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1、20202020 年物理二轮专题过关宝典年物理二轮专题过关宝典专题十三：力学实验专题十三：力学实验【知识回扣】一、运动类实验分析1.基础实验原理及考点实验原理图注意事项平行：细绳、纸带与长木板平行。两先两后：实验时先接通电源，后释放小车；实验后先断开电源，根据纸带计算瞬时速后取下纸带。速度随时纸带选：选择一条点迹清晰的纸间变化的带，舍弃点的密集部分，适当选取规律计数点。动。准确作图：横纵坐标轴选择合适的单位，做一条直线，让尽量多的点落在这条直线上。运动还是匀变速直线运判断运动是匀速直线度和加速度。高频考点平衡：必须平衡摩擦力(改变小车或重物质量，无须重新平衡)加速度与物体质量、物体受力的关系实
2、验条件：重物的总质量远小于小车质量(若使用力传感器，或以小车与重物的系统为研究对象无须满足此要求)。其他：细绳与长木板平行；小车靠近打点计时器的位置释放；实验时先接通电源，后释放小车平衡：须平衡摩擦力。平衡摩擦力的方法、标准及误差分析质量条件（mM）的原理。根据纸带计算速度和加速度。1分析 aF 或 a图M象，并得出结论。平衡摩擦力的方法、做功：橡皮筋做的功是变力做功，判断标准探究动能定理不能具体求解，须用倍增法改变功的大小。小车：靠近打点计时器且接通电源再释放小车；每次小车须由同一位置静止弹出。安装：打点计时器竖直安装；纸带沿竖直方向拉直。验证机械能守恒定律速度：应用 vn重物：选密度大、质
3、量大的金属块，且靠近打点计时器处释放。hn1hn1，不能2T求速度：小车获得速度就是纸带上点距均匀的速度考图象：作 Wv 或Wv2图象，得出结论根据纸带计算物体的下落速度、减少重力势能与增加动能。v2v2考图象：h或22h 图象的斜率判断机械能守恒小球选取、O 点确定问题小球质量的测量和小球平抛运动的水平位移的测量若进一步验证碰撞是用 vn 2ghn或 vngt 计算。安装：斜槽末端切线必须沿水平方向。验证注意选择质量较大的小球为入射动量小球。守恒保证入射小球每次从斜槽上同一定律高度由静止释放。验证的表达 m1OP=m1OM+m2ON弹性碰撞，需满足表达式m1OP2=m1OM2+m2ON22.
4、纸带的三大应用(1)判断物体运动性质1 若 x0，则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动。2 若 x 不为零且为定值，则可判定物体在实验误差允许范围内做匀变速直线运动。(2)求解瞬时速度做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。如图所示，求打某一点的瞬时速度，只需在这一点的前后各取相同时间间隔 T 的两段位移 xn和 xn1，则打 n 点时的速度 vn(3)求加速度（1）用“逐 差 法”求 加 速 度：因 为 a1x4x5x6x1x2x3。9T2x4x1x5x2x6x3a1a2a32，a22，a32；所 以 a 3T3T3T3xnxn1。2Tsnsn1（2）利用
5、 vn算出相应时刻点的速度，画出vt 图象，根据图线的斜率计算加速度。2T3.凡是应用打点计时器的实验,都必须先接通电源,等打点稳定后,再释放纸带。4.不同的实验，平衡摩擦力的目的也不相同（1）在探究 a 与 F、m 的定量关系的实验中，平衡摩擦力的目的是为使细线的拉力作为小车的合外力。（2）在探究做功与动能变化的关系时，为了使橡皮筋对小车所做的功为总功，应平衡小车的摩擦力。5.图像法处理实验数据应注意以下几点(1)作图一定要用坐标纸,坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定。(2)要标明轴名、单位,在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值。(3)图上的连线不一定通过所有的数据点,
6、应尽量使数据点合理地分布在线的两侧,且线要细。(4)作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化,即“变曲为直”。(5)注意区别横、纵坐标轴的物理意义、标度及单位。(6)明确图像的斜率、截距的物理意义。二、受力类实验1.基础实验原理及考点实验原理图注意事项高频考点等效思想：同一次实验中橡皮条拉长后的结点 O 位置必须保持不变。力的平行两分力 F1、F2的夹角不要四边形太大或太小定则作图：选定比例要相同；严格按力的图示要求作平行四边形求合力实验中悬挂的钩码不要太多，以免超过弹簧的弹性限探究弹力度。与弹簧伸作图：根据数据做出弹力长的关系与伸长关系或弹力与弹簧长度的关系图像。2.验证力的平行四边形定则的
7、操作关键(1)每次拉伸，结点位置 O 必须保持不变。(2)记下每次各力的大小和方向。(3)画力的图示时应选择适当的标度。【热门考点透析】考点一研究匀变速直线运动的特点两次拉橡皮条时需将结点 O 拉到同一位置。根据分力 F1、F2大小与方向用作图法求合力。能区分合力的理论值与实验值若图像为直线，说明弹簧的弹力与伸长量成正比，图像的斜率表示弹簧的进度系数【基础实验】(2018高考北京卷)用图甲所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。主要实验步骤如下：a安装好实验器材接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次。b选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点 O(t0)，然后每隔相同
