專題19 力學實驗（講義）（解析版）

專題19力學實驗目錄TOC\o"1-4"\h\z\u考點一力學實驗 3 3 91.紙帶類和光電門類實驗常見問題 92.彈簧類、橡皮繩類及其他力學實驗常見問題 113.力學創(chuàng)新拓展類實驗問題及解題思路 14 15考向一紙帶類和光電門類實驗問題 15考向二彈簧類、橡皮繩類及其他力學實驗問題 16考向三力學創(chuàng)新拓展類問題 17

考點要求考題統(tǒng)計力學實驗考向一紙帶類和光電門類實驗問題：2023?全國?高考真題、2023?浙江?高考真題、2022?浙江?高考真題、2022?河北?高考真題、2021?北京?高考真題、2021?浙江?高考真題、2021?浙江?高考真題、2021?河北?高考真題、2021?湖南?高考真題、2023?河北?高考真題、2023?天津?高考真題、2022?廣東?高考真題、2021?海南?高考真題考向二彈簧類、橡皮繩類及其他力學實驗問題：2023?浙江?高考真題、2023?全國?高考真題、2023?重慶?高考真題、2023?山西?高考真題、2023?北京?高考真題、2023?浙江?高考真題、2022?福建?高考真題、2022?海南?高考真題、2022?浙江?高考真題、2021?全國?高考真題、2022?天津?高考真題、2022?重慶?高考真題、2022?全國?高考真題、2023?浙江?高考真題考向三力學創(chuàng)新拓展類問題：2023?福建?高考真題、2023?湖北?高考真題、2023?遼寧?高考真題、2022?湖北?高考真題、2022?湖南?高考真題、2022?山東?高考真題、2022?全國?高考真題、2022?浙江?高考真題、2021?天津?高考真題、2021?廣東?高考真題、2021?全國?高考真題考情分析【命題規(guī)律及方法指導】1.命題重點：(1)探究小車速度隨時間變化的規(guī)律；(2)探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關系；(3)驗證機械能守恒定律；(4)驗證動量守恒定律；(5)探究彈簧彈力與形變量的關系；(6)探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律；(7)探究平拋運動的特點；(8)探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關系；(9)用單擺測量重力加速度的大小.2.常用方法：控制變量法、等效替代法、圖像法．3.?？碱}型：實驗題．【命題預測】1.本專題屬于熱點、基礎內(nèi)容；2.高考命題考察方向①紙帶類和光電門類實驗問題：利用紙帶打點計時器測量速度，加速度類及相關實驗問題，利用光電門測量速度類及相關實驗問題②彈簧類、橡皮繩類及其他力學實驗問題：與彈簧有關的實驗，與橡皮繩有關的實驗，與平拋運動有關的實驗，探究向心力與半徑、角速度、質(zhì)量的關系，與單擺有關的實驗③力學創(chuàng)新拓展類問題：利用上面之外的實驗儀器、方法進行測量類、驗證類、研究類、設計類實驗

考點一力學實驗1．（2023·全國·高考真題）某同學利用如圖（a）所示的實驗裝置探究物體做直線運動時平均速度與時間的關系。讓小車左端和紙帶相連。右端用細繩跨過定滑輪和鉤碼相連。鉤碼下落，帶動小車運動，打點計時器打出紙帶。某次實驗得到的紙帶和相關數(shù)據(jù)如圖（b）所示。

（1）已知打出圖（b）中相鄰兩個計數(shù)點的時間間隔均為0.1s．以打出A點時小車位置為初始位置，將打出B、C、D、E、F各點時小車的位移填到表中，小車發(fā)生對應位移和平均速度分別為和，表中cm，。

位移區(qū)間ABACADAEAF6.6014.6034.9047.3066.073.087.394.6（2）根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到小車平均速度隨時間的變化關系，如圖（c）所示。在答題卡上的圖中補全實驗點。

（3）從實驗結果可知，小車運動的圖線可視為一條直線，此直線用方程表示，其中，cm/s。（結果均保留3位有效數(shù)字）（4）根據(jù)（3）中的直線方程可以判定小車做勻加速直線運動，得到打出A點時小車速度大小，小車的加速度大小。（結果用字母k、b表示）【考向】紙帶類實驗問題【答案】24.0080.0

71.558.7b2k【詳解】（1）[1]根據(jù)紙帶的數(shù)據(jù)可得，[2]平均速度為，（2）[3]根據(jù)第（1）小題結果補充表格和補全實驗點圖像得

