专题19力学实验（讲义）

专题19力学实验目录TOC\o"14"\h\z\u考点一力学实验 3 3 91.纸带类和光电门类实验常见问题 92.弹簧类、橡皮绳类及其他力学实验常见问题 113.力学创新拓展类实验问题及解题思路 14 15考向一纸带类和光电门类实验问题 15考向二弹簧类、橡皮绳类及其他力学实验问题 16考向三力学创新拓展类问题 17考点要求考题统计力学实验考向一纸带类和光电门类实验问题：2023•全国•高考真题、2023•浙江•高考真题、2022•浙江•高考真题、2022•河北•高考真题、2021•北京•高考真题、2021•浙江•高考真题、2021•浙江•高考真题、2021•河北•高考真题、2021•湖南•高考真题、2023•河北•高考真题、2023•天津•高考真题、2022•广东•高考真题、2021•海南•高考真题考向二弹簧类、橡皮绳类及其他力学实验问题：2023•浙江•高考真题、2023•全国•高考真题、2023•重庆•高考真题、2023•山西•高考真题、2023•北京•高考真题、2023•浙江•高考真题、2022•福建•高考真题、2022•海南•高考真题、2022•浙江•高考真题、2021•全国•高考真题、2022•天津•高考真题、2022•重庆•高考真题、2022•全国•高考真题、2023•浙江•高考真题考向三力学创新拓展类问题：2023•福建•高考真题、2023•湖北•高考真题、2023•辽宁•高考真题、2022•湖北•高考真题、2022•湖南•高考真题、2022•山东•高考真题、2022•全国•高考真题、2022•浙江•高考真题、2021•天津•高考真题、2021•广东•高考真题、2021•全国•高考真题考情分析【命题规律及方法指导】1.命题重点：(1)探究小车速度随时间变化的规律；(2)探究加速度与物体受力、物体质量的关系；(3)验证机械能守恒定律；(4)验证动量守恒定律；(5)探究弹簧弹力与形变量的关系；(6)探究两个互成角度的力的合成规律；(7)探究平抛运动的特点；(8)探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系；(9)用单摆测量重力加速度的大小.2.常用方法：控制变量法、等效替代法、图像法．3.常考题型：实验题．【命题预测】1.本专题属于热点、基础内容；2.高考命题考察方向①纸带类和光电门类实验问题：利用纸带打点计时器测量速度，加速度类及相关实验问题，利用光电门测量速度类及相关实验问题②弹簧类、橡皮绳类及其他力学实验问题：与弹簧有关的实验，与橡皮绳有关的实验，与平抛运动有关的实验，探究向心力与半径、角速度、质量的关系，与单摆有关的实验③力学创新拓展类问题：利用上面之外的实验仪器、方法进行测量类、验证类、研究类、设计类实验考点一力学实验1．（2023·全国·高考真题）某同学利用如图（a）所示的实验装置探究物体做直线运动时平均速度与时间的关系。让小车左端和纸带相连。右端用细绳跨过定滑轮和钩码相连。钩码下落，带动小车运动，打点计时器打出纸带。某次实验得到的纸带和相关数据如图（b）所示。（1）已知打出图（b）中相邻两个计数点的时间间隔均为0.1s．以打出A点时小车位置为初始位置，将打出B、C、D、E、F各点时小车的位移填到表中，小车发生对应位移和平均速度分别为和，表中cm，。位移区间ABACADAEAF6.6014.6034.9047.3066.073.087.394.6（2）根据表中数据得到小车平均速度随时间的变化关系，如图（c）所示。在答题卡上的图中补全实验点。（3）从实验结果可知，小车运动的图线可视为一条直线，此直线用方程表示，其中，cm/s。（结果均保留3位有效数字）（4）根据（3）中的直线方程可以判定小车做匀加速直线运动，得到打出A点时小车速度大小，小车的加速度大小。（结果用字母k、b表示）【考向】纸带类实验问题【答案】24.0080.0

71.558.7b2k【详解】（1）[1]根据纸带的数据可得，[2]平均速度为，（2）[3]根据第（1）小题结果补充表格和补全实验点图像得

（3）[4][5]从实验结果可知，小车运动的图线可视为一条直线，图像为此直线用方程表示，由图像可知其中，，（4）[6][7]小球做匀变速直线运动，由位移公式，整理得，即，故根据图像斜率和截距可得，。2．（2023·天津·高考真题）某同学利用图示的气垫导轨实验装置验证机械能守恒定律，主要实验步骤如下：A．将桌面上的气垫导轨调至水平；B．测出遮光条的宽度dC．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离lD．由静止释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间tE．秤出托盘和砝码总质量，滑块（含遮光条）的质量已知当地重力加速度为g，回答以下问题（用题中所给的字母表示）（1）遮光条通过光电门时的速度大小为；（2）遮光条由静止运动至光电门的过程，系统重力势能减少了，遮光条经过光电门时，滑块、托盘和砝码的总动能为；（3）通过改变滑块的释放位置，测出多组、数据﹐利用实验数据绘制图像如图。