兩光電門）。記錄光電門1的擋光時間/,光電門2的擋光時間多組數據），測量鋼球直

徑d作為擋光時間里鋼球的位移。

⑴關于本實驗，下列說法正確的是（填字母）。

A.必須測量鋼球的質量B.斜槽M必須光滑

C.必須將斜槽M末端調至水平D.鋼球必須從斜槽M上同一位置由靜止釋放

（2）用螺旋測微器測量鋼球的直徑力其讀數如圖乙所示，則"=mm。

⑶鋼球通過光電門1的速度（用題中給出字母表示）。

⑷測量兩光電門間的高度差肌查得當地重力加速度為g。該興趣小組根據多組實驗數據，作出〃的關

系圖像如圖丙所示，發現圖像是傾斜直線并求得圖像斜率左，若后=（用已知物理量的字母表示）；則

可驗證機械能守恒定律。

⑸興趣小組作出圖像后，發現圖像的斜率略小于理論值，原因可能是（填字母）。

A.鋼球要克服阻力做功

B.鋼球通過光電門的平均速度略小于球心經過光電門的速度

C.誤將北極重力加速度記為當地重力加速度

D.誤將赤道重力加速度記為當地重力加速度

7.某同學驗證機械能守恒定律，具體步驟如下：

（1）用細繩將質量均可不計的定滑輪和動滑輪按照圖（a）所示的方式連接，細繩的一端系在天花板上，

另一端系著重物。紙帶豎直穿過固定好的打點計時器并與重物下端相連。用手托住動滑輪與鉤碼，讓系統

圖（a）

（2）先接通電源，待打點穩定后同時釋放鉤碼和重物，打點計時器打出一系列清晰的點跡。為使重物帶

動紙帶向上運動，鉤碼的質量〃與重物的質量m