（3）[4][5]從實驗結果可知，小車運動的圖線可視為一條直線，圖像為

此直線用方程表示，由圖像可知其中，，（4）[6][7]小球做勻變速直線運動，由位移公式，整理得，即，故根據(jù)圖像斜率和截距可得，。2．（2023·天津·高考真題）某同學利用圖示的氣墊導軌實驗裝置驗證機械能守恒定律，主要實驗步驟如下：A．將桌面上的氣墊導軌調(diào)至水平；B．測出遮光條的寬度dC．將滑塊移至圖示位置，測出遮光條到光電門的距離lD．由靜止釋放滑塊，讀出遮光條通過光電門的遮光時間tE．秤出托盤和砝碼總質(zhì)量，滑塊（含遮光條）的質(zhì)量已知當?shù)刂亓铀俣葹間，回答以下問題（用題中所給的字母表示）（1）遮光條通過光電門時的速度大小為；（2）遮光條由靜止運動至光電門的過程，系統(tǒng)重力勢能減少了，遮光條經(jīng)過光電門時，滑塊、托盤和砝碼的總動能為；（3）通過改變滑塊的釋放位置，測出多組、數(shù)據(jù)﹐利用實驗數(shù)據(jù)繪制圖像如圖。若圖中直線的斜率近似等于，可認為該系統(tǒng)機械能守恒?！究枷颉抗怆婇T類實驗問題【答案】【詳解】（1）[1]小車通過光電門時的速度為，（2）[2]從釋放到小車經(jīng)過光電門，這一過程中，系統(tǒng)重力勢能減少量為，[3]從釋放到小車經(jīng)過光電門，這一過程中，系統(tǒng)動能增加量為，（3）[4]改變l，做多組實驗，做出如圖以l為橫坐標。以為縱坐標的圖像，若機械能守恒成立有，整理有，可知，若圖中直線的斜率近似等于，可認為該系統(tǒng)機械能守恒。3．（2023·福建·高考真題）某小組用圖（a）所示的實驗裝置探究斜面傾角是否對動摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響。所用器材有：絨布木板、滑塊、擋光片、米尺、游標卡尺、光電門、傾角調(diào)節(jié)儀等。實驗過程如下：（1）將絨布平鋪并固定在木板上，然后將光電門A、B固定在木板上。用米尺測量A、B間距離L；（2）用游標卡尺測量擋光片寬度d，示數(shù)如圖（b）所示。該擋光片寬度（3）調(diào)節(jié)并記錄木板與水平面的夾角，讓裝有擋光片的滑塊從木板頂端下滑。記錄擋光片依次經(jīng)過光電門A和B的擋光時間和，求得擋光片經(jīng)過光電門時滑塊的速度大小和。某次測得，則（結果保留3位有效數(shù)字）（4）推導滑塊與絨布間動摩擦因數(shù)的表達式，可得（用L、、、和重力加速度大小g表示），利用所得實驗數(shù)據(jù)計算出值；（5）改變進行多次實驗，獲得與對應的，并在坐標紙上作出關系圖像，如圖（c）所示；（6）根據(jù)上述實驗，在誤差允許范圍內(nèi)，可以得到的結論為?！究枷颉抗怆婇T類實驗問題【答案】5.251.00斜面傾角對動摩擦因數(shù)沒有影響【詳解】（2）[1]該擋光片寬度d=5mm+5×0.05mm=5.25mm，（3）[2]根據(jù)時間極短的平均速度近似等于瞬時速度，擋光片經(jīng)過光電門A的速度，（4）[3]擋光片依次經(jīng)過光電門A和B，由動能定理可得，解得，（5）[4]根據(jù)圖像可知，動摩擦因數(shù)并不隨角度的變化而發(fā)生變化，所以可以得到的結論為斜面傾角對動摩擦因數(shù)沒有影響。4．（2023·全國·高考真題）在“驗證力的平行四邊形定則”的實驗中使用的器材有：木板、白紙、兩個標準彈簧測力計、橡皮條、輕質(zhì)小圓環(huán)、刻度尺、鉛筆、細線和圖釘若干。完成下列實驗步驟：①用圖釘將白紙固定在水平木板上。②將橡皮條的一端固定在木板上，另一端系在輕質(zhì)小圓環(huán)上。將兩細線也系在小圓環(huán)上，它們的另一端均掛上測力計。用互成一定角度、方向平行于木板、大小適當?shù)牧瓌觾蓚€測力計，小圓環(huán)停止時由兩個測力計的示數(shù)得到兩拉力和的大小，并。（多選，填正確答案標號）A．用刻度尺量出橡皮條的長度B．用刻度尺量出兩細線的長度C．用鉛筆在白紙上標記出小圓環(huán)的位置D．