高考物理一轮复习第五章机械能微专题46实验：验证机械能守恒定律备考精炼

实验六 验证机械能守恒定律1．实验目的验证机械能守恒定律． 2．实验原理(如图1所示)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．图13．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)纸带．(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 ＝12mv 2来验证，应选点迹清晰，且第1、2两点间距离接近2mm 的纸带(电源频率为50Hz)．②用12mv B 2－12mv A 2＝mg Δh 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． 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． 1．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0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 k ＝12mv n 2必定稍小于重力势能的减少量ΔE p ＝mgh n ，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力．2．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 n ＝h n ＋1－h n －12T，不能用v n ＝2gh n 或v n＝gt 来计算． 3．验证方案方案一：利用起始点和第n 点计算代入mgh n 和12mv n 2，如果在实验误差允许的范围内，mgh n 和12mv n 2相等，则验证了机械能守恒定律．方案二：任取两点计算(1)任取两点A 、B ，测出h AB ，算出mgh AB . (2)算出12mv B 2－12mv A 2的值．(3)在实验误差允许的范围内，若mgh AB ＝12mv B 2－12mv A 2，则验证了机械能守恒定律．方案三：图像法从纸带上选取多个点，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v 2，然后以12v 2为纵轴，以h 为横轴，根据实验数据作出12v 2－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．命题点一 教材原型实验例1 (2018·广东省湛江市第二次模拟)如图2所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律．该装置中的打点计时器所接交流电源频率是50Hz.图2(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是________． A ．精确测量出重物的质量 B ．两限位孔在同一竖直线上C ．重物选用质量和密度较大的金属锤D ．释放重物前，重物离打点计时器下端远些(2)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3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．图3①重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________． A ．OA 、OB 和OG 的长度 B ．OE 、DE 和EF 的长度 C ．BD 、BF 和EG 的长度 D ．AC 、BF 和EG 的长度②用刻度尺测得图中AB 的距离是1.76cm ，FG 的距离是3.71cm ，则可得当地的重力加速度是________m/s 2.(计算结果保留三位有效数字) 答案 (1)BC (2)①BD ②9.75解析 (1)因为在实验中比较的是mgh 、12mv 2的大小关系，故m 可约去，不需要测量重物的质量，对减小实验误差没有影响，故A 错误．为了减小纸带与限位孔之间的摩擦，实验装置中两限位孔必须在同一竖直线上，从而减小实验误差，故B 正确．实验供选择的重物应该选相对质量较大、体积较小的物体，这样能减少摩擦阻力的影响，从而减小实验误差，故C 正确．释放重物前，为更有效地利用纸带，重物离打点计时器下端近些，故D 错误． (2)①当知道OA 、OB 和OG 的长度时，无法算出任何一点的速度，故A 不符合题意；当知道OE 、DE 和EF 的长度时，利用DE 和EF 的长度可以求出E 点的速度，从而求出O 点到E 点的动能变化量，知道OE 的长度，可以求出O 点到E 点重力势能的变化量，可以验证机械能守恒，故B 符合题意；当知道BD 、BF 和EG 的长度时，由BD 、BF 的长度可以求出E 点的速度，但无法求出G 点的速度，故无法求出E 点到G 点的动能变化量，故C 不符合题意；当知道AC 、BF 和EG 的长度时，可以分别求出B 点和F 点的速度，从而求B 到F 点的动能变化量，知道BF 的长度，可以求出B 点到F 点重力势能的变化量，可以验证机械能守恒，故D 符合题意．②根据Δh ＝gt 2，解得g ＝FG －AB 5T 2＝3.71－1.765×0.022×10－2m/s 2＝9.75 m/s 2. 变式1 某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律，频闪仪每隔0.05s 闪光一次，如图4所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表．(当地重力加速度取9.8m/s 2，小球质量m ＝0.2kg ，结果保留3位有效数字)图4时刻 t 2t 3t 4t 5速度(m·s －1)4.994.483.98(1)由频闪照片上的数据计算t 5时刻小球的速度v 5＝________m/s ；(2)从t 2到t 5时间内，重力势能的增加量ΔE p ＝____J ，动能的减少量ΔE k ＝________J ； (3)在误差允许的范围内，若ΔE p 与ΔE k 近似相等，即验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔE p ________(选填“>”“<”或“＝”)ΔE k ，造成这种结果的主要原因是_________________________________________________________________________________. 答案 (1)3.48 (2)1.24 1.28 (3)< 存在空气阻力 解析 (1)v 5＝16.14＋18.662×0.05×10－2m/s ＝3.48 m/s.(2)重力势能的增加量ΔE p ≈mg Δh ，代入数据可得ΔE p ≈1.24J，动能减少量为ΔE k ≈12mv 22－12mv 52，代入数据可得ΔE k ≈1.28J. (3)由计算可得ΔE p <ΔE k ，主要是由于存在空气阻力．命题点二 实验创新类型1 实验装置的创新例2 (2018·广东省东莞市上学期期末质检)某同学利用如图5甲所示的气垫导轨装置验证系统机械能守恒，在气垫导轨上安装了两个光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连．