若图中直线的斜率近似等于，可认为该系统机械能守恒。【考向】光电门类实验问题【答案】【详解】（1）[1]小车通过光电门时的速度为，（2）[2]从释放到小车经过光电门，这一过程中，系统重力势能减少量为，[3]从释放到小车经过光电门，这一过程中，系统动能增加量为，（3）[4]改变l，做多组实验，做出如图以l为横坐标。以为纵坐标的图像，若机械能守恒成立有，整理有，可知，若图中直线的斜率近似等于，可认为该系统机械能守恒。3．（2023·福建·高考真题）某小组用图（a）所示的实验装置探究斜面倾角是否对动摩擦因数产生影响。所用器材有：绒布木板、滑块、挡光片、米尺、游标卡尺、光电门、倾角调节仪等。实验过程如下：（1）将绒布平铺并固定在木板上，然后将光电门A、B固定在木板上。用米尺测量A、B间距离L；（2）用游标卡尺测量挡光片宽度d，示数如图（b）所示。该挡光片宽度（3）调节并记录木板与水平面的夹角，让装有挡光片的滑块从木板顶端下滑。记录挡光片依次经过光电门A和B的挡光时间和，求得挡光片经过光电门时滑块的速度大小和。某次测得，则（结果保留3位有效数字）（4）推导滑块与绒布间动摩擦因数的表达式，可得（用L、、、和重力加速度大小g表示），利用所得实验数据计算出值；（5）改变进行多次实验，获得与对应的，并在坐标纸上作出关系图像，如图（c）所示；（6）根据上述实验，在误差允许范围内，可以得到的结论为。【考向】光电门类实验问题【答案】5.251.00斜面倾角对动摩擦因数没有影响【详解】（2）[1]该挡光片宽度d=5mm+5×0.05mm=5.25mm，（3）[2]根据时间极短的平均速度近似等于瞬时速度，挡光片经过光电门A的速度，（4）[3]挡光片依次经过光电门A和B，由动能定理可得，解得，（5）[4]根据图像可知，动摩擦因数并不随角度的变化而发生变化，所以可以得到的结论为斜面倾角对动摩擦因数没有影响。4．（2023·全国·高考真题）在“验证力的平行四边形定则”的实验中使用的器材有：木板、白纸、两个标准弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、刻度尺、铅笔、细线和图钉若干。完成下列实验步骤：①用图钉将白纸固定在水平木板上。②将橡皮条的一端固定在木板上，另一端系在轻质小圆环上。将两细线也系在小圆环上，它们的另一端均挂上测力计。用互成一定角度、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个测力计，小圆环停止时由两个测力计的示数得到两拉力和的大小，并。（多选，填正确答案标号）A．用刻度尺量出橡皮条的长度B．用刻度尺量出两细线的长度C．用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置D．用铅笔在白纸上标记出两细线的方向③撤掉一个测力计，用另一个测力计把小圆环拉到，由测力计的示数得到拉力的大小，沿细线标记此时的方向。④选择合适标度，由步骤②的结果在白纸上根据力的平行四边形定则作和的合成图，得出合力的大小和方向；按同一标度在白纸上画出力的图示。⑤比较和的，从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则。【考向】橡皮绳类实验问题【答案】CD/DC相同位置大小和方向【详解】②[1]将橡皮条的一端固定在木板上，另一端系在轻质小圆环上。将两细线也系在小圆环上，它们的另一端均挂上测力计。用互成一定角度、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个测力计，小圆环停止时由两个测力计的示数得到两拉力和的大小，还需要用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置以及用铅笔在白纸上标记出两细线的方向。故选CD。③[2]撤掉一个测力计，用另一个测力计把小圆环拉到相同位置，由测力计的示数得到拉力的大小，沿细线标记此时的方向；⑤[3]比较和的大小和方向，从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则。5．（2023·浙江·高考真题）如图所示，某同学把A、B两根不同的弹簧串接竖直悬挂，探究A、B弹簧弹力与伸长量的关系。在B弹簧下端依次挂上质量为m的钩码，静止时指针所指刻度、的数据如表。钩码个数012…xA/cm7.758.539.30…xB/cm16.4518.5220.60…钩码个数为1时，弹簧A的伸长量cm，弹簧B的伸长量cm，两根弹簧弹性势能的增加量（选填“=”、“<”或“>”）。【考向】弹簧类实验问题【答案】0.781.29<【详解】[1]钩码个数为1时，弹簧A的伸长量，[2]弹簧B的伸长量，[3]根据系统机械能守恒定律可知两根弹簧的重力势能减少量等于弹簧增加的弹性势能和空气阻力的热能。6．（2022·河北·高考真题）某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m。