2025届高中物理三轮冲刺练习：力学实验（一）纸带、光电门类实验习题

专题六实验

微专题20力学实验(一)纸带、光电门类实验

何核心精讲

一、探究小车速度随时间变化的规律

1.纸带的应用

(1)判断物体的运动性质：若在实验误差允许范围内满足AX=X2-^1=^3-^2=•,'=Xn-Xn-1且A.X不为零，则可

判定物体做匀变速直线运动。

(2)求解瞬时速度：坊=告曲。

(3)用“逐差法”求加速度，例如：

(X+X5+X6)-(xl+x2+x3)

a=---4-----------------------o

9T2

2.光电门的应用

(1)测速度

光电门主要是测量速度的仪器，设小车上挡板的宽度为d,挡板遮住光电门光线的时间为Af,则小车

通过光电门时的速度V=^o

At

⑵测加速度

22

若已知两个光电门之间的距离为s,小车通过两个光电门时的速度分别为必、V2，贝

2s

二、探究加速度与力、质量的关系

1.平衡阻力

平衡阻力的目的是使拉小车的力近似等于钩码(沙和沙桶)的总重力。若使用气垫导轨，不必平衡阻力。

2.(1)钩码(沙和沙桶)的质量机远小于小车的质量M时，细线的拉力近似等于钩码(沙和沙桶)的总重力。

(2)当细线拉力可以直接测量时，如细线与拉力传感器连接(如图甲)或者细线绕过滑轮和弹簧测力计相

连(如图乙)，不需要满足〃，远小于

拉力传感器小车打点计时器

)接交流电源

沙和沙桶

甲

弹簧

‘测力计

三、验证机械能守恒定律

1.研究对象：单个物体或多个物体。

2.实验方案：

(1)利用物体做自由落体运动验证机械能守恒定律。

(2)利用物体沿光滑斜面下滑验证机械能守恒定律。

(3)利用滑块在气垫导轨上运动验证机械能守恒定律。

(4)利用摆球的运动验证机械能守恒定律。

(5)利用两物体组成的连接体验证机械能守恒定律。

四、验证动量守恒定律

1.速度可以直接测量：通过光电门或计时器测量速度。

2.速度不能直接测量：测量其他物理量，例如通过平抛运动将速度关系转换为位移关系。

3.实验拓展创新：验证动量定理。

13高频考点练

1.(2024•北京卷.18)如图甲所示，让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。

OM

甲

(1)(1分)关于本实验，下列做法正确的是(填选项前的字母)。

A.实验前，调节装置，使斜槽末端水平

B.选用两个半径不同的小球进行实验

C.用质量大的小球碰撞质量小的小球

(2)(3分)图甲中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，首先，将质量为阳的小球从斜槽上的S

位置由静止释放，小球落到复写纸上，重复多次。然后，把质量为山2的被碰小球置于斜槽末端，

再将质量为阳的小球从S位置由静止释放，两球相碰，重复多次。分别确定平均落点，记为〃、

N和P(P为加单独滑落时的平均落点)。

o

乙

a.图乙为实验的落点记录，简要说明如何确定平均落点；

b.分别测出O点到平均落点的距离，记为OP、和ON。在误差允许范围内，若关系式

成立，即可验证碰撞前后动量守恒。

(3)(2分)受上述实验的启发，某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示，用

两根不可伸长的等长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O点和。点，两点

间距等于小球的直径。将质量较小的小球1向左拉起至A点由静止释放，在最低点3与静止于C

点的小球2发生正碰。碰后小球1向左反弹至最高点4,小球2向右摆动至最高点Do测得小球1、

2的质量分别为机和弦长A,B=h.CD=l3o

丙

推导说明，m、M、h、/2、/3满足关系即可验证碰撞前后动量守恒。

2.(2023・全国甲卷・23)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。

打点计时器纸带小车

钩码

(a)

(1)(2分)已知打出图(b)中相邻两个计数点的时间间隔均为0.1So以打出A点时小车位置为初始位

置，将打出夙C、D、E、厂各点时小车的位移Ax填到表中，小车发生相应位移所用时间和平均

速度分别为和万，表中\XAD=cm,vAD=cm/So

；6.6o48.oo^—9.4()^^10.9()^—124()J

\•••・••(

1ABe-E尸)

单位：cm

(b)

位移区间ABACADAEAF

Ax(cm)6.6014.60^XAD34.9047.30

v(cmA)66.073.0VAD87.394.6

(2)(1分)根据表中数据得到小车平均速度正随时间A/的变化关系，如图(c)所示。在图中补全实验点。

叫0.10.20.30.40.50.6

(3)(2分)从实验结果可知，小车运动的声△『图线可视为一条直线，此直线用方程方=必什6表示，其

中七cm/s2,b-cm/so(结果均保留3位有效数字)

(4)(2分)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

VA=，小车的加速度大小。=□(结果用字母女、人表示)