图5(1)用10分度游标卡尺测量遮光条宽度d 如图乙所示，遮光条宽度d ＝________mm. (2)实验时要调整气垫导轨水平，不挂钩码和细线，接通气源，轻推滑块从轨道右端向左运动的过程中，发现遮光条通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间．以下能够达到调整气垫导轨水平的措施是________(选填相应选项前的符号) A ．调节旋钮P 使轨道左端升高一些 B ．遮光条的宽度增大一些 C ．滑块的质量增大一些D ．气源的供气量增大一些(3)调整气垫导轨水平后，挂上细线和钩码进行实验，测出光电门1、2间的距离L .遮光条的宽度d ，滑块和遮光条的总质量M ，钩码质量m .由数字计时器读出遮光条通过光电门1、2的时间t 1、t 2，则遮光条通过光电门1时的瞬时速度的表达式v 1＝________；验证系统机械能守恒定律成立的表达式是________(用题中的字母表示，当地重力加速度为g )． 答案 (1)3.8 (2)A(3)d t 1 mgL ＝12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 12－12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 22解析 (1)游标卡尺读数为3mm ＋8×0.1mm＝3.8mm.(2)遮光条通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间．滑块做加速运动，也就是左端低，右端高．能够达到调整气垫导轨水平的措施是调节旋钮P 使轨道左端升高一些，故答案是A.(3)遮光条通过光电门1时的瞬时速度的表达式v 1＝dt 1，遮光条通过光电门2时的瞬时速度的表达式v 2＝d t 2，滑块从光电门2运动到光电门1的过程中，滑块和遮光条及钩码整体动能的增加量是12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 12－12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 22滑块从光电门2运动到光电1的过程中，钩码重力势能的减少量是mgL 验证系统机械能守恒定律成立的表达式是mgL ＝12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 12－12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 22.类型2 实验方案的创新例3 利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图6甲所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A 点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M ，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳和一质量为m 的小球相连；遮光片两条长边与导轨垂直，导轨上B 点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t ，用d 表示A 点到光电门B 处的距离，b 表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B 点时的瞬时速度，实验时滑块在A 处由静止开始运动．图6(1)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g 表示，滑块从A 处到达B 处时m 和M 组成的系统动能增加量可表示为ΔE k ＝_________，系统的重力势能减少量可表示为ΔE p ＝________，在误差允许的范围内，若ΔE k ＝ΔE p ，则可认为系统的机械能守恒．(用题中字母表示)(2)在上述实验中，某同学改变A 、B 间的距离，作出的v 2－d 图像如图乙所示，并测得M ＝m ，则重力加速度g ＝________m/s 2.答案 (1)M ＋m b 22t 2(m －M 2)gd (2)9.6 解析 (1)系统动能增加量可表示为ΔE k ＝12(M ＋m )v B 2＝M ＋m b 22t 2，系统的重力势能减少量可表示为ΔE p ＝mgd －Mgd sin30°＝(m －M2)gd . (2)根据机械能守恒可得(m －M2)gd ＝12(M ＋m )v 2，即g ＝2v 2d ，代入数据得g ＝9.6m/s 2.变式2 用如图7甲所示的实验装置验证m 1、m 2组成的系统机械能守恒．m 2从高处由静止开始下落，m 1上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．如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，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，所用电源的频率为50Hz.已知m 1＝50g 、m 2＝150g ．则：(结果均保留两位有效数字)图7(1)在纸带上打下计数点5时的速度v 5＝________m/s ；(2)在打下0点到打下计数点5的过程中系统动能的增加量ΔE k ＝________J ，系统重力势能的减少量ΔE p ＝________J ；(当地的重力加速度g 取10m/s 2)(3)若某同学作出12v 2－h 图像如图丙所示，则当地的重力加速度g ＝________m/s 2.答案 (1)2.4 (2)0.58 0.60 (3)9.7解析 (1)v 5＝21.60＋26.40×10－20.1×2m/s ＝2.4 m/s.(2)ΔE k ＝12(m 1＋m 2)v 52－0≈0.58J，ΔE p ＝m 2gh 5－m 1gh 5＝0.60J.(3)由(m 2－m 1)gh ＝12(m 1＋m 2)v 2，知v 22＝m 2－m 1gh m 1＋m 2，即图线的斜率k ＝m 2－m 1g m 1＋m 2＝5.821.20m/s 2，解得g ＝9.7m/s 2.命题点三 实验拓展——探究弹簧的弹性势能例4 (2018·河南省洛阳市上学期期中)某实验小组利用如图8甲所示的实验装置，探究轻质弹簧的弹性势能与形变量的关系，光滑水平桌面距地面高为h ，一轻质弹簧左端固定，右端与质量为m 的小钢球接触，弹簧处于原长时，将小球向左推，压缩弹簧一段距离后由静止释放，在弹簧弹力的作用下，小球从桌子边缘水平飞出，小球落到位于水平地面的复写纸上，从而在复写纸下方的白纸P 点留下痕迹．(已知重力加速度为g )图8(1)实验测得小球的落点P 到O 点的距离为l ，那么由理论分析得到小球释放前压缩弹簧的弹性势能E p 与h 、l 、mg 之间的关系式为________________；(2)改变弹簧压缩量进行多次实验，测量数据如下表所示，请在图乙坐标纸上作出x －l 图像.p x 之间的关系式为________．答案 (1)E p ＝mgl 24h(2)见解析图(3)x ＝0.04l E p ＝625mgx24h解析 (1)小球从桌子边缘水平飞出，做平抛运动，有h ＝12gt 2，l ＝v 0t ；将小球向左推压缩弹簧，由机械能守恒可得E p ＝12mv 02，联立得E p ＝mgl 24h；(2)根据给出的数据利用描点法可得出对应的图像如图所示(3)由图像得出x 与l 的关系式为x ＝0.04l ，由实验得到弹簧弹性势能E p 与弹簧压缩量x 之间的关系式为E p ＝mgl 24h ＝625mgx 24h.。

