实验7 自由落体验证机械能守恒-2025年高考物理必考实验重难点突破（解析版）（高考实验）.docx

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实验7自由落体验证机械能守恒

目录

01新高考命题热点

02核心考点综述

1）实验目的

2）实验原理

3）实验器材

4）实验步骤

5）数据处理与分析

6）误差分析

7）实验拓展与应用

03典型真题精练

04创新实验新考法

1）验证系统机械能守恒

2）利用气垫导轨和光电门验证机械能守恒

3）利用光电门验证机械能守恒

4）利用平抛运动来验证机械能守恒定律

5）利用光感器验证机械能守恒

6）利用频闪照相验证机械能守恒

７）利用电机描绘振动图像验证机械能守恒

05分层强化训练

新高考在此实验的命题热点有：一是实验原理深度剖析，要求学生依据机械能守恒定律，阐述如何通过测量下落高度与瞬时速度来验证，常考公式推导。二是数据处理能力考查，给出纸带或光电门数据，让学生计算重力势能减少量与动能增加量，绘制两者随高度变化的图像，判断是否重合以验证守恒。三是实验创新拓展，如采用新的测速、测高手段，像用超声波传感器测高度，考查学生对新方法的理解运用，还会结合生活实例，如蹦极、跳楼机等分析机械能转化。

一、实验目的

通过实验验证机械能守恒定律。当物体自由落体时，只有重力起作用，物体的重力势能和动能相互转换，机械能守恒。

二、实验原理

基于机械能守恒定律，在只有重力做功的自由落体系统中，物体的机械能总量保持不变，即重力势能的减少量等于动能的增加量，表达式为（式中m为物体质量，h为下落高度，v为下落某高度时的瞬时速度）。

实验通过测量不同时刻物体下落的高度和对应的瞬时速度，对比重力势能减少量与动能增加量，看二者在实验误差允许范围内是否相等，以此验证机械能守恒。

三、实验器材

打点计时器（电磁打点计时器或电火花打点计时器）：用于记录物体自由下落过程的运动信息，通过纸带上的点来反映物体的运动时间与位移情况。

纸带：与打点计时器配合，承载物体下落过程中的打点记录，后续据此测量位移、计算速度。

重物：一般选择质量较大、体积较小的物体，质量大可使空气阻力相对重力的影响较小，体积小能减小空气阻力，保证实验更接近理想的自由落体状态。

铁架台、夹子：用于固定打点计时器，使其保持稳定的工作状态。

毫米刻度尺：精确测量纸带各点间的距离，以获取物体下落高度和位移信息，用于后续计算。

四、实验步骤

1.将打点定时器安装在铁架上，并用电线将打点定时器连接至学生电源。

2.用夹子将纸带一端固定在砝码上，另一端穿过定时器限位孔，用手垂直提起纸带，使砝码停在打点定时器附近。

3.打开电源，松开纸带，让重物自由落下。重复几次，直到得到3到5条点状纸带。

4.从点状纸带中，选择第一点和第二点之间距离接近2mm、点状标记清晰的纸带进行测量。用0标记起点，然后用1、2、3...标记每个点，使用刻度尺测量相应的跌落高度h1、h2、h3...。

5.根据匀变速直线运动平均速度的推论和平均速度的定义，计算每个点对应的实时速度v1、v2、v3…。

6.比较重力势能的减少量和动能的增加量，验证机械能是否守恒。

五、数据处理与分析

数据测量：从纸带起始点开始，选取合适的点（一般间隔一定点数选取，确保速度测量的准确性），用毫米刻度尺测量各点到起始点的垂直距离，即为下落高度h；根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于这段时间的平均速度，计算所选点的瞬时速度v，例如某点前后相邻两点间距离为x1、x2，打点周期为T，则该点瞬时速度。

数据处理：计算各点对应的重力势能减少量和动能增加量，对比二者数值，判断是否在误差允许范围内相等。

数据处理与分析：

计算与对比：按上述方法计算重力势能减少量△Ｅｐ和动能增加量△Ｅｋ后，将多组数据制成表格，对比二者差值，差值越小说明越接近机械能守恒。

图像法：以下落高度h为横坐标，分别以重力势能减少量△Ｅｐ和动能增加量△Ｅｋ为纵坐标，绘制两条曲线。在理想情况下，两条曲线应重合，实际实验中若两条曲线接近重合，即在误差允许范围内，可验证机械能守恒。

六、误差分析

误差主要来源于空气阻力，使重物实际下落时机械能不守恒，重力势能减少量大于动能增加量；打点计时器打点的不稳定性，如打点间隔不均匀，会影响速度的准确计算；测量纸带距离时的人为误差，毫米刻度尺读数精度有限，也会对实验结果造成影响。

七、实验拓展与应用

拓展实验：可改变实验条件，如采用不同质量的重物、从不同高度下落等，重复实验，观察结果变化，进一步探究机械能守恒定律的普适性。还可以利用光电门等其他测速、测高手段代替打点计时器和毫米刻度尺，提高实验精度，研究在新测量条件下的机械能守恒情况。

实际应用：在现实生活中有诸多应用，如分析跳水运动员从跳板起跳后在空中的机械能变化，在忽略空气阻力的情况下，运动员起跳时的机械能在后续运动中基本守恒，通过起跳高度、速度等参数可预估入水时的状态；再如分析过山车在