創(chuàng)新03實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)（原卷版）

創(chuàng)新03實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模Y(jié)合實(shí)驗(yàn)原理，測(cè)量相應(yīng)的物理量，可以使用不同的實(shí)驗(yàn)器材，如力的測(cè)量可以彈簧秤也可以利用力的傳感器，再如速度的測(cè)量可以利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶，也可以利用光電門和擋光片與光電計(jì)時(shí)器等等。由于實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)，測(cè)量物理量的方法不斷創(chuàng)新，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法也不斷改進(jìn)。如：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律：1.實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物自由下落的運(yùn)動(dòng)過程。物體的質(zhì)量可以用天平測(cè)出；紙帶上某兩點(diǎn)的距離等于物體下落的高度差。進(jìn)而得到物體下落過程中重力勢(shì)能的變化；物體的瞬時(shí)速度可以從紙帶上測(cè)出，其根據(jù)是“物體某段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間內(nèi)的平均速度”，進(jìn)而得到物體在各點(diǎn)的動(dòng)能；比較重物在某兩點(diǎn)間動(dòng)能的變化與重力勢(shì)能的變化，驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。2.實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，利用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄物體沿光滑斜面下滑的運(yùn)動(dòng)過程。把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時(shí)，重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大。測(cè)量滑塊和遮光條的質(zhì)量，用光電門測(cè)量滑塊的瞬時(shí)速度。測(cè)量滑塊下降的高度Δh和初、末速度v1、v2就可以驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。例1.（2023·福建莆田期中試卷）在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中：（1）某同學(xué)選用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，則應(yīng)按________（選填“甲”“乙”或“丙”）圖中的方法連接電源。（2）釋放紙帶前，正確的操作方式是________。A．B．C．D．（3）本實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是________。A．可選用木質(zhì)重物作為研究對(duì)象B．重物的質(zhì)量可以不測(cè)C．安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)使兩個(gè)限位孔處于同一整直線上D．可以根據(jù)v=gt來計(jì)算重物在t時(shí)刻的瞬時(shí)速度（4）該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶，根據(jù)紙帶算出打下各點(diǎn)時(shí)重物的速度v，量出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離s，那么以v2為縱坐標(biāo)、以s為橫坐標(biāo)畫出的圖像應(yīng)是一條直線且斜率等于________則可以說明重物下落過程的機(jī)械能守恒。（當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，本小題用題中所給的物理量表示）例2.（2023·天津·統(tǒng)考高考真題）利用氣墊導(dǎo)軌和光電門驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖，已經(jīng)測(cè)得：a．遮光片長(zhǎng)度db．釋放滑塊時(shí)滑快上遮光片小車到光電門長(zhǎng)度lc．鉤碼質(zhì)量m1，滑塊與遮光片質(zhì)量m2接通氣源，釋放鉤碼。則（1）已知滑塊上遮光片通過光電門時(shí)間Δt，滑塊通過光電門時(shí)的速度為；（2）在滑塊從釋放到滑塊上遮光片經(jīng)過光電門這一過程中，系統(tǒng)重力勢(shì)能減少量為，動(dòng)能增加量為；（3）改變l，做多組實(shí)驗(yàn)，做出如圖以l為橫坐標(biāo)。以為縱坐標(biāo)的圖像，若機(jī)械能守恒成立，則圖像斜率為。力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，力的測(cè)量可以使用力傳感器，速度、加速度的測(cè)量也可能直接使用相應(yīng)的傳感器。