验证机械能守恒定律一、实验目的验证机械能守恒定律。

二、实验器材铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源(交流4～6 V)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)。

突破点(一) 实验原理与操作[例1] 在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz ，依次打出的点为0,1,2,3,4，…，n 。

则：(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为____________、____________、____________，必须计算出的物理量为____________、____________，验证的表达式为____________________。

(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是______(填写步骤前面的字母)。

A ．将打点计时器竖直安装在铁架台上B ．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C ．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D ．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带E ．选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落的高度h 1，h 2，h 3，…，h n ，计算出对应的瞬时速度v 1，v 2，v 3，…，v nF ．分别算出12mv n 2和mgh n ，在实验误差允许的范围内看是否相等 [答案] (1)第2点到第6点之间的距离h 26第1点到第3点之间的距离h 13 第5点到第7点之间的距离h 57第2点的瞬时速度v 2 第6点的瞬时速度v 6mgh 26＝12mv 62－12mv 22 (2)ADBCEF[由题引知·要点谨记]1.实验原理的理解[对应第1题] 1两种验证方法①利用起始点和第n 点计算。

代入gh n 和12v n 2，如果在实验误差允许的条件下，gh n ＝12v n 2，则能验证机械能守恒定律。

②任取两点计算A 、B ，测出h AB ，算出gh AB 。

b.算出12v B 2－12v A 2的值。

实验六 验证机械能守恒定律[学生用书P106]一、实验目的 验证机械能守恒定律． 二、实验原理通过实验，求出做自由落体运动物体重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律．三、实验器材打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物(带夹子)、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线． 四、实验步骤1．安装置：按实验原理图将检查、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(1)用mgh ＝12m v 2来验证，应选点迹清晰且1、2两点间距离小于或接近2 mm 的纸带.(2)用12m v 2B －12m v 2A ＝mg Δh 验证时，只要A 、B 之间的点迹清晰即可选用．五、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． 六、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0点量起，用刻度尺一次将所打各点对应的下落高度测量完，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 k ＝12m v 2n必定稍小于重力势能的减少量ΔE p ＝mgh n ，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力.七、注意事项1．安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减少摩擦阻力． 2．应选用质量大、体积小、密度大的重物．3．应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落．4．测重物下落的高度h 应用刻度尺直接测量，计算某时刻的瞬时速度时应用v n ＝h n ＋1－h n －12T，不能用v n ＝2gh n 或v n ＝gt 来计算.实验原理和实验操作[学生用书P107]【典题例析】(2017·高考天津卷)如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律．(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是________． A ．重物选用质量和密度较大的金属锤 B ．两限位孔在同一竖直面内上下对正 C ．精确测量出重物的质量D ．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz 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．重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________．A ．OA 、AD 和EG 的长度B ．OC 、BC 和CD 的长度 C ．BD 、CF 和EG 的长度D ．AC 、BD 和EG 的长度[解析] (1)选用质量和密度较大的金属锤、限位孔对正都可以降低摩擦阻力对实验结果造成的误差，A 、B 正确；动能与重力势能表达式中都含有质量m ，可以约去，故不需要测量出质量m 的具体数值，C 错误；重物下落之前应该用手拉住纸带上端而不是用手托住重物，D 错误．(2)测出BC 和CD 的长度就可以计算出打下C 点时的速度v C ，再测出OC 的长度，就可验证mgh OC ＝12m v 2C 是否成立，所以B 正确；测出BD 、EG 的长度可计算出打下C 、F 两点时的速度v C 和v F ，再测出CF 的长度，就可验证mgh CF ＝12m v 2F －12m v 2C 是否成立，所以C 正确．[答案] (1)AB (2)BC(2020·湖北荆门龙泉中学联考)如图甲所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平．回答下列问题．(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材是________． A ．