高中物理 實驗：驗證機械能守恒定律（練習）

新教材基礎鞏固提升三級跳

第八章機械能守恒定律

8.5實驗：驗證機械能守恒定律-

基礎知識

知識點梳理：

一、實驗目的

驗證機械能守恒定律.

一、實驗原理

實驗原理圖

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相應過程動能的增加量,

若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律.

三、實驗器材

打點計時器、電源、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺(帶鐵夾)、導線兩根.

四、實驗步驟

I.安裝置：按實驗原理圖將檢查、調整好的打點計時器整直固定在鐵架臺上，接

好電路.

2.打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物匕另一端穿過打點計時器的限位孔

用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方.先接通電源，后松開紙帶，讓重物

帶著紙帶自由下落.更換紙帶重復做3次?5次實驗.

3.選紙帶：⑴用〃勵=品，來驗證，應選點跡清晰，一且1、2兩點間距離接近2mm

的紙帶.

(2)用力〃而一為〃或=〃田驗證時，只要4、4之間的點跡清晰即可選用.

五、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

六、驗證方案

方案一:利用起始點和第n點計算.代入和;或如果在實驗誤差允許的范圍內，

ghn=^則驗證了機械能守恒定律.

方案二：任取兩點計算

1.任取兩點A、8測出加工算出g/M分

2.算出;點的值.

3.如果在實驗誤差允許的范圍內，g以8=3/一小兒則驗證了機械能守恒定律.

方案三：圖象法.從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度近

并計算各點速度的平方V2,然后以斗2為縱軸，以力為橫軸，繪出上2一力圖線，若是一

條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守色定律.

七、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△￡=

%?后必定梢小「重力勢能的減少量△Ep=，，3%改進辦法是調整安裝的器材，盡可能地

減小阻力.

八、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

平面內，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.測長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應用『"4,不能用Vn=

或V?=gt來計算.

預習基礎：

一、填空題

1.如圖所示，某實驗小組在實驗室中利用水平氣墊導軌和兩個光電門計時器A和B

驗證質量為M的滑塊（含遮光條）和質量為〃?的鉤碼組成的系統機械能守恒。已知遮

光條的寬度為d，先后通過A、B光電門的時間分別為加口△〃，光電門A、B之間

驗證本系統機械能守恒的表達式為（用已知量和能直接測量的量表示）。

2.利用物體自由下落過程驗證機械能守恒定律，應從圖中選擇最合適的“重物”是

試卷第2頁，共9頁

（填“A"、"B”或“C”）。

3.用圖（a）所示裝置臉證機械能守恒定律。圖（b）是某次實驗中正確操作得到的一

張紙帶，依次測出了計時點4B、D、E、F到計時點。的距離4、k%、九、殳。已知

打點頻率為f,當地重力加速度大小為g。

（1）打A點時重錘的速度表達式巳=；打？點時重錘的速度表達式也

（2）若選取A到七的過程驗證機械能守恒定律，則需要驗證的關系式為

4.用如圖所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗。實驗中需測量重物下落的瞬時

速度。在重物拖動的紙帶上選擇三個連續的點，它們之間的距離如圖2所示，已知打

點計時器每隔0.02s打一個點，計時器在打下B點時重物的速度大小為

,m/s（保留兩位有效數字）。

7.19cm7.57cm

圖2

多次實驗后發現，重物減小的重力勢能總是稍大于增加的動能，分析產生這種誤差的

原因：O

鞏固所學

二、單選題

5.在用打點計時器記錄紙帶研究物體的自由落體運動時，為了提高實驗的準確度，下

列做法不正確的是（）

A.整個裝置應豎直

B.先用手捏住紙帶上端，然后釋放讓重錘下落

C.先放手再接通電源

D.紙帶應平行于打點計時器的限位孔

6.下列四個學生實驗中，必須要測量質量、時間和位移的是（）

A.探究小車速度隨時間變化的規律

B.探究加速度與力、質量的關系

C.驗證機械能守恒定律

D.探究平拋運動的特點

7.在“驗證機械能守恒定律''實驗中，紙帶將被釋放瞬間的四種情況如照片所示，其中

8.在做“用落體法驗證鞏械能守恒定律”的實驗時，除了鐵架臺、交流電源、刻度尺、

紙帶等實驗器材外，必需的器材還應包括（）

A.停表B.天平

C.打點計時器D.彈簧測力計

9.小華同學利用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定律。卜.列說法正確的是（)

