2025届高考物理二轮复习讲义：第15讲 力学实验 【含答案】

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题型1 力学基本仪器的使用与读数

【题组演练】
1.用一个弹簧测力计沿竖直方向把细绳与橡皮筋的结点拉至O处,如图所示,弹簧测力计的读数为 N.
2.[2024·奉化中学模拟] 刻度尺和三种精度的游标卡尺的示数如图甲、乙、丙、丁所示,则读数分别为 cm、 mm、 cm、 mm.
3.某同学利用螺旋测微器测量一金属板的厚度.该螺旋测微器校零时的示数如图甲所示,测量金属板厚度时的示数如图乙所示.图甲所示读数为 mm,图乙所示读数为 mm,所测金属板的厚度为 mm.
题型2 纸带类实验综合

1.打点计时器涉及的几个实验
(1)探究小车速度随时间变化的规律;
(2)探究加速度与力、质量的关系;
(3)验证机械能守恒定律;
(4)验证动量守恒定律.
2.纸带的三大应用
(1)由纸带确定时间: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,若每五个点取一个计数点,则计数点间的时间间隔Δt=0.02×5 s=0.10 s.
(2)求解瞬时速度:利用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求打某一点时的瞬时速度.如图甲所示,打点n时的速度vn=xn+xn+12T.
(3)用“逐差法”求加速度:如图乙所示,因为a1=x4-x13T2,a2=x5-x23T2,a3=x6-x33T2,故a=a1+a2+a33=x4+x5+x6-x1-x2-x39T2.当位置间隔数是奇数时,应舍去位置间隔小的数据.
3.解答“小车+导轨”类实验的技巧
(1)要根据实验原理来判断是否需要补偿阻力,知道正确补偿阻力的方法.
(2)要清楚槽码(或沙桶)与小车质量之间的关系,并且要清楚在仪器创新或实验原理创新的情形下,该条件是否需要调整.
(3)要知道实验数据、图像的处理方法和运用数学知识解题的技巧.
【题组演练】
1.[2024·杭州模拟] 如图甲所示是“探究小车速度随时间变化规律”的实验装置.
(1)该实验中,下列操作步骤必要的是 .
A.需将导轨远离滑轮的一端适当垫高
B.悬挂的槽码质量应远小于小车的质量
C.小车运动结束后,先关闭打点计时器再取下纸带
(2)如图乙所示,是某次正确操作后得到的纸带,已知打点计时器所用交流电源的频率为50 Hz,由此可测得纸带上打B点时小车的速度为 m/s(保留两位有效数字).
(3)如图丙所示,某同学将正确操作得到的纸带每隔0.1 s剪断,得到若干短纸条.再把这些纸条并排贴在一起,使这些纸条下端对齐,作为时间坐标轴,将纸条左上端点连起来,得到一条直线.则该直线 .
A.可以表示小车位移—时间图像
B.可以表示小车速度—时间图像
C.与时间轴夹角的正切为速度大小
D.与时间轴夹角的正切为加速度大小
2.[2024·浙江1月选考] 如图甲所示是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置.
甲
(1)该实验中同时研究三个物理量间关系是很困难的,因此我们采用的研究方法是 .
A.放大法
B.控制变量法
C.补偿法
(2)该实验过程中操作正确的是 .
A.补偿阻力时小车未连接纸带
B.先接通打点计时器电源,后释放小车
C.调节滑轮高度使细绳与水平桌面平行
(3)在小车质量 (选填“远大于”或“远小于”)槽码质量时,可以认为细绳拉力近似等于槽码的重力.上述做法引起的误差为 (选填“偶然误差”或“系统误差”).为减小此误差,下列可行的方案是 .
A.用气垫导轨代替普通导轨,滑块代替小车
B.在小车上加装遮光条,用光电计时系统代替打点计时器
C.在小车与细绳之间加装力传感器,测出小车所受拉力大小
(4)经正确操作后获得一条如图乙所示的纸带,建立以计数点0为坐标原点的x轴,各计数点的位置坐标分别为0、x1、…、x6.已知打点计时器的打点周期为T,则打计数点5时小车速度的表达式是v= ;小车加速度的表达式是 .
乙
A.a=x6-2x3(15T)2
B.a=x6-2x3(3T)2
C.a=x5+x4-(x3+x2)(10T)2
3.某物理兴趣小组验证机械能守恒定律的实验装置如图甲所示,实验中得到的一条纸带如图乙所示,O为打出的第一个点,与刻度尺0刻度对齐,A、B、C、D为依次打下的点.
(1)纸带中B点对应的刻度尺读数为 cm;
(2)以打点计时器打下O点时重物所在水平面为零势能面,若重物的质量为200 g,A点在刻度尺上读数为12.00 cm,C点读数为19.10 cm,D点读数为23.15 cm,根据纸带上的数据计算可知,打点计时器打B点时重物的速度大小为 m/s,打下B点时重物的重力势能为 J.(重力加速度g取9.8 m/s2,打点计时器所接电源频率为50 Hz,结果均保留三位有效数字)
(3)该物理兴趣小组还尝试用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”实验.装置的实物图如图丙,示意图如图丁.在滑块上安装一遮光板,把滑块放在水平气垫导轨上,并通过跨过定滑轮的细绳与钩码相连.测得钩码质量为m,遮光板宽度为d,当地的重力加速度为g.将滑块在图示位置由静止释放后,光电计时器记录下遮光板先后通过两个光电门的时间分别为Δt1、Δt2.则下列说法正确的是 .
A.为验证机械能守恒定律,只需要测量两光电门中心之间的距离x
B.本实验中机械能守恒的表达式为12mdΔt22=mgx+12mdΔt12
C.若气垫导轨左侧高,系统动能增加量小于钩码重力势能减小量
D.若气垫导轨右侧高,系统动能增加量小于钩码重力势能减小量
题型3 研究“平抛运动”类实验