用鉛筆在白紙上標記出兩細線的方向③撤掉一個測力計，用另一個測力計把小圓環(huán)拉到，由測力計的示數(shù)得到拉力的大小，沿細線標記此時的方向。④選擇合適標度，由步驟②的結果在白紙上根據(jù)力的平行四邊形定則作和的合成圖，得出合力的大小和方向；按同一標度在白紙上畫出力的圖示。⑤比較和的，從而判斷本次實驗是否驗證了力的平行四邊形定則?！究枷颉肯鹌だK類實驗問題【答案】CD/DC相同位置大小和方向【詳解】②[1]將橡皮條的一端固定在木板上，另一端系在輕質(zhì)小圓環(huán)上。將兩細線也系在小圓環(huán)上，它們的另一端均掛上測力計。用互成一定角度、方向平行于木板、大小適當?shù)牧瓌觾蓚€測力計，小圓環(huán)停止時由兩個測力計的示數(shù)得到兩拉力和的大小，還需要用鉛筆在白紙上標記出小圓環(huán)的位置以及用鉛筆在白紙上標記出兩細線的方向。故選CD。③[2]撤掉一個測力計，用另一個測力計把小圓環(huán)拉到相同位置，由測力計的示數(shù)得到拉力的大小，沿細線標記此時的方向；⑤[3]比較和的大小和方向，從而判斷本次實驗是否驗證了力的平行四邊形定則。5．（2023·浙江·高考真題）如圖所示，某同學把A、B兩根不同的彈簧串接豎直懸掛，探究A、B彈簧彈力與伸長量的關系。在B彈簧下端依次掛上質(zhì)量為m的鉤碼，靜止時指針所指刻度、的數(shù)據(jù)如表。鉤碼個數(shù)012…xA/cm7.758.539.30…xB/cm16.4518.5220.60…鉤碼個數(shù)為1時，彈簧A的伸長量cm，彈簧B的伸長量cm，兩根彈簧彈性勢能的增加量（選填“=”、“<”或“>”）?！究枷颉繌椈深悓嶒瀱栴}【答案】0.781.29<【詳解】[1]鉤碼個數(shù)為1時，彈簧A的伸長量，[2]彈簧B的伸長量，[3]根據(jù)系統(tǒng)機械能守恒定律可知兩根彈簧的重力勢能減少量等于彈簧增加的彈性勢能和空氣阻力的熱能。6．（2022·河北·高考真題）某實驗小組利用鐵架臺、彈簧、鉤碼、打點計時器、刻度尺等器材驗證系統(tǒng)機械能守恒定律，實驗裝置如圖1所示。彈簧的勁度系數(shù)為k，原長為L0，鉤碼的質(zhì)量為m。已知彈簧的彈性勢能表達式為，其中k為彈簧的勁度系數(shù)，x為彈簧的形變量，當?shù)氐闹亓铀俣却笮間。（1）在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置，測得此時彈簧的長度為L。接通打點計時器電源。從靜止釋放鉤碼，彈簧收縮，得到了一條點跡清晰的紙帶。鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖2所示，紙帶上相鄰兩點之間的時間間隔均為T（在誤差允許范圍內(nèi)，認為釋放鉤碼的同時打出A點）。從打出A點到打出F點時間內(nèi)，彈簧的彈性勢能減少量為，鉤碼的動能增加量為，鉤碼的重力勢能增加量為。（2）利用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關系，如圖3所示。由圖3可知，隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，主要原因是?！究枷颉繌椈深悓嶒瀱栴}【答案】mgh5見解析【詳解】（1）[1]從打出A點到打出F點時間內(nèi)，彈簧的彈性勢能減少量為，整理有，[2]打F點時鉤碼的速度為，由于在誤差允許的范圍內(nèi)，認為釋放鉤碼的同時打出A點，則鉤碼動能的增加量為，[3]鉤碼的重力勢能增加量為Ep重=mgh5。（2）[4]鉤碼機械能的增加量，即鉤碼動能和重力勢能增加量的總和，若無阻力做功則彈簧彈性勢能的減少量等于鉤碼機械能的增加量?，F(xiàn)在隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功，則產(chǎn)生這個問題的主要原因是紙帶與限位孔的摩擦力做功變多導致兩曲線間隔變大。1.紙帶類和光電門類實驗常見問題1）探究小車速度隨時間變化的規(guī)律注意事項：①細繩與長木板平行。②釋放前小車應靠近打點計時器。