試卷第4頁，共9頁

A.甩火花計時器應連接交流電源，工作電壓約為8V

B.實驗中應手提紙帶上端，先釋放紙帶再啟動電火花計時器

C.打出的紙帶前面一小段被損毀，用剩余部分也能驗證機械能守恒定律

D.實驗中所測重物的動能增加量通常比其重力勢能的減少量稍大

10.《驗證機械能守恒定律》的實驗中，對自由下落的重物，選擇哪一個較好（）

A.只要有足夠重就可以

B.只要體積足夠小就可以

C.應該密度大些，同時較重，還應便于夾緊紙帶，使紙帶隨同運動時不致扭曲

11.如圖所示，某實驗小組在實驗室中利用水平氣墊導軌和兩個光電門計時器A和B

驗證質量為M的滑塊（含遮光條）和質量為，〃的鉤碼組成的系統機械能守恒。已知遮

光條的寬度為d，先后通過A、B光電門的時間分別為△/1、光電門A、B之間的

距離為滑塊運動通過光電門B時，鉤碼未落地。（重力加速度為g）

氣墊、導費電始滑之遮產

用上述裝置做“探究滑塊的加速度與力的關系實驗“，若M=0.4kg。改變〃?的值，進行

多次實驗，以下機的取值合適的一個是。

A.，叫=50gB.ni2=10gC.=100gD.w4=400g

12.《用DIS研究機械能守恒定律》的實驗中，下列說法中正確的是（)