刻度尺 B ．停表 C ．多用电表D ．交流电源(2)下面列举了该实验的几个操作步骤，其中操作不当的步骤是________. A ．用天平测出重锤的质量 B ．按照图示的装置安装器件 C ．先释放纸带，后接通电源 D ．测量纸带上某些点间的距离(3)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a 的数值．根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A 、B 、C 、D 、E ，测出各点之间的距离如图乙所示．使用的交流电的频率为f ，则计算重锤下落的加速度的表达式为a ＝________(用x 1、x 2、x 3、x 4及f 表示).解析：(1)为完成此实验，除了所给的器材外，测量需要刻度尺，打点计时器需要用交流电源．(2)该实验不需要测量重锤的质量；应先接通电源，后释放纸带．故选A 、C. (3)由Δx ＝aT 2得：a ＝x 3＋x 4－x 1－x 24T 2＝（x 3＋x 4－x 1－x 2）f 24.答案：(1)AD (2)AC (3)（x 3＋x 4－x 1－x 2）f 24数据处理和误差分析[学生用书P108]【典题例析】利用图1图1装置做“验证机械能守恒定律”实验．(1)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 ．动能变化量与势能变化量 B ．速度变化量与势能变化量 C ．速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________．A ．交流电源B ．刻度尺C ．天平(含砝码)(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图2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h A 、h B 、h C .已知当地重力加速度为g ，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，重物的重力势能变化量ΔE p ＝__________，动能变化量ΔE k ＝________．图2(4)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v ＝2gh 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(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：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 ，描绘v 2－h 图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒．请你分析论证该同学的判断依据是否正确．[解析] (1)只需要比较重物下落过程中，任意两点间的动能变化量与势能变化量是否相等，即可验证机械能是否守恒，故选A.(2)打点计时器需要接交流电源，故选A ；还需要用刻度尺测量重物下落的高度，故还要选B.(3)从打O 点到打B 点的过程中，重物的重力势能减少mgh B ，变化量为－mgh B ；打B 点的速度v B ＝h C －h A 2T ，动能E k ＝m v 2B 2，联立解得E k ＝12m ⎝ ⎛⎭⎪⎫h C －h A 2T 2，故动能变化量ΔE k ＝E k－0＝12m ⎝ ⎛⎭⎪⎫h C －h A 2T 2.(4)由于存在空气阻力和摩擦阻力的影响，导致重力势能的减少量大于动能的增加量，产生系统误差，多次实验取平均值无法消除系统误差，故选项C 对．(5)在重物下落h 的过程中，若阻力f 恒定，由动能定理得，mgh －fh ＝m v 22，解得v 2＝2⎝⎛⎭⎫g －fm h ，故v 2－h 图象是一条过原点的直线，但还要看图线的斜率是否在误差允许的范围内接近2g ，才能用该法验证机械能守恒定律．[答案] (1)A (2)AB (3)－mgh B 12m ⎝⎛⎭⎫h C －h A 2T 2(4)C (5)该同学的判断依据不正确．在重物下落h 的过程中，若阻力f 恒定，根据动能定理得，mgh －fh ＝12m v 2－0得，v 2＝2⎝⎛⎭⎫g －f m h 可知．v 2－h 图象就是过原点的一条直线．要想通过v 2－h 图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g .(2020·海南儋州四校联考)在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m ＝1.00 kg 的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示．O 为第一个点，A 、B 、C 为从合适位置开始选取连续点中的三个点．已知打点计时器每隔0.02 s 打一个点，当地的重力加速度为g ＝9.80 m/s 2，那么：(1)根据图上所得的数据，应取图中O 点到________点来验证机械能守恒定律． (2)从O 点到(1)问中所取的点，重物重力势能的减少量ΔE p ＝________J ，动能增加量ΔE k＝________J；请简述两者不完全相等的原因________________________________________．(结果取3位有效数字)(3)若测出纸带上所有各点到O 点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v 及物体下落的高度h ，则以v 22为纵轴，以h 为横轴画出的图象是图中的________．解析：(1)根据题图上所得的数据，应取图中O 点和B 点来验证机械能守恒定律，因为B 点的瞬时速度比较方便计算．(2)减少的重力势能ΔE p ＝mgh ＝1×9.8×19.2×10－2 J ＝1.88 J ， 利用匀变速直线运动的推论 v B ＝x AC 2T ＝0.232 3－0.155 50.04m/s ＝1.92 m/s E k B ＝12m v 2B ＝1.84 JΔE k ＝E k B －0＝1.84 J动能的增加量小于重力势能的减少量的原因主要是重物下落时受到空气阻力和打点针与纸带间的阻力作用，一部分重力势能转化为内能．(3)根据mgh ＝12m v 2，得v 22＝gh ，即v 22与h 成正比，故A 正确．