已知弹簧的弹性势能表达式为，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g。（1）在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置，测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源。从静止释放钩码，弹簧收缩，得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图2所示，纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T（在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点）。从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为，钩码的动能增加量为，钩码的重力势能增加量为。（2）利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系，如图3所示。由图3可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是。【考向】弹簧类实验问题【答案】mgh5见解析【详解】（1）[1]从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为，整理有，[2]打F点时钩码的速度为，由于在误差允许的范围内，认为释放钩码的同时打出A点，则钩码动能的增加量为，[3]钩码的重力势能增加量为Ep重=mgh5。（2）[4]钩码机械能的增加量，即钩码动能和重力势能增加量的总和，若无阻力做功则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量。现在随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功，则产生这个问题的主要原因是纸带与限位孔的摩擦力做功变多导致两曲线间隔变大。1.纸带类和光电门类实验常见问题1）探究小车速度随时间变化的规律注意事项：①细绳与长木板平行。②释放前小车应靠近打点计时器。③先接通电源，再释放小车，打点结束先切断电源，再取下纸带。④钩码质量适当。2）探究加速度与物体受力、物体质量的关系注意事项：①补偿阻力，垫高长木板使小车能匀速下滑。②在补偿阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，实验过程中不用重复补偿阻力。③实验必须保证的条件：小车质量m≫槽码质量m′。④释放前小车要靠近打点计时器，应先接通电源，后释放小车。 3）验证机械能守恒定律注意事项：①要多做几次实验，选点迹清楚，且第一、二两点间距离接近2mm的纸带进行测量。②由于摩擦和空气阻力的影响，本实验的系统误差总是使。③本实验不需要在打下的点中取计数点。也不需要测重物的质量。 4）验证动量守恒定律 方法一：注意事项：①必须以质量较大的小球作为入射小球（保证碰撞后两小球都向前运动）。②小球落地点的平均位置要用圆规来确定：用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面，圆心就是落点的平均位置。③若被碰小球放在斜槽末端，而不用支柱，那么两小球将不再同时落地，但两个小球都将从斜槽末端开始做平抛运动，于是验证式就变为：m1OP=m1OM+m2ON，两个小球的直径也不需测量了。 方法二：注意事项：①气垫导轨要调整到水平。②安装到滑块上的挡光片宽度适当小些，计算速度会更精确。2.弹簧类、橡皮绳类及其他力学实验常见问题 1）探究弹簧弹力与形变量的关系注意事项：①尽量选轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响②要注意区分弹簧总长度和弹簧伸长量2）探究两个互成角度的力的合成规律注意事项：①.被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动小圆环时弹簧不可与外壳相碰或摩擦。②在同一次实验中，小圆环的位置O一定要相同。③在具体实验时，两分力F1和F2间夹角不宜过大，也不宜过小，以60°～120°之间为宜.3）探究平抛运动的特点注意事项：①斜槽末端的切线必须水平。②用重锤线检验坐标纸上的竖直线是否竖直。③以斜槽末端所在的点为坐标原点。④如果是用白纸，则应以斜槽末端所在的点为坐标原点，在斜槽末端悬挂重锤线，先以重锤线方向确定y轴方向，再用直角三角板画出水平线作为x轴，建立直角坐标系。⑤每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始下滑。4）探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系注意事项：①实验时，可先使短槽小球标尺达到，再去观察长槽小球标尺。