新高考物理二轮培优专题6.1 力学实验通性通法讲解（2份打包，原卷版+解析版）

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目录
TOC \ "1-3" \h \u \l "_Tc4016" 一．力学实验通性通法 PAGEREF _Tc4016 \h 1
\l "_Tc18487" (一)把力测出来 PAGEREF _Tc18487 \h 1
\l "_Tc10705" (二)让物体动起来 PAGEREF _Tc10705 \h 1
\l "_Tc10403" (三)把速度测出来 PAGEREF _Tc10403 \h 2
\l "_Tc12729" (四)把加速度测出来 PAGEREF _Tc12729 \h 2
\l "_Tc29829" 二．以“本”为本eq \a\vs4\al(/)教材基础实验再回首 PAGEREF _Tc29829 \h 3
\l "_Tc1515" 实验一 纸带和光电门类实验 PAGEREF _Tc1515 \h 3
\l "_Tc10376" 实验二 弹簧、橡皮条、碰撞类实验 PAGEREF _Tc10376 \h 12
\l "_Tc20407" 三．专题强化训练 PAGEREF _Tc20407 \h 20
【概述】物理力学部分的实验共有八个，包括测量做直线运动物体的瞬时速度，探究弹簧弹力与形变量的关系，探究两个互成角度的力的合成规律，探究加速度与物体受力、物体质量的关系，验证机械能守恒定律，探究平抛运动的特点，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系，验证动量守恒定律，这些实验都离不开力、长度、加速度的测量，离不开让物体运动起来。将具有相同点的实验进行分类归纳，有利于考生化繁为简、化厚为薄、总结规律，把握内核巧迁移。
一．力学实验通性通法
(一)把力测出来
(二)让物体动起来
(三)把速度测出来
(四)把加速度测出来
二．以“本”为本eq \a\vs4\al(/)教材基础实验再回首
实验一 纸带和光电门类实验
【谨记要点】
1．涉及的实验
(1)研究匀变速直线运动。
(2)验证牛顿运动定律。
(3)探究动能定理。
(4)验证机械能守恒定律。
2．纸带的应用
(1)确定时间
要区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，为便于测量和计算，一般每五个点取一个计数点，这样时间间隔为Δt＝0.02×5 s＝0.1 s。
(2)求瞬时速度
做匀变速直线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，求纸带上某一点的瞬时速度，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xn＋1，则打n点时的速度vn＝eq \f(xn＋xn＋1,2T)。
(3)求加速度
①利用a＝eq \f(Δx,T2)求解：在已经判断出物体做匀变速直线运动的情况下可利用Δx＝xn＋1－xn＝aT2求加速度a。
②逐差法
如图所示，由xn－xm＝(n－m)aT2
可得：a1＝eq \f(x4－x1,3T2)，a2＝eq \f(x5－x2,3T2)，a3＝eq \f(x6－x3,3T2)，
所以a＝eq \f(a1＋a2＋a3,3)＝eq \f(x4＋x5＋x6－x1－x2－x3,9T2)。
③两段法：把图中x1、x2、x3、x4、x5、x6分成时间相等(均为3T)的两大段，则由x Ⅱ－x Ⅰ＝aT2得：(x4＋x5＋x6)－(x1＋x2＋x3)＝a(3T)2，解出的a与上面逐差法结果相等，但却要简单得多。
④图像法
a．由vn＝eq \f(xn＋xn＋1,2T)，求出相应点的速度。
b．确定各计数点的坐标值(T，v1)、(2T，v2)、…、(nT，vn)。
c．画出v ­t图像，图线的斜率为物体做匀变速直线运动的加速度。
3．光电门的应用