8、的时间间隔 T选取一个计数点，如图乙中 A、B、C、D、E、F所示。c通过测量、计算可以得到在打 A、B、C、D、E点时小车的速度，分别记作 v1、v2、v3、v4、v5d以速度 v 为纵轴、时间 t 为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图丙所示。结合上述实验步骤，请你完成下列任务：(1)在下列仪器和器材中，还需要使用的有_和_(填选项前的字母)。A电压合适的 50 Hz 交流电源B电压可调的直流电源C刻度尺D秒表 E天平(含砝码)(2)在图丙中已标出计数点 A、B、D、E 对应的坐标点，请在该图中标出计数点 C 对应的坐标点，并画出 vt 图象。(3)观察 vt 图象，可以判断小车做匀变
9、速直线运动，其依据是_vt 图象斜率的物理意义是_。(4)描绘 vt 图象前，还不知道小车是否做匀变速直线运动用平均速度x表示各计数点的瞬时速度，从理论上t讲，对 t 的要求是_(选填“越小越好”或“与大小无关”)；从实验的角度看，选取的 x 大小与速度测量的误差_(选填“有关”或“无关”)。(5)早在 16 世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图丁所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜想请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的。【实验创新】某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动
10、，用自制“滴水计时器”计量时间。实验前，将该计时器固定在小车旁，如图(a)所示实验时，保持桌面水平，用手轻推一下小车在小车运动过程中，滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴，图(b)记录了桌面上连续 6 个水滴的位置。(已知滴水计时器每 30 s 内共滴下 46 个小水滴)(1)由图(b)可知，小车在桌面上是_(填“从右向左”或“从左向右”)运动的。(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动小车运动到图(b)中 A 点位置时的速度大小为_m/s，加速度大小为_ m/s2.(结果均保留两位有效数字)【增分攻略】1.光电门代替纸带求速度、加速度d(1)计算速度：如果挡光片的宽度为d，挡光时
11、间为 t，则物体经过光电门时的瞬时速度v。t2v2v21(2)计算加速度：利用两光电门的距离L 及 a计算加速度。2L2.频闪照相代替打点计时器打纸带。频闪技术是在同一张底片上间隔相等的时间多次曝光获得物体的位置，也就是在同一相片上显示一个物体在不同时刻的位置。3.用滴水针头代替打点计时器打纸带考点二验证牛顿运动定律【基础实验】(2019安徽定远重点中学高三二模)某同学利用如图甲所示的装置探究物体的加速度 a 与所受合力 F的关系。(1)打点计时器使用的电源是_(选填选项前的字母)。A交流电源B直流电源(2)他用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡摩擦力。具体操作是：把木板垫高后，小车放
12、在木板上，在不挂小桶且计时器 _(填“打点”或“不打点”)的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。实验时保持小桶和砝码的总质量远小于小车的质量，其目的是_(选填选项前的字母)。A小车所受的拉力近似等于小车所受的合力B小车所受的拉力近似等于小桶和砝码的总重力C保证小车运动的加速度不超过当地重力加速度(3)图乙是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出。相邻的计数点之间的距离分别为：xAB4.22 cm、xBC4.65 cm、xCD5.08 cm、xDE5.49 cm、xEF5.91 c
13、m、xFG6.34 cm。已知打点计时器的工作频率为 50 Hz，则小车的加速度 a_ m/s2(结果保留两位有效数字)。(4)另一位同学也利用图甲所示的装置做实验。他保持小桶和砝码的质量不变，改变放在小车中砝码的质量m，1测出对应的加速度 a。假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响。他没有测量小车的质量，而是以为纵坐a1标，m 为横坐标，画出-m 图象。从理论上分析，下列图象正确的是_。a【实验创新】(2019高考全国卷，T22)如图(a)，某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验所用器材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率 50 Hz 的交流电源、纸带等回答下列问题：