②实验时，转速应从慢到快。5）用单摆测量重力加速度的大小注意事项：①开始摆动时需注意：摆角要小于5°（保证做简谐运动）；不要使摆动成为圆锥摆。②必须从摆球通过最低点时开始计时，测出单摆做50次全振动所用时间，算出周期的平均值T。③改变摆长重做几次实验，计算每次实验得到的重力加速度，再求这些重力加速度的平均值。3.力学创新拓展类实验问题及解题思路1）力学实验题的创新主要体现在对课本实验的改编、拓展或延伸，核心原理为:①以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和动力学定律设计实验.②将实验的基本方法控制变量法，处理数据的基本方法图象法、逐差法，融入到实验的综合分析之中.2）力学创新实验的解法为:①根据题目情境，提取相应的力学模型，明确实验的理论依据和实验目的，设计实验方案.②进行实验，记录数据，应用原理公式或图象法处理实验数据，结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析.3）题型一：实验器材的等效与替换①特点:实验装置、器材变化，但实验原理、方法等不变.②创新形式:Ⅰ、用气垫导轨代替长木板:应调整导轨水平，不必平衡摩擦力.Ⅱ、用光电门、频闪相机代替打点计时器.Ⅲ、用电子秤、力传感器或已知质量的钩码等代替弹簧测力计，4）题型二：实验结论的拓展与延伸①特点:实验的装置、器材等不变，但实验目的变了.利用所测数据，求另一物理量或验证另一个物理规律.②创新形式:Ⅰ、由测定加速度延伸为测定动摩擦因数，通过研究纸带、频闪照片或光电装置得出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求出物体所受的阻力或小车与木板间的动摩擦因数.Ⅱ、由测定加速度延伸为测定交流电的频率. 5）提醒三：实验情景的设计与创新①特点:用学过的物理规律和实验方法设计或解答新情景实验②创新形式:Ⅰ、利用平抛运动探究功与速度变化的关系.Ⅱ、利用钢球摆动验证机械能守恒定律.Ⅲ、利用凹形桥模拟器测小车过桥最低点的速度.Ⅳ、利用能量守恒定律测动摩擦因数.Ⅴ、利用运动公式解决新情景实验考向一纸带类和光电门类实验问题1．（2024·河北·统考一模）小明同学用如图1所示的装置来完成探究“加速度与力、质量的关系”实验。（1）用该装置进行实验，（选填“需要”或“不需要”）补偿阻力；（2）根据实验要求进行实验，实验得到如图2所示的一条纸带，已知电源的频率为50Hz，每两个相邻计数点间还有四个计时点没有画出，则小车运动的加速度大小为（保留2位有效数字）；（3）改变钩码的质量，根据得到的多条纸带得到小车运动的加速度大小a并记录对应的力传感器的示数F，则根据实验数据得到的关系可能是。【答案】需要0.75A【详解】（1）[1]因木板所受的滑动摩擦力不便于测出，则需垫高木板用小车所受重力的分力平衡掉滑动摩擦力，故实验需要补偿阻力；（2）[2]每两个相邻计数点间还有四个计时点没有画出，则计数点间的时间间隔为,由匀变速直线运动的判别式，结合连续的六段位移由逐差法可得,（3）[3]因平衡了摩擦力，力传感器测出了绳的拉力，对小车有,可得,则图像为过原点的倾斜直线，因测出了准确的合力则图像不会弯曲，故选A。2．（2024·辽宁·校联考一模）某同学利用图（a）所示的装置验证碰撞过程中的动量守恒定律。A、B两滑块均带有弹簧片和宽度相同的遮光片，测得滑块A、B（包含弹簧片和遮光片）的质量分别为和。将两滑块放在气垫导轨上，气垫导轨右侧两支点高度固定，左侧支点高度可调。（1）实验前，该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，结果如图（b）所示，则mm。（2）该同学在调节气垫导轨水平时，开启充气泵，将一个滑块轻放在导轨中部后，发现它向右加速运动。此时，应调节左支点使其高度（填“升高”或“降低”）。（3）将气垫导轨调节水平后，给滑块A一向右的初速度，使它与滑块B发生正碰。碰前滑块A通过光电门1的遮光时间为，A、B碰后分别通过光电门1和光电门2，遮光时间分别为和，则该同学所要验证的动量守恒定律的表达式为（用、、、和表示）。【答案】降低【详解】（1）[1]由图（b）可知，遮光条的宽度为,（2）[2]开启充气泵，将一个滑块轻放在导轨中部后，发现它向右加速运动，说明左高右低，则应调节左支点使其高度降低。（3）[3]根据滑块经过光电门的瞬时速度近似等于平均速度可得，滑块A碰前通过光电门1时的速度大小为,方向水平向右，同理可得，滑块A碰后通过光电门1时的速度大小为,方向水平向左，滑块B碰后通过光电门2时的速度大小为,方向水平向右，若碰撞过程动量守恒，取向右为正方向，则有,整理可得.考向二弹簧类、橡皮绳类及其他力学实验问题3．（2024·全国·模拟预测）某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验，他用两根自由长度为L0的完全相同的轻弹簧（弹簧始终处于弹性限度内）和重物进行了如下操作：（1）如图甲所示，把重物通过细绳连接在弹簧下端，稳定后