為了減小平衡摩擦力的步驟，使用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板；電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)候會(huì)將電表換為傳感器，如電流傳感器等，或者通過電表的改裝，將電流計(jì)改裝為電流表、電壓表，以實(shí)現(xiàn)電流、電壓的測(cè)量。1.（安徽江南十校24屆期中考試）某實(shí)驗(yàn)小組用下圖甲所示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖甲中一細(xì)繩跨過懸掛的輕質(zhì)定滑輪，兩端系有質(zhì)量分別為m1、m2的小球A和B（m1>m2），令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，將米尺靠近小球A豎直放置并固定，初始時(shí)小球A與零刻度線齊平，記為O點(diǎn)。由靜止釋放小球，用數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄小球運(yùn)動(dòng)過程的視頻，然后解析視頻記錄的圖像，得到了小球A每隔ΔT時(shí)間的位置分幀照片，通過米尺得到其具體刻度值。某次實(shí)驗(yàn)中該小組獲得了如圖乙的局部分幀照片，小球像的位置依次標(biāo)為M、N、P、Q，各位置距離小球A初始位置O點(diǎn)的間距依次記為S1、S2、S3和S4，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間，那么小球A從O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至P點(diǎn)過程中，系統(tǒng)動(dòng)能的增加量ΔEk=________，系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp=________（均用題中涉及的物理量符號(hào)表示）。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，ΔEk略小于ΔEp，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：________。2.（2024·廣東佛山·統(tǒng)考一模）某研究性學(xué)習(xí)小組利用光電門傳感器、天平、刻度尺研究單擺的周期與擺球質(zhì)量、擺長(zhǎng)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將小球拉起一定角度后釋放（小于5°），利用光電門測(cè)出小球擺動(dòng)的周期。（1）該實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)方法為（選填“控制變量法”或“理想實(shí)驗(yàn)法”）；（2）如果實(shí)驗(yàn)組用該裝置分別在北京和順德兩地進(jìn)行探究“單擺的周期T與擺長(zhǎng)L的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，然后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖像，如圖乙所示，則在順德測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的圖線是（選填“A”或“B”）；（3）某次實(shí)驗(yàn)中，小組成員小明想用該裝置測(cè)當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，已知繩長(zhǎng)為L(zhǎng)，小球直徑為d，擺球擺動(dòng)過程中光電門接收到光信號(hào)強(qiáng)度I隨時(shí)間ｔ的變化如圖丙所示，t1和tn均為已知量，由此可知此次實(shí)驗(yàn)單擺的周期為，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮〉挠?jì)算表達(dá)式g=（用上述已知的物理量表示）．1.某同學(xué)利用如圖甲所示裝置做“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將力傳感器P通過一根輕質(zhì)細(xì)繩提起重物保持靜止，記下P的示數(shù)F；②將力傳感器P、Q分別固定在左右兩側(cè)桿上，與P、Q相連的兩根輕質(zhì)細(xì)繩OA、OB連接的結(jié)點(diǎn)O處用輕繩OC系上同一重物。系統(tǒng)靜止后，記下O點(diǎn)位置，P、Q的示數(shù)F1，F(xiàn)2及三細(xì)繩的方向OA、OB、OC；③在白紙上從O點(diǎn)沿OC反向延長(zhǎng)做有向線段OC'，以O(shè)C'為對(duì)角線做平行四邊形OA'C'B'如圖乙所示。用毫米刻度尺測(cè)出線段OA'、OB'、OC'的長(zhǎng)度分別為l1、l2、l。④調(diào)整力傳感器Q的位置，重復(fù)以上步驟?；卮鹣铝袉栴}：（1）下列做法有利于減小實(shí)驗(yàn)誤差的是。A．調(diào)整力傳感器Q的位置時(shí)，必須保證結(jié)點(diǎn)O的位置不變B．兩側(cè)桿必須用鉛垂線調(diào)整為豎直放置，不能左右傾斜C．記錄細(xì)繩方向時(shí)，選取相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)D．兩個(gè)細(xì)繩間夾角適當(dāng)大一些（2）在誤差允許的范圍內(nèi)，若l1、l2、l與F1、F2、F滿足關(guān)系式，則能夠證明力的合成遵循平行四邊形定則。（3）某次實(shí)驗(yàn)中，若平衡時(shí)兩細(xì)繩OA、OB互相垂直，保持OB繩和結(jié)點(diǎn)O的位置不動(dòng)，取下力傳感器P，將細(xì)繩OA繞O點(diǎn)在紙面內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一小角度，此過程中OA繩的拉力（選填“變大”“變小”或“不變”）。