③先接通電源，再釋放小車，打點結束先切斷電源，再取下紙帶。④鉤碼質(zhì)量適當。2）探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關系注意事項：①補償阻力，墊高長木板使小車能勻速下滑。②在補償阻力時，不要把懸掛槽碼的細繩系在小車上，實驗過程中不用重復補償阻力。③實驗必須保證的條件：小車質(zhì)量m?槽碼質(zhì)量m′。④釋放前小車要靠近打點計時器，應先接通電源，后釋放小車。 3）驗證機械能守恒定律注意事項：①要多做幾次實驗，選點跡清楚，且第一、二兩點間距離接近2mm的紙帶進行測量。②由于摩擦和空氣阻力的影響，本實驗的系統(tǒng)誤差總是使。③本實驗不需要在打下的點中取計數(shù)點。也不需要測重物的質(zhì)量。 4）驗證動量守恒定律 方法一：注意事項：①必須以質(zhì)量較大的小球作為入射小球（保證碰撞后兩小球都向前運動）。②小球落地點的平均位置要用圓規(guī)來確定：用盡可能小的圓把所有落點都圈在里面，圓心就是落點的平均位置。③若被碰小球放在斜槽末端，而不用支柱，那么兩小球將不再同時落地，但兩個小球都將從斜槽末端開始做平拋運動，于是驗證式就變?yōu)椋簃1OP=m1OM+m2ON，兩個小球的直徑也不需測量了。 方法二：注意事項：①氣墊導軌要調(diào)整到水平。②安裝到滑塊上的擋光片寬度適當小些，計算速度會更精確。2.彈簧類、橡皮繩類及其他力學實驗常見問題 1）探究彈簧彈力與形變量的關系注意事項：①盡量選輕質(zhì)彈簧以減小彈簧自身重力帶來的影響②要注意區(qū)分彈簧總長度和彈簧伸長量2）探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律注意事項：①.被測力的方向應與彈簧測力計軸線方向一致，拉動小圓環(huán)時彈簧不可與外殼相碰或摩擦。②在同一次實驗中，小圓環(huán)的位置O一定要相同。③在具體實驗時，兩分力F1和F2間夾角不宜過大，也不宜過小，以60°～120°之間為宜.3）探究平拋運動的特點注意事項：①斜槽末端的切線必須水平。②用重錘線檢驗坐標紙上的豎直線是否豎直。③以斜槽末端所在的點為坐標原點。④如果是用白紙，則應以斜槽末端所在的點為坐標原點，在斜槽末端懸掛重錘線，先以重錘線方向確定y軸方向，再用直角三角板畫出水平線作為x軸，建立直角坐標系。⑤每次小球應從斜槽上的同一位置由靜止開始下滑。4）探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關系注意事項：①實驗時，可先使短槽小球標尺達到，再去觀察長槽小球標尺。②實驗時，轉速應從慢到快。5）用單擺測量重力加速度的大小注意事項：①開始擺動時需注意：擺角要小于5°（保證做簡諧運動）；不要使擺動成為圓錐擺。②必須從擺球通過最低點時開始計時，測出單擺做50次全振動所用時間，算出周期的平均值T。③改變擺長重做幾次實驗，計算每次實驗得到的重力加速度，再求這些重力加速度的平均值。3.力學創(chuàng)新拓展類實驗問題及解題思路1）力學實驗題的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在對課本實驗的改編、拓展或延伸，核心原理為:①以基本的力學模型為載體，依托運動學規(guī)律和動力學定律設計實驗.②將實驗的基本方法控制變量法，處理數(shù)據(jù)的基本方法圖象法、逐差法，融入到實驗的綜合分析之中.2）力學創(chuàng)新實驗的解法為:①根據(jù)題目情境，提取相應的力學模型，明確實驗的理論依據(jù)和實驗目的，設計實驗方案.②進行實驗，記錄數(shù)據(jù)，應用原理公式或圖象法處理實驗數(shù)據(jù)，結合物體實際受力情況和理論受力情況對結果進行誤差分析.3）題型一：實驗器材的等效與替換①特點:實驗裝置、器材變化，但實驗原理、方法等不變.②創(chuàng)新形式:Ⅰ、用氣墊導軌代替長木板:應調(diào)整導軌水平，不必平衡摩擦力.Ⅱ、用光電門、頻閃相機代替打點計時器.