答案：(1)B (2)1.88 1.84 重物下落时受到空气阻力和纸带与打点计时器间的阻力作用 (3)A创新实验[学生用书P108]创新角度实验装置图创新解读实验原理的创新(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)利用平抛位移s －弹簧压缩量Δx 图线处理数据(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实验器材的创新(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创新 角度实验装置图创新解读实验过程的创新(1)用光电门测定小球下落到B 点的速度(2)结合1t 2－H 图线判断小球下落过程中机械能守恒(3)分析实验误差ΔE p －ΔE k 随H 变化的规律(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利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示：(1)实验步骤：①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；②用游标卡尺测量挡光条的宽度l＝9.30 mm；③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝__________ cm；④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式：①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝__________和v2＝__________．②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为E k1＝__________和E k2＝__________．③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔE p＝__________(重力加速度为g)．(3)如果ΔE p＝__________，则可认为验证了机械能守恒定律.[解析](1)由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝80.30 cm－20.30 cm＝60.00 cm.(2)(3)由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度看作瞬时速度，挡光条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间Δt可从数字计时器读出，因此，滑块通过光电门的瞬时速度为lΔt，则通过光电门1时瞬时速度为lΔt1，通过光电门2时瞬时速度为lΔt2.由于质量事先已用天平测出，由公式E k＝12m v2可得：系统通过光电门1时动能E k1＝12(M＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫l Δt 12，系统通过光电门2时动能E k2＝12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫l Δt 22.末动能减初动能可得动能的增加量．两光电门中心之间的距离s 即砝码和托盘下落的高度，系统势能的减小量ΔE p ＝mgs ，最后对比E k2－E k1与ΔE p 数值大小，若在误差允许的范围内相等，则验证了机械能守恒定律．[答案] (1)③60.00(59.96～60.04) (2)①l Δt 1 l Δt 2 ②12(M ＋m )⎝⎛⎭⎫l Δt 1212(M ＋m )⎝⎛⎭⎫l Δt 22 ③mgs (3)E k2－E k1某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律，实验的简易示意图如下，当有不透光的物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．所用的光电门传感器可测得最短时间为0.01 ms.将挡光效果好、宽度为d ＝3.8×10－3 m 的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门．某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间Δt i 与图中所示的高度差Δh i ，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示．(取g ＝9.8 m/s 2，注：表格中M 为直尺质量)Δt i (10－3s) v i ＝d Δt i (m ·s －1) ΔE k i ＝12M v 2i －12M v 21 Δh i (m) Mg Δh i 1 1.21 3.14 2 1.15 3.30 0.52M 0.06 0.59M 3 1.00 3.80 2.24M 0.23 2.25M 4 0.95 4.00 3.10M 0.32 3.14M 50.904.00M0.41(1)从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用v i ＝dΔt i求出的，请你简要分析该同学这样做的理由是：_________________________________________.(2)请将表格中数据填写完整．(3)通过实验得出的结论是__________________________________________． (4)根据该实验请你判断下列ΔE k －Δh 图象中正确的是________．解析：(2)v ＝d Δt ＝3.8×10－30.90×10－3m/s ≈4.22 m/s ，Mg Δh ＝9.8×0.41M ≈4.02M .(3)从表中数据可知，在误差范围内，动能的增加量与重力势能的减少量相等． (4)由于ΔE k ＝Mg Δh ，则动能的变化与高度差成正比，C 正确． 答案：(1)极短时间内的平均速度近似等于瞬时速度 (2)4.22 4.02M(3)在误差范围内重力势能的减少量等于动能的增加量 (4)C[学生用书P110]1．在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz ，依次打出的点为0，1，2，3，4…n .则：(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为____________________、__________________________、____________________，必须计算出的物理量为____________________、____________________，验证的表达式为____________________________．(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是__________(填写步骤前面的字母)． A ．将打点计时器竖直安装在铁架台上 B ．