2.（2023·江西贛州·校聯(lián)考模擬預(yù)測(cè)）小明的外婆家正在建房子，他發(fā)現(xiàn)有一根重錘線還固定在墻上一根鋼筋上（離墻面還有一段距離），他想利用這根比較細(xì)的重錘線來測(cè)量一下此鋼筋離地的高度，操作如下：①在重錘線靠近地面的附近掛上重錘，并在重錘上粘上一塊小磁鐵，如圖（1）；②將放在重錘正下放，利用的磁傳感器（霍爾元件）來測(cè)量數(shù)據(jù)，打開軟件的“磁力計(jì)”，將重錘偏離平衡位置一個(gè)小角度從靜止開始釋放；③經(jīng)過一段時(shí)間后停止軟件的測(cè)量，得到上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖像如圖（2），圖中A、B兩點(diǎn)間時(shí)間差為26.015s；④為了測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋∶饔掷弥械募铀俣葌鞲衅鳒y(cè)量了當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?，如圖（3）；整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，重錘和重錘線始終沒有碰到墻壁，π2=9.86，則：（1）單擺的周期為s（保留3位有效數(shù)字）；（2）如果用單擺的擺長(zhǎng)來近似代替鋼筋高度，高度為m（保留3位有效數(shù)字）。3.（2023南京二調(diào)?？季恚┠惩瑢W(xué)用氣墊導(dǎo)軌裝置驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，如圖所示。其中G1、G2為兩個(gè)光電門，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連。兩個(gè)滑塊A、B（包含擋光片）質(zhì)量分別為m1、m2，當(dāng)它們通過光電門時(shí)，計(jì)時(shí)器可測(cè)得擋光片被遮擋的時(shí)間。（1）先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，經(jīng)過調(diào)整后，輕推一下B，若它通過光電門G1的時(shí)間___________（填“大于”、“等于”、“小于”）它通過光電門G2的時(shí)間，或?qū)⑵漭p放在氣墊導(dǎo)軌上任何位置都能靜止，則氣墊導(dǎo)軌已調(diào)至水平。（2）將B靜置于兩光電門之間，將A置于光電門G1右側(cè)，用手輕推一下A，使其向左運(yùn)動(dòng)，與B發(fā)生碰撞，為了使A碰后不返回，則m1___________m2.（填“>”、“=”或“＜”）；（3）光電門G1記錄的擋光時(shí)間為Δt1，滑塊B、A先后通過光電門時(shí)，G2記錄的擋光時(shí)間分別為Δt2、Δt3，為了減小誤差，擋光片的寬度應(yīng)選擇___________（填“窄”或者“寬”）的，若m1、m2、Δt1、Δt2、Δt3滿足___________（寫出關(guān)系式）則可驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律；（4）若Δt1、Δt2、Δt3滿足關(guān)系式，則A、B發(fā)生的是否是彈性碰撞，并通過計(jì)算說明。__________________。4.如圖所示，在“探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，小華將兩個(gè)相同的圓弧光滑軌道CM、DN固定在同一個(gè)豎直平面內(nèi)，軌道末端均水平，其中DN末端與足夠長(zhǎng)的光滑水平軌道平滑連接。他把質(zhì)量相等的小鋼球P、Q分別從兩弧面上的相同高度同時(shí)靜止釋放，觀察到某一現(xiàn)象，改變釋放高度，重復(fù)上述操作，仍能觀察到這一現(xiàn)象，由此可以概括出平拋運(yùn)動(dòng)的某一規(guī)律。（1）小華觀察到的現(xiàn)象和反映的平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律是______A．P、Q兩個(gè)小球相撞B．P、Q兩個(gè)小球同時(shí)落地C．水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)D．豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)（2）小芳利用圖2中甲圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次釋放小球的位置都相同，并在乙圖的坐標(biāo)紙上記錄了小球經(jīng)過的A、B、C三點(diǎn)，已知坐標(biāo)紙每小格的邊長(zhǎng)L＝5cm，該小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度大小為______m/s（g取10m/s2，結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（3）小燕在研究平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，若小球下落相同高度，平拋初速度越大，水平射程也越大，依據(jù)這一規(guī)律，她用如圖3所示裝置來“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”：碰撞恢復(fù)系數(shù)的定義為，其中v10和v20分別是碰撞前兩小球的速度，v1和v2分別是碰撞后兩小球的速度，該實(shí)驗(yàn)小球碰撞恢復(fù)系數(shù)的表達(dá)式為e=______（用題目中字母OP、OM、ON表達(dá)），若測(cè)得e=______，可以判定小球的碰撞為彈性碰撞。