A.擺錘每次都必須從擺錘釋放器的位置以不同的速度向下運動

B.必須測定擺錘的質量

C.擺錘下落的高度可由標尺盤直接測定

D.定位擋片的作用是改變擺錘的機械能

13.如圖為“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，下列說法正確的是（）

A.釋放紙帶時，重錘應盡量遠離打點計時器

B.可以利用公式計算重物的速度

c.由于阻力，重錘重力勢能的減少量大于動能的增加量

D.交流電源的實際頻近若小于50Hz,算得的動能偏小

能力提升

三、實驗題

14.如圖I所示為“用打點計時器驗證機械能守恒定律”的實驗裝置。

試卷第6頁，共9頁

圖1

圖3

(1)實驗中得到的一條紙帶，在紙帶上選取三個連續打出的點4、8、。測得它們到

起始點。的距離分別為力4、hB、力匚重物質量用/〃表示，已知當地重力加速度為

g，打點計時器打點的周期為兀從打下。點到打下8點的過程中，重物重力勢能的減

少量△廝二，動能的增加量AE產o

(2)在實驗過程中，下列實驗操作和數據處理錯誤的是o

A.重物下落的起始位置靠近打點計時器

B.做實驗時，先接通打點計時器的電源，再釋放重物

C.為測量打點計時器打下某點時重物的速度打可測量該點到。點的距離人再根據

公式了二再計算，其中g應取當地的重力加速度

D.用刻度尺測量某點到O點的距離/?,利用公式〃?g力計算重力勢能的減少量，其中g

應取當地的重力加速度

(3)某同學在紙帶上選取計數點后，測量它們到初速度為零的起始點的距離力，并計

算出打相應計數點時重物的速度也描點并繪出v2—/?的圖像。若實驗中重物所受阻力

不可忽略，且阻力大小架持不變，從理論上分析，合理的v2—/?圖像是圖3中的

15.某實驗小組為測量小球從某一高度釋放，與某種橡膠材料碰撞導致的機械能損

失，設計了如圖（。）所示的裝置，實驗過程如下：

（1）讓小球從某一高度由靜止釋放，與水平放置的椽膠材料碰撞后豎直反彈。調節光

電門位置，使小球從光電門正上方釋放后，在下落和反彈過程中均可通過光電門；

（2）用螺旋測微器測量小球的直徑，示數如圖（。）所示，小球直徑

d-mm；

（3）測量時，應（選填或"B"，其中A為“先釋放小球，后接通數字計時

器”，B為“先接通數字計時器，后釋放小球”）。記錄小球第一次和第二次通過光電門

的遮光時間。和

（4）計算小球通過光電門的速度。已知小球的質量為〃b可得小球與橡膠材料碰撞

導致的機械能損失△￡=（用字母〃?、d、。和，2表示）；

（5）若小球與橡膠材料碰撞后，明顯未能沿圖（。）中所示虛線豎直彈起，則小球與

橡膠材料碰撞前后的時間7/i2（選填"大于小于”“相等”）。

16.小明同學利用如圖所示的實驗裝置來驗證機械能守恒定律，A為裝有擋光片的鉤

碼，總質量為M，擋光片的擋光寬度為從輕繩一端與A相連，另一端跨過光滑輕質

定滑輪與質最為〃，（〃?＜必）的重物B相連。他的做法是：先用力拉住B,保持A、B靜

止，測出從擋光片的上端到光電門的距離/?,然后由靜止釋放B,A下落過程中經過光

電門，測得擋光片的擋光時間八算出擋光片經過光電門的平均速度，將其視為A下

落/?時的瞬時速度，已知當地的重力加速度大小為g。

試卷第8頁，共9頁

（1）在A由靜止開始二落力的過程中，驗證A、B、地球所組成的系統機械能守恒的

表達式為（用題目所給物理量的符號表示）。

（2）改變/?的值多次進行實驗，測得各次擋光片的擋光時間，，以力為縱軸、提為橫

軸建立平面直角坐標系，在坐標系中作出人，圖像。若圖像斜率為___________,則

r

證明系統的機械能守恒。

（3）若利用本實驗裝置，根據上述實驗數據來測量當地的重力加速度g,則測量值總

是真實值（選填“大于”“等于”或“小于”）。

參考答案:

2A/j

【來源】江蘇省鹽城市2021-2022學年高一下學期期終考試物理試題（必修）

【詳解】實瞼需要驗證鉤碼重力勢能的減少量等于鉤碼和滑塊動能的增加量，即

1‘A"1

2Ar;2A/;

所以臉證本系統機械能守恒的表達式為

mgs=—{m+M)d2(---

2Ar;