3.(2024•江西卷•口)某小组探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图(a)所示，水平轨

道上安装两个光电门，小车上固定一遮光片，细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上钩码。

遮呦•小车小电工滑轮

心钩码

(a)

(1)实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行，再适当垫高轨道左端以平衡小车所受摩擦

力。

(2)小车的质量为"1=320go利用光电门系统测出不同钩码质量m时小车加速度Go钩码所受重力

记为凡作出图像，如图(b)中图线甲所示。

(3)由图线甲可知，尸较小时，a与尸成正比；尸较大时，a与尸不成正比。为了进一步探究，将小

车的质量增加至%=470g,重复步骤(2)的测量过程，作出*F图像，如图(b)中图线乙所示。

(4)(2分)与图线甲相比，图线乙的线性区间,非线性区间。再将小车的

质量增加至峪=720g,重复步骤⑵的测量过程，记录钩码所受重力厂与小车加速度a,如表所示

(表中第9~14组数据未列出)。

序号12345

钩码所受重力W.8N）0.0200.0400.0600.0800.100

小车加速度a/（m-s-2）0.260.550.821.081.36

序号6789〜1415

钩码所受重力以9.8N）0.1200.1400.160.......0.300

小车加速度欢mst）1.671.952.20.......3.92

（5）（2分）请在图（b）中补充描出第6至8三个数据点，并补充完成图线丙。

（6）（2分）根据以上实验结果猜想和推断：小车的质量_____________________________时，a与尸成

正比。结合所学知识对上述推断进行解释：。

4.（2024•陕西西安市三模）某实验小组用如图所示的装置来验证机械能守恒定律。绕过定滑轮的轻质

细线的两端分别悬挂质量均为根的重物A、B且处于静止状态，A与纸带连接，纸带通过固定的

打点计时器（电源频率为50Hz）,在B的下端再挂质量为V的重物C。由静止释放重物C,利用打

点计时器打出的纸带可研究系统（由重物A、B、C组成）的机械能守恒，重力加速度大小为g,回

答下列问题：

打点计时器

纸带

（1）（3分）关于该实验，下列说法正确的是。

A.实验时应先释放纸带再接通电源

B.无须测量重物C的质量V就可以验证机械能守恒定律

C.此实验存在系统误差，系统的总动能的增加量略大于总重力势能的减少量

D.对选取的纸带，若第1个点对应的速度为0,则第1、2两点间的距离一定小于2mm

（2）（3分）对选取的纸带，若第1个点对应的速度为0,重物A上升的高度为人通过计算得到三个

重物的速度大小为丫，然后描绘出小一（无为纵坐标）关系图像，图像为经过原点的一条倾斜直线，

若比京1,当倾斜直线的斜率上,就可以验证系统的机械能守恒。

g］补偿强化练

1.（2024.山东卷.13）在第四次“天宫课堂”中，航天员演示了动量守恒实验。受此启发，某同学使

用如图甲所示的装置进行了碰撞实验，气垫导轨两端分别安装a、b两个位移传感器，a测量滑块

A与它的距离XA,b测量滑块B与它的距离XB。部分实验步骤如下：

①测量两个滑块的质量，分别为200.0g和400.0g；

②接通气源，调整气垫导轨水平；

③拨动两滑块，使A、B均向右运动；

④导出传感器记录的数据，绘制XA、期随时间变化的图像，分别如图乙、图丙所示。

传感器a滑块A滑块B......传口感器b

I..III」.IIIIIIIIIIII」IIII

U口口二气源

回答以下问题：

（1）（2分）从图像可知两滑块在t=s时发生碰撞；

⑵（2分）滑块B碰撞前的速度大小v=m/s（保留2位有效数字）；

（3）（2分）通过分析，得出质量为200.0g的滑块是（填“A”或"B”）。

2.（2024.河北邯郸市二模）某学习小组用如图甲所示的装置测量祛码盘的质量。左、右两个相同的祛

码盘中各装有5个质量相同的祛码，每个祛码的质量为mo,装置中左端祛码盘的下端连接纸带。

现将左端祛码盘中的祛码逐一放到右端祛码盘中，并将两祛码盘由静止释放，运动过程中两盘一

直保持水平，通过纸带计算出与转移的祛码个数〃相对应的加速度m已知交流电的频率户50Hz。

（结果均保留两位小数）

单位：cm

$ABCDE）

>j7.59j9.32j1104112.76；,

乙

（1）（3分）某次实验，该组同学得到了如图乙所示的一条纸带，相邻两计数点间还有四个点未画出，

则相邻两计数点的时间间隔为s,打下。点时纸带的速度大小为m/s,纸带的加

2

速度大小为m/so