(1)记录时间：光电计时器可以记录挡光时间Δt。
(2)测量瞬时速度：v＝eq \f(d,Δt)(d为遮光板宽度)；用平均速度代替瞬时速度。
(3)计算加速度：a＝eq \f(veq \\al(2,2)－veq \\al(2,1),2x)或a＝eq \f(v2－v1,t)。
4.使用打点计时器
实验操作中的注意事项：
1.平行：纸带、细绳要和长木板平行。
2.靠近：释放小车前，应使小车停在靠近打点计时器的位置。
3.两先两后：实验时应先接通电源，后释放小车；实验后先断开电源，后取下纸带。
4.防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止槽码落地或小车与滑轮碰撞。
5.减小误差：小车另一端挂的槽码质量要适当，避免速度过大而使纸带上打的点太少，或者速度太小，使纸带上打的点过于密集。
【例1】．如图甲所示，是研究小车做匀变速直线运动规律的实验装置，打点计时器所接的交流电源的频率为f＝50 Hz，试问：
(1)实验中，必要的措施是________。
A．细线必须与长木板平行
B．小车必须具有一定的初速度
C．小车质量远大于钩码质量
D．必须平衡小车与长木板间的摩擦力
(2)如图乙所示，A、B、C、D、E、F、G是刚打好的纸带上7个连续的点。从图乙中可读得s6＝________cm，计算F点对应的瞬时速度的表达式为vF＝________。
(3)如图丙所示，是根据实验数据画出的v2­2s图线(v为各点的速度大小)，由图线可知小车运动的加速度为________m/s2。(保留两位有效数字)
【答案】：(1)A (2)6.00 eq \f(fs6－s4,2) (3)0.50(±0.02)
【解析】：(1)实验中，细线必须与长木板平行，以减小实验的误差，选项A正确；实验中让小车由静止释放，不需要初速度，选项B错误；此实验不需要使得小车质量远大于钩码质量，选项C错误；此实验没必要平衡小车与长木板间的摩擦力，选项D错误。
(2)从题图乙中可读得s6＝6.00 cm，计算F点对应的瞬时速度的表达式为
vF＝eq \f(s6－s4,2T)＝eq \f(fs6－s4,2)。
(3)由图线可知小车运动的加速度等于v2­2s图线的斜率
a＝eq \f(Δv2,Δ2s)＝eq \f(1.50－0.25,25×10－1) m/s2＝0.50 m/s2。
【例2】.某物理实验小组利用图所示装置“探究小车的加速度与受力的关系”。
(1)关于实验操作，下列说法正确的是________。
A.实验时，先释放小车再接通打点计时器的电源
B.调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行
C.每次改变重物质量时，不需要重新调整长木板的倾斜度
D.为尽可能减小实验误差，小车的质量应远大于重物的质量
(2)一次实验中获得的纸带如图所示，已知所用电源的频率为50 Hz，每5个点取一个计数点，A、B、C、D、E、F、G为所取计数点，由图中数据可求得加速度大小a＝________ m/s2(计算结果保留2位有效数字)。
(3)实验小组先保持小车质量为m1不变，改变小车所受的拉力F，得到a随F变化的规律如图4中直线A所示，然后实验小组换用另一质量为m2的小车，重复上述操作，得到如图4中所示的直线B，由图可知，m1________m2(选填“大于”或“小于”)，直线B不过坐标原点的原因是______________________________。
【答案】 (1)BCD (2)0.18 (3)小于 长木板倾斜程度过大，平衡摩擦力过度
【解析】 (1)实验时，要去先接通打点计时器的电源再释放小车，A错误；绳子的拉力应与运动方向一致，故应调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行，B正确；平衡后，应有μmgcs θ＝mgsin θ，即有μ＝tan θ，故每次改变重物质量时，不需要重新调整长木板的倾斜度，C正确；为尽可能减小实验误差，实验要求小车的质量应远大于重物的质量，D正确。