2.A

［來源】浙江省湖州市2016-2017學年高一下學期期末調研物理試題

【詳解】驗證機械能守恒時，為了減小阻力的影響，重物選擇質量大一些的，體積，:、

一些的。

故選A。

3flh,"<3）g仇一九）=《_［（4一?2一后］

［來源］福建省福州市福清西山學校2021-2022學年高一下學期3月月考物理試題

（文科班）

【詳解】（1）口］彳點的瞬時速度等于點。到點8過程的平均速度

八2T2

［2］￡點的瞬時速度等于點。到點尸過程的平均速度

v_&-%_/也-小

（2）［3］如彳到￡的過程機械能守恒定律，則有

〃火（八一/?J=/"八，J一耳

帶入可得

g（h「hj=%~［仇一％了一hi］

上式即為需要臉證的關系式。

4.3.69m/s空氣阻力、紙帶摩擦等導致能量損失

【來源】天津市紅橋區2019-2020學年高一下學期期末考試物理試題

【詳解】［1］8點的瞬時速度等于點力到點。過程的平均速度

7.19+7.57cm

=3.69m/s

IT2x0.02s

［2］空氣阻力、紙帶摩擦等導致能量損失

答案第10頁，共7頁

5.C

【來源】江蘇省蘇州市八校2022-2023學年高一上學期10月聯合調研測試物理試題

【詳解】AD.為了減小阻力，應讓整個裝矍豎直、紙帶平行于打點計時器的限位孔，

故AD正確，不符合題意；

B.釋放紙帶前，手捏住紙帶上端并使紙帶處于豎直，從而減小紙帶與限位孔之間的摩

擦，然后釋放讓重錘下落，故B正確，不符合題意；

C.為了提高紙帶利用率，盡量多的打點，實驗時應先接通之源，再釋放重錘，讓其自

由下落，故C錯誤，符合題意。

故選C。

6.B

【來源】浙江省杭州市第四中學下沙校區2021-2022學年高一下學期期中物理試題

【詳解】A.探究小車速度隨時間變化的規律的實驗中，不需要測小車的質量，故A錯

誤；

B.探究加速度與力、質量的關系的實臉中，需要測小車的質量，需要用葉間和位移求

加速度，故B正確：

C.瞼證機械能守恒定律的實驗中，不需要測小球的質量，故C錯誤；

D.探究平拋運動的特點，不需要測小球的質量，故D錯誤，

故選B。

7.D

【來源】2023導學案必修第二冊第八章5.實臉：驗證機械能守恒定律（練）

【詳解】驗證機械能守恒定律實臉中，紙帶應該筆直的穿過打點計時器，以減小紙若

與打點計時器間的摩擦力影響，同時重物應該緊靠打點計時器。

故選D。

8.C

【來源】2022必修第二冊第八章5實驗驗證機誡能守恒定律（講）

【詳解】本實臉需要測量物體下落的高度來計算重力強能，測定速度來計算物體動能

增加量，故還需要打點計時器；打點計時器本身就是計時儀器，則不需要停表；要驗

證的關系式兩邊都有質量，可消掉，則不需要用天平測質量。也不需要彈簧測拉力

計。

故選C。

9.C

【來源】江蘇省蘇州市2021-2022學年高一下學期學業質量陽光指標調研（延期）物

答案第11頁，共7頁

理試題

【詳解】A.電火花計的器應接220V的交流電源，故A錯誤；

B.如果先放開紙帶開始運動，再接通打點計時時器的電源，由于重物運動較快，不利

于數據的采集和處理，會對實驗產生校大的誤差；同時先打點，再釋放紙帶，可以使

打點穩定，提高紙帶利用率，可以使紙帶上打滿點，故B錯誤；

C.前面的紙帶損毀，利用后面紙帶的從個相距較遠的兩點也能臉證機械能守恒律：利

用勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度，可分別求出打下這

兩點的速度，進而可求出動能的增加量，量出兩點的距離后，可以求出重力勢能的減

小量，然后兩者對比，即可臉證機械能守恒定律，故C正確；

D.重物帶動紙帶下落過程中，除了重力還受到阻力，從能量轉化的角度，由于阻力做

功，重力勢能有部分轉化給摩擦產生的內能，所以重力勢能的減小量略大于動能的增

加量，故D錯誤。

故選G

10.C

【來源】寧夏青銅峽市寧朔中學2021-2022學年高一下學期期末物理試題