5.（2023·陜西·校聯(lián)考一模）如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，彈簧上端連接一個(gè)力傳感器，力傳感器固定在鐵架臺(tái)橫梁上，彈簧下端連接一枚鋼球。鋼球上固定一個(gè)擋光片，鋼球和擋光片總質(zhì)量為m。調(diào)整兩個(gè)光電門的位置，使得鋼球由靜止釋放后能夠通過光電門A和光電門B。測(cè)出光電門A、B與彈簧自然狀態(tài)時(shí)最下端距離分別為Δx1、Δx2，重力加速度g。（1）用螺旋測(cè)微器測(cè)量光電門擋光片厚度如圖所示，則光電門擋光片厚度d=mm．（2）實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得遮光片經(jīng)過光電門A、B時(shí)力傳感器的讀數(shù)分別為F1、F2，遮光片經(jīng)過光電門A、B時(shí)的擋光時(shí)間分別為Δt1、Δt2，若Δt1<Δt2則表明小球從A到B過程動(dòng)能（填“增加”或“減少”）（3）小球從光電門A運(yùn)動(dòng)到光電門B的過程中，由于彈簧彈力與伸長(zhǎng)量成正比，可用平均力計(jì)算克服彈力所做的功W=；然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出小球機(jī)械能減少量，比較W和ΔE，若兩者在誤差范圍內(nèi)近似相等，則小球和彈簧組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。6.（2024·四川涼山·統(tǒng)考一模）受天空課堂中測(cè)量質(zhì)量實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，某小組在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)類似測(cè)物體質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)。安裝好如圖甲所示實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌上的旋鈕P、Q使氣墊導(dǎo)軌水平，滑塊在O處時(shí)彈簧處于原長(zhǎng)。力傳感器能采集彈簧的彈力F，固定在滑塊上的加速度傳感器能采集滑塊的加速度a，得到aF關(guān)系圖像如圖乙中斜實(shí)線所示。（1）由圖乙實(shí)線可知，滑塊與加速度傳感器的總質(zhì)量為kg。（2）當(dāng)加速度為1.5m/s2時(shí)彈簧形變量為6cm，則彈簧勁度系數(shù)為N/m。（3）調(diào)整旋鈕Q，使PQ間距為l、高度差為h得到圖乙中斜虛線，由此可知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹椤?.（2024·浙江·校聯(lián)考一模）某物理課外小組通過如圖甲、乙、丙所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。已知他們使用的小車完全相同且質(zhì)量為M，重物的質(zhì)量為m，試回答下列問題：（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須滿足“M遠(yuǎn)大于m”的實(shí)驗(yàn)裝置是（選填“甲”、“乙”或“丙”）（2）按乙圖實(shí)驗(yàn)裝置得到如圖丙所示的紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期T=0.02s，其中A、B、C、D、E每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)沒有標(biāo)出，根據(jù)紙帶提供的數(shù)據(jù)，算得小車加速度的大小為m/s2（計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。（3）采用（丙）圖實(shí)驗(yàn)裝置探究質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，以彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，加速度a為縱坐標(biāo)，畫出的aF圖線是如圖（丁）的一條直線。測(cè)出圖線與橫坐標(biāo)的夾角為θ，求得圖線的斜率為k，則小車的質(zhì)量為。A．

B．

C．

D．k（4）采用（甲）圖實(shí)驗(yàn)裝置，把重物改成槽碼，槽碼總數(shù)N，依次取n=2、3、4、5…）個(gè)槽碼掛在細(xì)線左端，其余Nn個(gè)槽碼仍留在小車內(nèi)，重復(fù)前面的步驟，并得到相應(yīng)的加速度a，得到an圖線是過原點(diǎn)的直線，但實(shí)驗(yàn)時(shí)漏了平衡摩擦力這一步驟，下列說法正確的是。A．a(chǎn)n圖線不再是直線B．a(chǎn)n圖線仍是過原點(diǎn)的直線，但該直線的斜率變小C．a(chǎn)n圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn)8.（2023·廣西南寧·南寧二中?？寄M預(yù)測(cè)）某同學(xué)計(jì)劃用如圖所示（俯視圖）的裝置驗(yàn)證物體質(zhì)量不變情況下向心力與角速度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)步驟如下：a．測(cè)量重物的質(zhì)量，記為m，將重物和彈簧穿在較光滑的水平橫桿上后，彈簧一端連接重物，另一端固定在豎直轉(zhuǎn)軸上，測(cè)量重物靜止時(shí)到豎直