14、(1)铁块与木板间动摩擦因数 _(用木板与水平面的夹角、重力加速度 g 和铁块下滑的加速度 a 表示)。(2)某次实验时，调整木板与水平面的夹角使 30.接通电源，开启打点计时器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图(b)所示图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4 个点未画出)重力加速度为 9.80 m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为_(结果保留 2 位小数)。考点三验证动能定理【基础实验】（2020四川省内江市高三一模）如图甲，是“探究功与速度变化的关系”的实验装置，当质量为0.1kg的小车，完全相同的橡皮筋进行第在 1 条橡皮筋作用下弹
15、出时，橡皮筋对小车做的功记为W；当用 2 条、3 条实验时，由于每次实验中橡皮筋的拉伸长度相同，因此第2 次、第 3 次实验中，橡2 次、第 3 次皮筋对小车做的功分别为2W、3W，每次实验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带求出。则：（1）关于该实验，下列说法中正确的是_（填选项序号字母）。A必须平衡摩擦力B打点计时器可以用干电池供电C每次实验，小车必须从同一位置由静止释放D可以选用规格不相同的橡皮筋（2）图乙为某次用 1 条橡皮筋实验打出的纸带，测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB 1.60cm，BC 1.62cm，CD 1.64cm，DE 1.64cm，则小车获得的
16、最大速度为_m/s。如果用2 条橡皮筋做实验，那么，在理论上，小车获得的最大动能为_J（结果保留两位有效数字）。【实验创新】（2019江苏卷）某兴趣小组用如图 1 所示的装置验证动能定理。(1)有两种工作频率均为 50 Hz 的打点计时器供实验选用：A电磁打点计时器B电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择_(选填“A”或“B”)。(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动。同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动，看法正
17、确的同学是_(选填“甲”或“乙”)。(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码接通打点计时器电源，松开小车，小车运动纸带被打出一系列点，其中的一段如图2 所示图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A 点的速度 vA_m/s.1(4)测出小车的质量为 M，再测出纸带上起点到 A 点的距离为 L.小车动能的变化量可用Ek Mv2 A算出 砝2码盘中砝码的质量为 m，重力加速度为 g。实验中，小车的质量应_(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用WmgL 算出多次测量，若 W 与 Ek 均基本相等则验证了动能定理。考点四验证机械能守恒定律【基础实验】用如图甲
18、所示的实验装置验证 m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带，0 是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有 4个打下的点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示。已知 m150g，m2150 g，则(计算结果保留两位有效数字，实验用交流电周期为 0.02 s)(1)在纸带上打下计数点 5 时的速度 v5_m/s；(2)在打下计数点 05 的过程中系统动能的增加量 Ek_J，为了简化计算，g 取 10 m/s2，则系统重力势能的减少量 Ep_J；1(3)在本实验中，若某
19、同学作出了 v2-h 图像，如图丙所示，h 为从起点量起的长度，则据此得到当地的重力加速2度 g_m/s2。【实验创新】(2019四川南充三诊)气垫导轨上相隔一定距离的两处安装有两个光电传感器 A、B，A、B 间距为 L，滑块 P 上固定一遮光条，P与遮光条的总质量为 M，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连。滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器 A、B 时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压 U 随时间 t 变化的图象。“”)时，说明气垫导轨已经水平。(2)用螺旋测微器测遮光条宽度 d，测量结果如图丙所示，则 d_ mm。(1)实验前
20、，接通气源，将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的t1_t2(选填“”“mB)的碰撞来验证动量守恒定律。图甲中PQ是斜槽，QR 为水平槽。实验时先使A 球从斜槽上某一固定位置G 由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹。重复上述操作10 次，得到 10 个落点痕迹再把 B 球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让 A 球仍从位置 G 由静止开始滚下，和 B 球碰撞后，A、B 球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹 重复这种操作 10 次。图甲中 O 点是水平槽末端 R 在记录纸上的竖直投影点。B 球落点痕迹如图乙所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O 所在的平面，米尺的零