(2)设AD为x1，DG为x2，由题图乙可得x1＝3.70 cm－0.40 cm＝3.30 cm，x2＝8.60 cm－3.70 cm＝4.90 cm，所用电源的频率为50 Hz，每5个点取一个计数点，可得AD之间的时间间隔为t＝3×0.02×5 s＝0.3 s
根据匀变速直线运动的推论，即
Δx＝x2－x1＝at2
代入数据解得a＝0.18 m/s2。
(3)根据牛顿第二定律可得a＝eq \f(F,m)，
a－F图线斜率大小表示eq \f(1,m)，由图线可知，A的斜率大于B的，故m1ma；为使两球发生对心正碰，两球半径应相等，即ra＝rb，故选A。
(2)要验证动量守恒，就需要知道碰撞前后的动量，所以要测量两个小球的质量及碰撞前后小球的速度，碰撞前后小球都做平抛运动，速度可以用水平位移代替，所以需要测量的量为：小球a、b的质量ma、mb，记录纸上O点到A、B、C各点的距离OA、OB、OC，故A、B符合题意。
(3)重复操作时，弹簧每次被锁定的长度应相同，可以保证小球b能够获得相等的速度，故A项与题意不相符；重复操作时发现小球的落点并不完全重合，不是实验操作中出现了错误；可以用半径尽量小的圆把10个落点圈起来，这个圆的圆心可视为小球落点的平均位置，故B项与题意相符，C项与题意不相符；仅调节桌面的高度，桌面越高，则小球飞行的时间越长，则线段OB的长度越长，故D项与题意不相符。
(4)小球离开桌面后做平抛运动，小球抛出点的高度相同，小球在空中的运动时间t相等，如果碰撞过程动量守恒，则mbv0＝mbv1＋mav2两边同时乘以时间t，得：mbv0t＝mbv1t＋mav2t
则mb·OB＝mb·OA＋ma·OC。
(5)桌面离地面的高度为h，该地的重力加速度为g，小球b飞行的时间t＝eq \r(\f(2h,g))，
小球b的初速度v0＝eq \f(OB,t)＝OB·eq \r(\f(g,2h))
弹簧锁定时具有的弹性势能Ep转化为小球b的动能，所以弹簧锁定时具有的弹性势能为Ep＝eq \f(1,2)mbv02＝eq \f(mbg·OB2,4h)。
8.(2022·浙江十校联盟联考)(1)在下列学生实验中，需要用到打点计时器和天平的实验有________(填字母)。
A．“探究小车速度随时间变化的规律”
B．“探究加速度与力、质量的关系”
C．两小车碰撞“探究碰撞中的不变量”
(2)赵同学用如图甲所示的装置做“探究加速度与力的关系”实验。正确补偿阻力后，挂上装有砂的砂桶，得到如图乙所示的纸带
已知打点计时器所使用的交流电频率为50 Hz，则小车的加速度为________ m/s2(保留2位有效数字)，由此可判断砂桶质量__________(选填“满足”或“不满足”)本实验要求。
(3)钱同学仍用图甲装置做“探究小车速度随时间变化的规律”实验。重新调整实验装置后，获取了一条新的纸带，利用实验数据绘制成如图乙所示的“v－t”图像
发现其图线末端发生了弯曲，以下四个操作中，你认为最可能是________。
A．实验前没有补偿阻力
B．实验前补偿阻力时板垫起的太高
C．砂桶质量不满足实验要求
D．没有调节好定滑轮的高度
【答案】 (1)BC (2)2.0 不满足 (3)D
【解析】 (1)“探究小车速度随时间变化的规律”需要打点计时器测速度，不需要天平，故A错误；“探究加速度与力、质量的关系”需要用打点计时器测加速度，用天平测量小车的质量，故B正确；两小车碰撞“探究碰撞中的不变量”需要用打点计时器测碰撞前后的速度，用天平测量小车的质量，故C正确。
(2)已知打点计时器所使用的交流电频率为50 Hz，由图乙可知相邻计数点之间的时间间隔为T＝2×0.02 s＝0.04 s，根据逐差法Δx＝aT2，由图乙可得a＝eq \f(CE－AC,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2T))2)≈2.0 m/s2；本实验中要使小车受到的合力等于砂和砂桶的重力，需要满足砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M，根据牛顿第二定律得T＝mg＝Ma，解得a＝eq \f(m,M)g，由于m≪M，则加速度较小，而本实验中小车加速度较大，故可判断砂桶质量不满足实验要求。