【詳解】驗證機械能守恒定律的實臉中，重物應選擇密度大、體積小的較重物體，還

應便于夾緊紙帶，使紙帶隨同運動時不致扭曲，以減小空氣阻力和摩擦阻力對實險的

影響，C正確，AB錯誤。

故選C。

11.B

【來源】江蘇省鹽城市2021-2022學年高一下學期期終考試物理試題（必修）

【詳解】用上述裝置做“探究滑塊的加速度與力的關系實驗”，設繩子拉力為r,則

根據牛頓第二定律有

mg-T=ma

T=M（i

聯立可得

即只有當〃時，才能將繩子拉力7■近似等于鉤碼重力"名，B正確，ACD錯誤。

故選B。

12.C

【來源】上海奉賢區致遠高級中學2021-2022學年高一下學期期末在線教學評估物理

答案第12頁，共7頁

試題

【詳解】A.擺鋒每次都必須從擺錘釋放器的位置由靜止開始向下運動，故A錯誤：

B.在驗證機械能守恒表達式時，由于動能表達式和重力勢能表達式中均含有擺錘質量

的一次項，所以可將質量約去，不必要測定擺錘的質量，故B錯誤；

C.擺錘下落的高度可由標尺盤直接測定，故C正確；

D.在定量研究機械能守恒定律之前需要進行定性研究的實臉，實驗中用到圖中的定位

擋片，它的作用是改變擺線的長度，來觀察受到阻擋后擺錘能否擺到另外一側接近釋

放時的同一高度，故D錯誤。

故選C。

13.C

【來源】江蘇省南通市海門區2021-2022學年高一下學期期末調研物理試題

【詳解】A.為了充分利用紙帶，減少實臉誤差，釋放紙帶時，重錘應盡量靠近打點計

時器，故A錯誤；

B.求解各點的速度，運用某段時間內的平均速度等于中間時刻的瞬時速度求解，不能

根據修。計算重物的速度，因為重物下落過程受到一定的阻力作用，使得重物的實際

加速度小于g,故B錯誤；

C.由于阻力，重鋒重力勢能的減少量大于動能的增加量，故C正確：

D.交流電頻率小于50Hz時，會導致速度測量值偏大，導致算得的動能偏大，故D錯

誤。

故選C。

14.mgh—CA

B8T2

【來源】河南省鄭州外國語學校2021-2022學年高一下期期中考試物理試題

【詳解】(1)[1]從打下。點到打下8點的過程中，重物重力勢能的減少量為

A￡p-mghs

[2]做勻變速直線運動的物體在某段時間內的平均速度等于中間時刻的瞬時速度，則重

物打8點時的速度大小為

%i一生

v?=———-

B2T

動能的增加量為

1。fn(h-h.)2

AE=-mv-=——c°J

k卜288T2

(2)[3]A.為充分利用紙帶，重物下落的起始位置靠近打點計時器，A正確，不符合

題意；

答案第13頁，共7頁

B.做實臉時，先接通七點計時器的電源，再釋放重錘，B正確，不符合題意；

C.根據實驗打出的紙帶，應由勻變速直線運動的推論求出打點計時器打下某點時重錘

的速度匕不可測量該點到0點的距離力，再根據公式u=J麗計算，否則就默認了機

械能守恒，失去了臉證的意義，C錯誤，符合題意；

D.用刻度尺測量某點到0點的距離"利用公式儂力計算重力勢能的減少量，其中g

應取當地的重力加速度.D正確，不符合題意。

故選Co

(3)[4]設阻力大小為無由動能定理得

(〃名-7)〃=｝加

整理得

v2=2(^-—)/?

m

阻力，不變，m、g不變，則，與/;成正比。

故選A。

1C…°I("丫I⑺2

15.7.883B—m——ni\—

2Id2[tj

小于

【來源】山東省青島第一中學2021-2022學年高一下學期期末物理試題

【詳解】(2)[1]螺旋測微器的分度值為0.01mm,主刻度為7.5mm,可動刻度為

38.3X0.01mm=0.383mm

小球的直徑為

d=7.5"〃〃+0.383〃〃〃=7.883/WH

(3)[2]由于小球下落時間很短，為了避免測量不準確，應該先接通數字計時器，后

釋放小球。

故選Bo

(4)[3]由題意可得，小球向下、向上通過光也門的速度為

由題意可得，碰撞過程中損失的機械能為

答案第14頁，共7頁

12121d]1[d\

2?222[tj2⑷

(5)[4]由題意及上述分析可知，碰撞前小球通過光