21、点与O 点对齐。(1)碰撞后 B 球的水平射程应取为_ cm；(2)在以下选项，哪些是本次实验必须进行的测量？_(填选项序号)A水平槽上未放 B 球时，测量 A 球落点位置到 O 点的距离BA 球与 B 球碰撞后，测量 A 球落点位置到 O 点的距离C测量 A 球或 B 球的直径D测量 A 球和 B 球的质量(或两球质量之比)E测量水平槽面相对于O 点的高度(3)实验中，关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中正确的是_。A释放点越低，小球受阻力越小，入射小球速度越小，误差越小B释放点越低，两球碰后水平位移越小，水平位移测量的相对误差越小，两球速度的测量越准确C释放点越高，两球相碰时
22、，相互作用的内力越大，碰撞前后动量之差越小，误差越小D释放点越高，入射小球对被碰小球的作用力越大，轨道对被碰小球的阻力越小2(2019四川南充三诊)如图甲所示为验证动量守恒定律的实验装置，气垫导轨置于水平桌面上，G1和 G2为两个光电门，A、B 均为弹性滑块，质量分别为 mA、mB，且 mA大于 mB，两遮光片沿运动方向的宽度均为 d，实验过程如下：(1)调节气垫导轨成水平状态；(2)轻推滑块 A，测得 A 通过光电门 G1的遮光时间为 t1；(3)A 与 B 相碰后，B 和 A 先后经过光电门 G2的遮光时间分别为 t2和 t3。回答下列问题：用螺旋测微器测得遮光片宽度如图乙所示，读数为：_
23、 mm。实验中选择 mA大于 mB的目的是：_。利用所测物理量的符号表示动量守恒定律成立的式子为：_。考点六验证平行四边形定则【基础实验】在“验证力的平行四边形定则”的实验中,某同学的实验情况如图甲所示，其中 A 为固定橡皮条的图钉，O 为橡皮条与细绳的结点,OB 和 OC 为细绳。图乙是白纸上根据实验结果画出的图。(1)图乙中,是 F1和 F2的实际合力。(2)保持 O 点的位置和OB 绳的方向不变,当 从 60逐渐增大到120的过程中,OC 绳的拉力的变化情况是。(3)为了减小实验误差,下列措施中可行的是。A.拉橡皮条的细绳应该细一些且适当长一些B.拉橡皮条时弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近
24、木板且与木板平面平行C.橡皮条弹性要好,在选择 O 点位置时,应让拉力适当大些D.拉力 F1和 F2的夹角越大越好【实验创新】某物理课外兴趣小组的三名同学想“验证力的平行四边形定则”，他们找到了如下物品：一根粗细均匀的长橡皮筋、木板、剪刀白纸、铅笔、刻度尺、三角板、三个重量相同的钩码图钉和细绳若干。他们设计了如下实验方案：步骤 1：橡皮筋一端固定，另一端系上细绳套，分别挂上一个两个、三个钩码，用刻度尺测量挂上相应的钩码时橡皮筋的长度，看伸长量是否与所挂钩码数成正比，若成正比则进行下一步；步骤 2：将橡皮筋剪成长度均为的三段，将三段橡皮筋的一端系在一起设为结点O，另一端均系上细绳套，任取两细绳套
25、对拉检查对应橡皮筋长度是否相等，若相等则进行下一步；步骤 3：在木板上固定白纸，在白纸合适位置用图钉套住一细绳套，现用手将另两细绳套成一定角度往下拉适当的距离记录结点 O 的位置和测量三段橡皮筋的长度l1、l2、l3。(如图所示)(1)则有关上述操作说法正确的有（_）A步骤 1 的目的是判断橡皮筋是否符合胡克定律B步骤 2 的目的是判断三段橡皮筋劲度系数是否相同C步骤 3 还需要记录橡皮筋 2、3 的方向D步骤 3 还需要测力计测量三段橡皮筋的拉力大小(2)该小组的三名同学分别做此实验，则他们在改变细绳的夹角再做实验时_(填“需要”或“不需要”)保证结点 O 位置不变。现测得l=10.0m，则
26、甲、乙、丙记录的数据明显存在错误的是_(填“甲”或“乙”或“丙”)。甲：l1=l2=l3=15.0cm；乙：l1=15.0cm，l2=120.cm，l3=12.0cm；丙：l1=16.0cm，l2=13.0cm，l3=14.0cm考点七探究弹簧弹力与弹簧伸长量的关系(2019广东广州二模)某兴趣小组用如图甲所示实验装置完成探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系后做拓展研究。请根据如下实验过程，完成相关实验内容：(1)将轻质弹簧悬挂于铁架台，测得弹簧原长 L0；(2)在弹簧下端拴挂质量为 m 的钩码，待系统静止时，测得弹簧长度 L；(3)当地重力加速度为 g，弹簧的劲度系数 k_(用 m、g、L0、L 表
27、示)；(4)托起钩码使弹簧恢复原长，并由静止释放，测得弹簧拉伸的最大长度 L。发现 LL，于是进一步探究弹簧两次伸长量 x0LL0和 xLL0之间的关系；(5)改变钩码个数，重复实验，得到多组 x0、x 数据，作出 x-x0图象如图乙所示；xx(6)由图乙可知 _，该小组换用不同弹簧进行同样实验，发现的值相同；x0 x0(7)通过分析，该小组得出了弹簧弹性势能的表达式：步骤(2)中，系统静止时，钩码受力平衡，有 mg_(用 k、x0表示)；步骤(4)中，根据机械能守恒定律，弹簧被拉伸到最长时的弹性势能 Ep_(用 m、g、x 表示)；结合步骤(6)，劲度系数为 k 的弹簧伸长 x 时，对应的弹性势能 Ep_(用 k、x 表示)。