專題19 力學(xué)實驗（講義）（原卷版）

專題19力學(xué)實驗?zāi)夸汿OC\o"1-4"\h\z\u考點一力學(xué)實驗 3 3 71.紙帶類和光電門類實驗常見問題 72.彈簧類、橡皮繩類及其他力學(xué)實驗常見問題 93.力學(xué)創(chuàng)新拓展類實驗問題及解題思路 12 13考向一紙帶類和光電門類實驗問題 13考向二彈簧類、橡皮繩類及其他力學(xué)實驗問題 14考向三力學(xué)創(chuàng)新拓展類問題 14

考點要求考題統(tǒng)計力學(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)】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(guān)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(guān)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(guān)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(yù)測】1.本專題屬于熱點、基礎(chǔ)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(guān)實驗問題，利用光電門測量速度類及相關(guān)實驗問題②彈簧類、橡皮繩類及其他力學(xué)實驗問題：與彈簧有關(guān)的實驗，與橡皮繩有關(guān)的實驗，與平拋運動有關(guān)的實驗，探究向心力與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系，與單擺有關(guān)的實驗③力學(xué)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(shè)計類實驗

考點一力學(xué)實驗1．（2023·全國·高考真題）某同學(xué)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(guān)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(guān)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(yīng)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(guān)系，如圖（c）所示。在答題卡上的圖中補全實驗點。

（3）從實驗結(jié)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(jié)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(jié)果用字母k、b表示）2．（2023·天津·高考真題）某同學(xué)利用圖示的氣墊導(dǎo)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(dǎo)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。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(jié)果保留3位有效數(shù)字）（4）推導(dǎo)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(yīng)的，并在坐標紙上作出關(guān)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(jié)論為。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(jié)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。5．（2023·浙江·高考真題）如圖所示，某同學(xué)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(guān)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“>”）。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(guān)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。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(yīng)靠近打點計時器。③先接通電源，再釋放小車，打點結(jié)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(guān)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(fù)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(yīng)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?qū)⒉辉偻瑫r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(dǎo)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(xué)實驗常見問題 1）探究彈簧彈力與形變量的關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(zhuǎn)速應(yīng)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(xué)創(chuàng)新拓展類實驗問題及解題思路1）力學(xué)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(xué)模型為載體，依托運動學(xué)規(guī)律和動力學(xué)定律設(shè)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(xué)創(chuàng)新實驗的解法為:①根據(jù)題目情境，提取相應(yīng)的力學(xué)模型，明確實驗的理論依據(jù)和實驗?zāi)康?，設(shè)計實驗方案.②進行實驗，記錄數(shù)據(jù)，應(yīng)用原理公式或圖象法處理實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合物體實際受力情況和理論受力情況對結(jié)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(dǎo)軌代替長木板:應(yīng)調(diào)整導(dǎo)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(jié)論的拓展與延伸①特點:實驗的裝置、器材等不變，但實驗?zāi)康淖兞?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(shè)計與創(chuàng)新①特點:用學(xué)過的物理規(guī)律和實驗方法設(shè)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(guān)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(xué)用如圖1所示的裝置來完成探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)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(yīng)的力傳感器的示數(shù)F，則根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的關(guān)系可能是。2．（2024·遼寧·校聯(lián)考一模）某同學(xué)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(dǎo)軌上，氣墊導(dǎo)軌右側(cè)兩支點高度固定，左側(cè)支點高度可調(diào)。（1）實驗前，該同學(xué)用游標卡尺測量遮光條的寬度d，結(jié)果如圖（b）所示，則mm。（2）該同學(xué)在調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平時，開啟充氣泵，將一個滑塊輕放在導(dǎo)軌中部后，發(fā)現(xiàn)它向右加速運動。此時，應(yīng)調(diào)節(jié)左支點使其高度（填“升高”或“降低”）。（3）將氣墊導(dǎo)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(xué)所要驗證的動量守恒定律的表達式為（用、、、和表示）。考向二彈簧類、橡皮繩類及其他力學(xué)實驗問題3．（