(3)由图乙可知，图线末端发生了弯曲，且斜率变小，则加速度变小，可知小车所受合力减小，A、B、C三种情况合力不变，故A、B、C错误；当滑轮高度过低，随着小车靠近滑轮，细绳拉力水平分量减小，同时垂直木板方向分量增大，则摩擦力增大，合力减小，故可能是滑轮高度未调节好，故D正确。
方法
仪器器材
相关实验
基本法
测力计、力传感器
探究两个互成角度的力的合成规律等
平衡法
测力计、天平
探究弹簧弹力与形变量的关系等
替代法
天平
探究加速度与物体受力、物体质量的关系
方法
操作
相关实验
牵引法
重物拉线跨过定滑轮牵引小车或滑块在轨道上运动
测量做直线运动物体的瞬时速度，探究加速度与物体受力、物体质量的关系等
弹射法
物体在压缩的弹簧作用下由静止射出
验证机械能守恒定律等
落体法
重物自由落体
验证机械能守恒定律，测量重力加速度等
自滑法
物体由静止无初速度释放后沿斜面下滑
探究平抛运动的特点，验证动量守恒定律等
方法
主要仪器器材
操作
相关实验
纸带法
交流电源、打点计时器、刻度尺
测出计数点间距，由打出某点前后两点时间内的平均速度替代打出该点时的速度
测量做直线运动物体的瞬时速度，探究加速度与物体受力、物体质量的关系，验证机械能守恒定律，验证动量守恒定律等
光电门法
光电门、螺旋测微器或游标卡尺
测出遮光条的宽度及遮光时间，由遮光时间内的平均速度代替物体经过光电门时的速度
平抛法
竖直平面内末端水平的倾斜或弧形轨道、刻度尺
测出物体离开轨道末端后平抛运动的高度与射程，由平抛运动规律计算初速度
验证动量守恒定律等
弹簧、刻度尺、天平
探究弹性势能等
圆周法
竖直平面内的圆弧轨道、力传感器、天平等
力传感器测出物体经过轨道最低点时对轨道的压力，由牛顿运动定律计算物体经过最低点时的速度
验证机械能守恒定律等
反过来由机械能守恒定律或动能定理计算最低点的速度
探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系等
方法
原理与操作
相关实验
公式法
利用纸带或频闪照片，以最常见的6段位移为例，逐差法计算加速度的公式为a＝eq \f(x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3,9T2)
研究匀变速直线运动，探究加速度与物体受力、物体质量的关系，测量重力加速度等
由物体运动轨道上的两光电门分别测出两个时刻的速度及对应位移，根据v2－v02＝2ax计算加速度
图像法
算出选定计数点的速度，建立v­t图像，由图像斜率计算加速度
根据eq \f(x,t)＝v0＋eq \f(1,2)at建立eq \f(x,t)­t图像，由图像斜率计算加速度，但要注意，加速度等于图像斜率的2倍，此外纵轴截距表示初速度
钩码个数
1
2
3
4
5
弹力
F/N
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
指针对应刻度L/cm
12.51
15.39
16.11
17.30
实验方案
实验装置
利用气垫导轨完成一维碰撞实验
滑块速度的测量v＝eq \f(Δx,Δt)
用两摆球碰撞验证动量守恒定律
摆球速度的测量v＝eq \r(2gh)
在光滑桌面上两车碰撞验证动量守恒定律
小车速度的测量v＝eq \f(Δx,Δt)
利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
速度与平抛运动的水平位移成正比
实验次数
1
2
3
4
5
小车质量 M/g
200
300
400
500
600
小车加速度a/(m·s－2)
1.60
1.08
0.79
0.65
0.52