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C ．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D ．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带E ．选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落的高度h 1，h 2，h 3…h n ，计算出对应的瞬时速度v 1，v 2，v 3…v nF ．分别算出12m v 2n和mgh n ，在实验误差范围内看是否相等解析：(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h 26，要计算第2点和第6点的速度v 2和v 6，必须测出第1点到第3点之间的距离h 13和第5点到第7点之间的距离h 57，机械能守恒的表达式为mgh 26＝12m v 26－12m v 22. (2)实验操作顺序为ADBCEF.答案：(1)第2点到第6点之间的距离h 26第1点到第3点之间的距离h 13第5点到第7点之间的距离h 57第2点的瞬时速度v 2 第6点的瞬时速度v 6mgh 26＝12m v 26－12m v 22 (2)ADBCEF 2．(2020·河北邯郸摸底)某同学安装如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．(1)此实验中，应当是让重物做__________运动，________(填“需要”或“不需要”)测出重物的质量．(2)打点计时器所用交流电的频率为50 Hz ，该同学选取如图乙所示的一段纸带，对BD 段进行研究．求得B 点对应的速度v B ＝________m/s(保留2位有效数字)，若再求得D 点对应的速度为v D ，测出重物下落的高度为h BD ，则还应计算________与______大小是否相等(填字母表达式)．(3)但该同学在上述实验过程中存在明显的问题．安装实验装置时存在的问题是________________________________________________________________________；研究纸带时存在的问题是___________________________________________，实验误差可能较大．解析：(1)由实验原理知，应让重物在松开手后做自由落体运动；根据机械能守恒，mg Δh ＝12m (v 22－v 21)，整理后，得g Δh ＝12(v 22－v 21)，所以不需要测量质量． (2)B 点速度等于 AC 段的平均速度，v B ＝AC 2T ≈0.19 m/s ；根据实验原理知，还应计算12(v 2D－v 2B )与gh BD ，看两者大小是否相等．(3)重物距离桌面太近，会落到桌面上；B 、D 时间间隔太短，实验误差较大．答案：(1)自由落体 不需要 (2)0.19 12(v 2D －v 2B) gh BD (3)重物会落在桌面上(或“纸带打点过短”等与此类似的答案) B 、D 两点时间间隔过短3.(2020·山东德州模拟)某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律，频闪仪每隔0.05 s 闪光一次，如图所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表．(当地重力加速度取9.8 m/s 2，小球质量m ＝0.4 kg ，结果保留3位有效数字)时刻t 2 t 3 t 4 t 5 速度(m/s) 4.99 4.48 3.98(1)55(2)从t 2到t 5时间内，重力势能增量ΔE p ＝__________ J ，动能减少量ΔE k ＝________ J.(3)在误差允许的范围内，若ΔE p 与ΔE k 近似相等，即可验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔE p ________ΔE k (选填“>”“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是________________________________________________________________________. 解析：(1)根据在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，可得v 5＝16.14＋18.662×0.05×10－2 m/s ＝3.48 m/s. (2)重力势能的增量ΔE p ＝mg Δh ，代入数据可得ΔE p ≈2.49 J ，动能减少量为ΔE k ＝12m v 22－12m v 25，代入数据可得ΔE k ≈2.56 J. (3)由计算可得ΔE p <ΔE k ，主要是由于存在空气阻力．答案：(1)3.48 (2)2.49 2.56(3)< 存在空气阻力4．某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz 、30 Hz 和40 Hz.打出纸带的一部分如图(b)所示．该同学在实验中没有记录交流电的频率f ，需要用实验数据和其他题给条件进行推算．(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f 和图(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B 点时，重物下落的速度大小为____________，打出C 点时重物下落的速度大小为____________，重物下落的加速度大小为____________．(2)已测得s 1＝8.89 cm ，s 2＝9.50 cm ，s 3＝10.10 cm ；当地重力加速度大小为9.80 m/s 2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f 为________Hz.解析：(1)利用做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，可得打点计时器打出B 点时重物下落的速度v B ＝s 1＋s 22T ＝（s 1＋s 2）f 2；打出C 点时重物下落的速度v C ＝s 2＋s 32T ＝（s 2＋s 3）f 2.根据加速度的定义，重物下落的加速度大小为a ＝v C －v B T ＝(v C －v B )f ＝（s 3－s 1）f 22. (2)根据题述，重物下落受到的阻力为0.01mg ，由牛顿第二定律得，mg －0.01mg ＝ma ，解得a ＝0.99g .由（s 3－s 1）f 22＝0.99g ，解得f ＝40 Hz. 答案：(1)（s 1＋s 2）f 2 （s 2＋s 3）f 2 （s 3－s 1）f 22(2)40。