（2）（3分）若该组同学得到的n-a图像为过原点、斜率为k的直线，则每个祛码盘的质量为

（用公制和重力加速度大小g表示）。

3.（2024•江西南昌市二模）某同学设计实验验证机械能守恒定律，装置如图甲所示。一质量为根、直

径为d的小球连接在长为/的细绳一端，d«l,细绳另一端固定在O点，调整光电门的位置。由静

止释放小球，记录小球从不同高度释放通过光电门中心的挡光时间，重力加速度为g。

（1）（2分）用游标卡尺测量小球直径，如图乙所示，则小球直径d=mm；

（2）（4分）若某次测得光电门的中心与释放点的竖直距离为〃，小球通过光电门的挡光时间为Nt,则

小球从释放点下落至光电门中心时的动能增加量AEk=,重力势能减小量八4=

（均用题中字母表示）；

（3）（2分）经过多次重复实验，发现小球经过光电门时，AEk总是大于AEp,下列原因中可能的

是O

A.小球的质量测量值偏大

B.在最低点时光电门的中心偏离小球球心

C.小球下落过程中受到了空气阻力

答案精析

高频考点练

l.(l)AC(2)用圆规画圆，尽可能用最小的圆把各个落点圈住，这个圆的圆心位置代表平均落点

miOP=miOM+rmON⑶mli=-ml2+MI3

解析(1)实验中若使小球碰撞前、后的水平位移与其碰撞前、后速度成正比，需要确保小球做平

抛运动，即实验前，调节装置，使斜槽末端水平，故A正确；

为使两小球发生的碰撞为对心正碰，两小球半径需相同，故B错误；

为使碰后入射小球与被碰小球同时飞出，需要用质量大的小球碰撞质量小的小球，故C正确。

(2)用圆规画圆，尽可能用最小的圆把各个落点圈住，这个圆的圆心位置代表平均落点。

碰撞前、后小球均做平抛运动，由炉务/2可知，小球的运动时间相同,所以水平位移与平抛初速

度成正比，

所以若miOP-m\OM+mzON

即可验证碰撞前后动量守恒。

(3)设轻绳长为L，小球从偏角。处静止摆下，摆到最低点时的速度为v，小球经过圆弧对应的弦长

为I,则由动能定理有mg£(l-cos0)=jmv2

由数学知识可知sin制;

联立两式解得v=lf

若两小球碰撞过程中动量守恒，则有

mv\=-mv2+Mv3

又有vi=ZiZ,V2=/2J'f9

L

9_

V3=l3

整理可得mh=-mh+Mho

2.(1)24.0080.0(2)见解析图

(3)70.059.0(4)b2k

解析(1)根据纸带的数据可得

AXAD=XAB+XBC+XCZ)=6.60cm+8.00cm+9.40cm=24.00cm

平均速度2。=贽=80.0cm/s

(2)根据第⑴小题结果补充表格和补全实验点图像得

⑶从实验结果可知，小车运动的方图线可视为一条直线，图像为

此直线用方程无松9表示，由图像可知其中上”泮加2=7。.。。葩2,

Z?=59.0cm/s

(4)小车做匀变速直线运动，由位移公式产可什3/2,整理得彳

即方=VA+工G

2

故根据图像斜率和纵截距可得VA=b,

a=2ko

3.⑷较大较小(5)见解析图

(6)远大于钩码质量见解析

解析(4)由题图(b)分析可知，与图线甲相比，图线乙的线性区间较大，非线性区间较小。

(5)在坐标系中进行描点，结合其他点用平滑的曲线拟合，使尽可能多的点在线上，不在线上的点

均匀分布在线的两侧，如图所示

(6)设细线拉力为FT,对钩码根据牛顿第二定律有F-F^ma,

对小车根据牛顿第二定律有

联立解得F=(M+m)a,

变形得a--^—F,当根时，

M+m

可认为m+M^M,

则a--F，即。与方成正比。

M

4.⑴D(2)2|

解析(1)为了充分利用纸带，实验时应先接通电源再释放纸带，故A错误；根据题意可知，本实

验需要验证Mgh=l(2m+M)v2,可知验证机械能守恒定律需要测量重物C的质量M,故B错误；此

实验存在的主要系统误差是纸带与打点计时器间的摩擦力和重物受到的空气阻力，则导致的结果

是总动能的增加量略小于总重力势能的减小量，故C错误；只有当物体下落的加速度为g时，在

0.02s内下落的距离为和夫产。2mm,由牛顿第二定律可得，重物的加速度为斫缶g<g,则若第

1个点对应的速度为0,则第1、2两点间的距离一定小于2mm,故D正确。

(2)根据题意可知，若系统的机械能守恒，则有Mgh=^(2m+M)v2

可知，正关系图像是经过原点的一条倾斜直线。

若M=-m,则有

3

2

2m+-m2

k=-3=~

髀g9

就可以验证系统的机械能守恒。

补偿强化练

1.(1)1.0(2)0.20(3)B

解析(1)由x-t图像的斜率表示速度可知两滑块的速度都在Z=1.0s时发生突变，即这个时刻发生

了碰撞；

(2)根据X4图像斜率的绝对值表示速度大小可知滑块B碰撞前的速度大小为v