2026年高考物理一轮讲义+练习(四川专用)第21讲实验：验证机械能守恒定律(复习讲义)(学生版+解析)

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01 TOC \ "1-3" \h \u \l "_Tc15422" \l "_Tc26714" 考情解码·命题预警1
02 \l "_Tc7022" 体系构建·思维可视2
03 \l "_Tc306" 核心突破·靶向攻坚2
\l "_Tc23645" 考点 实验：验证机械能守恒定律2
\l "_Tc8741" 知识点 实验：验证机械能守恒定律2
考向1 教材原型实验5
考向2 创新拓展实验13
04 \l "_Tc306" 真题溯源·考向感知22

考点 实验：验证机械能守恒定律
\l "_Tc25045" 知识点 实验：验证机械能守恒定律
一、实验目的
验证机械能守恒定律。
二、实验原理
1.在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的减少量为_______，动能的增加量为_______，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律。
2.速度的测量：做匀变速直线运动的物体某段位移中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度。
计算打第n点速度的方法：测出第n点与相邻前后点间的距离xn和xn＋1，由公式vn＝______________计算，或测出第n－1点和第n＋1点与起始点的距离hn－1和hn＋1，由公式vn＝______________算出，如图所示。
三、实验器材
铁架台（含铁夹），打点计时器，交流电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物（带纸带夹）。
四、实验过程
1.安装置：如图所示，将检查、调整好的打点计时器_______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______________，后______________，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12mvn2＝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______________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12mvB2－12mvA2＝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。
五、数据处理
1.测量、计算
在起始点标上0，在以后各计数点依次标上1，2，3，…，用刻度尺测出对应下落高度h1，h2，h3，…。
利用公式vn＝ℎn+1－ℎn－12T计算出打点1，点2，点3，…时重物的瞬时速度v1，v2，v3，…。
2.验证守恒
方法一：利用起始点和第n点计算。计算ghn和12vn2，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝12vn2，则验证了机械能守恒定律（此方法要求所选纸带必须点迹清晰且第1、2两点间距离接近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12vB2－12vA2的值。
③在实验误差允许的范围内，如果ghAB＝12vB2－12vA2，则验证了机械能守恒定律。
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_______为纵轴，以_______为横轴，根据实验数据绘出12v2-h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。
六、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_______方向，以减小摩擦阻力。
2.重物要选用_______大、_______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，有效长度可以在60～80 cm之间。
5.不需测出物体质量，只需验证12vn2＝_______或12vB2－12vA2＝_______即可。
6.速度不能用vn＝gtn或vn＝2gℎn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＝12gtn2或hn＝vn22g计算得到。
七、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_______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_______点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者通过多次测量取平均值来减小误差。
\l "_Tc17630" 考向1 教材原型实验
例1（2025·四川遂宁·高三月考）如图1所示是“验证机械能守恒定律”的实验装置。
(1)关于上述实验，下列说法中正确的是_____
A．重物最好选择密度较小的木块
B．不可以利用公式v=2gℎ来求解瞬时速度
C．实验中应先释放纸带，后接通电源
D．释放重物前应手提纸带上端并使重物远离计时器
(2)某同学在打出的纸带上截取一段，如图2所示，纸带上各相邻计时点间的距离已测出标在图中。已知各相邻计时点的时间间隔为T，重物质量为m，重力加速度为g。在打计时点2时重物的速度v2= ，在打计时点5时重物的速度为v5，从打计时点2到打计时点5的过程中重物的动能增加量大小ΔEk= （用m、v2、v5表示），重力势能减少量大小ΔEp= ，在实验允许的误差范围内若ΔEk=ΔEp，可验证机械能守恒定律成立。
(3)某同学用两个物体P、Q分别进行实验，两次实验物体所受阻力作用相同，多次记录下落的高度h和对应的速度大小v，作出v2−ℎ图像如图3所示，实验操作规范。通过图像可以确定_____。
A．Q受到的阻力大小恒定
B．P的质量小于Q的质量
C．选择P进行实验误差更小
【变式训练1】（2025·四川遂宁·高三月考）利用如图所示的装置验证机械能守恒定律的实验。
(1)下列操作正确的是________
A．打点计时器应接到直流电源上
B．先释放重物，后接通电源
C．释放重物前，重物应尽量靠近打点计时器
D．利用公式v=gt或v=2gℎ计算重物速度
(2)如下图所示，为实验中所得到的甲、乙两条纸带，应选 （选填“甲”或“乙”）纸带好。
(3)实验中，某实验小组得到如图所示的一条理想纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到运动起始点O的距离分别为ℎA、ℎB、ℎC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。重物的质量为m，从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少量ΔEp= ，动能增加量ΔEk= 。
(4)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，测量它们到起点O的距离ℎ，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2−ℎ图像，并做如下判断：只要图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。则该同学的判断 （选填“正确”或者“不正确”）
【变式训练2】（2025·四川成都·高三月考）某探究学习小组的同学欲以图甲装置中的滑块为对象验证“动能定理”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置。若你是小组中的一位成员，要完成该项实验，则：
（1）实验时为了保证滑块（质量为M）受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，进行了平衡摩擦力的操作，且滑块质量远大于沙和沙桶的总质量。
（2）在（1）的基础上，某同学用天平称量滑块的质量M，往沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时沙和沙桶的总质量m。让沙桶带动滑块加速运动，用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1和v2v1