高考物理《实验：验证机械能守恒定律》真题练习含答案1.利用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验．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动能变化量与势能变化量．(1)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带．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h A 、h B 、h C .已知当地重力加速度为g ，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，重物的重力势能变化量ΔE p ＝________，动能变化量ΔE k ＝________．(2)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v ＝2gh 计算重物速度C ．空气阻力和摩擦力的影响D ．没有采用多次实验取平均值的方法(3)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，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 ，描绘v 2­h 图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，图像斜率满足k ＝________，则重物下落过程中机械能守恒．答案：(1)mgh B m （h C －h A ）28T 2(2)C (3)2g 解析：(1)从打O 点到打B 点的过程中，重物的重力势能减少量ΔE p ＝mgh B .B 点的速度v B ＝hC －h A 2T ，则动能的增加量为ΔE k ＝12 m v 2B ＝m （h C －h A ）28T 2. (2)验证性实验中若重物的速度采用选项A 、B 的方法计算得出，则会出现重力势能的减少量等于动能的增加量，A 、B 错误；由于纸带在下落过程中，重锤和空气之间存在阻力，纸带和打点计时器之间存在摩擦力，所以减小的重力势能会大于动能的增加量，C 正确；多次实验取平均值的方法可以减小偶然误差，对系统误差没有效果，D 错误．(3)若机械能守恒，则有mgh ＝12m v 2，可得v 2＝2gh ，则此时v 2 ­h 图像是过原点的一条直线，图像的斜率为2g .2．[2024·海南省天一大联考]某同学利用频闪照相机和气垫导轨做“验证机械能守恒定律”的实验，实验装置如图1所示．实验的主要步骤如下：A.用天平测出滑块的质量m ＝0.2 kg ；B ．将安装有刻度尺的气垫导轨调整到倾角θ＝24°的倾斜状态(sin 24°＝0.4)；C ．将滑块从导轨的顶端由静止释放，使用频闪照相机对滑块进行拍摄，频闪照相机每隔T ＝0.05 s 拍摄一次．某次拍摄后得到的照片如图2所示，该同学在实验中测得影像间对应的实际距离分别为s 1＝2.42 cm ，s 2＝3.41 cm ，s 3＝4.37 cm ，s 4＝5.34 cm.已知当地的重力加速度g ＝9.8 m/s 2.结合以上实验数据，完成下列填空：(计算结果均保留三位有效数字)(1)滑块在位置B 时的速度大小为________ m/s.(2)滑块由B 运动至D ，重力势能的减小量为________ J ，动能的增加量为________ J ，在误差允许的范围内，认为滑块下滑过程机械能守恒．(3)写出两条产生误差的可能原因：①____________________；②____________________．答案：(1)0.583 (2)6.10×10－2 6.03×10－2 (3)空气阻力的作用 读取数据时产生读数误差解析：(1)滑块做匀变速运动，在位置B 时有v B ＝（s 1＋s 2）2T，代入数据得v B ＝0.583 m/s. (2)滑块由B 运动至D ，重力势能的减少量ΔE p ＝mg (s 3＋s 2)·sin 24°＝6.10×10－2 J ，滑块在D 点的速度大小v D ＝（s 3＋s 4）2T ，解得v D ＝0.971 m/s ，动能的增加量ΔE k ＝12m (v 2D －v 2B )，解得ΔE k ＝6.03×10－2 J.(3)滑块在下滑过程中受空气阻力作用，产生误差或读取刻度尺上滑块对应位置距离时产生读数误差．3．[2024·江西省南昌市期中考试]用如图甲所示的实验装置验证质量分别为m 1、m 2的物体A 、B 组成的系统机械能守恒．物体B 从高处由静止开始下落，物体A 上拖着的纸带打出一系列的点，如图乙所示是实验中获取的一条纸带，0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点未画出，计数点间的距离如图所示．已知m 1＝50 g ，m 2＝150 g ．(打点计时器打点周期为0.02 s ，g 取9.8 m/s 2)(1)在打0～5点的过程中系统动能的增加量ΔE k ＝________ J(保留三位有效数字)，系统重力势能的减少量ΔE p ＝________ J ，(保留三位有效数字)由此得出的结论是在误差允许范围内，A 、B 组成的系统机械能守恒．(2)若某同学作出12v 2­h 图像如图丙所示，则实验测出当地的重力加速度g ＝________ m/s 2.(保留三位有效数字)答案：(1)0.576 0.600 (2)9.70解析：(1)打点计时器打点周期为0.02 s ，每相邻两计数点间还有4个点未画出，则相邻计数点间的时间间隔为T ＝5×0.02 s ＝0.1 s ，由中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可得，打下点5时，速度大小为v 5＝x 462T ＝（21.60＋26.40）×10－22×0.1 m/s ＝2.40 m/s ，系统动能的增加量ΔE k ＝12(m 1＋m 2)v 25 ＝0.576 J ，系统重力势能的减少量ΔE p ＝(m 2－m 1)gh 5＝0.600 J.(2)系统机械能守恒，由机械能守恒定律得(m 2－m 1)gh ＝12 (m 1＋m 2)v 2，解得12v 2＝（m 2－m 1）g （m 1＋m 2） h ，结合12 v 2­h 图像有（m 2－m 1）g （m 1＋m 2）＝5.821.20 ，解得g ＝9.70 m/s 2.。