Ⅲ、用電子秤、力傳感器或已知質(zhì)量的鉤碼等代替彈簧測力計，4）題型二：實驗結論的拓展與延伸①特點:實驗的裝置、器材等不變，但實驗目的變了.利用所測數(shù)據(jù)，求另一物理量或驗證另一個物理規(guī)律.②創(chuàng)新形式:Ⅰ、由測定加速度延伸為測定動摩擦因數(shù)，通過研究紙帶、頻閃照片或光電裝置得出物體的加速度，再利用牛頓第二定律求出物體所受的阻力或小車與木板間的動摩擦因數(shù).Ⅱ、由測定加速度延伸為測定交流電的頻率. 5）提醒三：實驗情景的設計與創(chuàng)新①特點:用學過的物理規(guī)律和實驗方法設計或解答新情景實驗②創(chuàng)新形式:Ⅰ、利用平拋運動探究功與速度變化的關系.Ⅱ、利用鋼球擺動驗證機械能守恒定律.Ⅲ、利用凹形橋模擬器測小車過橋最低點的速度.Ⅳ、利用能量守恒定律測動摩擦因數(shù).Ⅴ、利用運動公式解決新情景實驗考向一紙帶類和光電門類實驗問題1．（2024·河北·統(tǒng)考一模）小明同學用如圖1所示的裝置來完成探究“加速度與力、質(zhì)量的關系”實驗。（1）用該裝置進行實驗，（選填“需要”或“不需要”）補償阻力；（2）根據(jù)實驗要求進行實驗，實驗得到如圖2所示的一條紙帶，已知電源的頻率為50Hz，每兩個相鄰計數(shù)點間還有四個計時點沒有畫出，則小車運動的加速度大小為（保留2位有效數(shù)字）；（3）改變鉤碼的質(zhì)量，根據(jù)得到的多條紙帶得到小車運動的加速度大小a并記錄對應的力傳感器的示數(shù)F，則根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的關系可能是?！敬鸢浮啃枰?.75A【詳解】（1）[1]因木板所受的滑動摩擦力不便于測出，則需墊高木板用小車所受重力的分力平衡掉滑動摩擦力，故實驗需要補償阻力；（2）[2]每兩個相鄰計數(shù)點間還有四個計時點沒有畫出，則計數(shù)點間的時間間隔為,由勻變速直線運動的判別式，結合連續(xù)的六段位移由逐差法可得,（3）[3]因平衡了摩擦力，力傳感器測出了繩的拉力，對小車有,可得,則圖像為過原點的傾斜直線，因測出了準確的合力則圖像不會彎曲，故選A。2．（2024·遼寧·校聯(lián)考一模）某同學利用圖（a）所示的裝置驗證碰撞過程中的動量守恒定律。A、B兩滑塊均帶有彈簧片和寬度相同的遮光片，測得滑塊A、B（包含彈簧片和遮光片）的質(zhì)量分別為和。將兩滑塊放在氣墊導軌上，氣墊導軌右側兩支點高度固定，左側支點高度可調(diào)。（1）實驗前，該同學用游標卡尺測量遮光條的寬度d，結果如圖（b）所示，則mm。（2）該同學在調(diào)節(jié)氣墊導軌水平時，開啟充氣泵，將一個滑塊輕放在導軌中部后，發(fā)現(xiàn)它向右加速運動。此時，應調(diào)節(jié)左支點使其高度（填“升高”或“降低”）。（3）將氣墊導軌調(diào)節(jié)水平后，給滑塊A一向右的初速度，使它與滑塊B發(fā)生正碰。碰前滑塊A通過光電門1的遮光時間為，A、B碰后分別通過光電門1和光電門2，遮光時間分別為和，則該同學所要驗證的動量守恒定律的表達式為（用、、、和表示）?！敬鸢浮拷档汀驹斀狻浚?）[1]由圖（b）可知，遮光條的寬度為,（2）[2]開啟充氣泵，將一個滑塊輕放在導軌中部后，發(fā)現(xiàn)它向右加速運動，說明左高右低，則應調(diào)節(jié)左支點使其高度降低。（3）[3]根據(jù)滑塊經(jīng)過光電門的瞬時速度近似等于平均速度可得，滑塊A碰前通過光電門1時的速度大小為,方向水平向右，同理可得，滑塊A碰后通過光電門1時的速度大小為,方向水平向左，滑塊B碰后通過光電門2時的速度大小為,方向水平向右，若碰撞過程動量守恒，取向右為正方向，則有,整理可得.考向二彈簧類、橡皮繩類及其他力學實驗問題3．（2024·全國·模擬預測）某同學做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗，他用兩根自由長度為L0的完全相同的輕彈簧（彈簧始終處于彈性限度內(nèi)）和重物進行了如下操作：（1）如圖甲所示，把重物通過細繩連接在彈簧下端，穩(wěn)定后