—————————— 新学期 新成绩 新目标 新方向 ——————————第6讲 实验：验证机械能守恒定律微知识验证机械能守恒定律 1．实验目的验证机械能守恒定律。

2．实验原理(1)当只有重力做功时，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。

据此，做自由落体运动的物体，只受重力作用，其机械能是守恒的。

质量为m 的物体自由下落，位置从A 到B 下降h 高度时，若速度由v A 变为v B ，应有mgh AB ＝12mv 2B －12mv 2A 。

(2)如图所示，借助电火花计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度h 和该时刻的速度v 。

打第n 个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度，即v n ＝x n ＋x n ＋12T 或v n ＝h n ＋1－h n －12T。

(T 为相邻计数点间的时间间隔)3．实验器材铁架台(带铁夹)，电火花计时器(或电磁打点计时器)，重锤(带纸带夹)，纸带，复写纸片，导线，毫米刻度尺，低压交流电源。

4．实验步骤(1)按图所示将装置竖直架稳。

(2)手提纸带让重锤靠近打点计时器，待接通电源后，再松开纸带。

(3)换几条纸带，重做上述实验。

(4)选取点迹清晰的纸带测量①在纸带上任意选取相距较远的两点A 、B ，测出两点之间的距离h AB 。

②利用公式计算出A 、B 两点的速度v A 、v B 。

(5)比较ΔE p ＝mgh AB 和ΔE k ＝12mv 2B －12mv 2A 是否近似相等。

(6)得出实验结论。

5．注意事项(1)应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：①安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。

②应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小。

(2)实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。