1.固定斜槽时,要保证斜槽的末端水平,保证小球做平抛运动的初速度水平.
2.固定木板时,木板必须处在竖直平面内且与小球运动轨迹所在的竖直平面平行,固定时要用铅垂线检查坐标纸的竖线是否竖直.
3.为使小球每次从斜槽上的同一位置由静止释放,可在斜槽上某一位置固定一个挡板.
4.要在斜槽上的适当高度处释放小球,使它以适当的水平初速度抛出,从而使其轨迹由木板左上角到达右下角,减小测量误差.
5.坐标原点不是槽口的端点,而是小球出槽口时球心在木板上的投影点.
6.计算小球水平抛出的初速度时,应选距抛出点稍远一些的点为宜,以便测量和计算.
【题组演练】
1.[2023·浙江6月选考] 在“探究平抛运动的特点”实验中:
(1)用图甲装置进行探究,下列说法正确的是 .
A.只能探究平抛运动水平分运动的特点
B.需改变小锤击打的力度,多次重复实验
C.能同时探究平抛运动水平、竖直分运动的特点
(2)用图乙装置进行实验,下列说法正确的是 .
A.斜槽轨道M必须光滑且其末端水平
B.上下调节挡板N时必须每次等间距移动
C.小钢球从斜槽M上同一位置静止滚下
(3)用图丙装置进行实验,竖直挡板上附有复写纸和白纸,可以记下钢球撞击挡板时的点迹.实验时竖直挡板初始位置紧靠斜槽末端,钢球从斜槽上P点静止滚下,撞击挡板留下点迹 0,将挡板依次水平向右移动x,重复实验,挡板上留下点迹 1、2、3、4.以点迹 0 为坐标原点,竖直向下建立坐标轴y,各点迹坐标值分别为y1、y2、y3、y4,重力加速度为g.测得钢球直径为d,则钢球平抛初速度v0为 .
A.x+d2g2y1B.x+d2gy2-y1
C.3x-d2g2y4D.4x-d2g2y4
2.在“验证动量守恒定律”实验中,通过碰撞后做平抛运动测量速度的方法来进行实验,实验装置如图甲所示,实验原理如图乙所示.
(1)实验室有如图所示的三个小球A、B、C,则进行实验时入射小球应该选取 (填选项字母).
(2)小球释放后落在复写纸上会在白纸上留下印迹.多次实验,白纸上留下了10个印迹,如果用画圆法确定小球的落点P,图中画的三个圆最合理的是 (填选项前的字母).
A.A
B.B
C.C
(3)关于本实验,下列说法正确的是 (填选项前的字母).
A.小球每次都必须从斜槽上的同一位置由静止释放
B.必须测量出斜槽末端到水平地面的高度
C.实验中需要用到铅垂线
D.斜槽必须足够光滑且末端保持水平
(4)若两球发生弹性碰撞,用刻度尺测得M、P、N与O点间的距离分别为x1、x2、x3,及第(1)问结论,通过验证等式 (用题中所给字母表示)是否成立,从而验证动量守恒定律.
(5)若两球发生弹性碰撞,则下列式子成立的是 (填选项前的字母).
A.x3=x1+x2
B.2x2=x1+x3
C.x32=x12+x22
题型4 “弹簧”“橡皮条”实验

“探究两个互成角度的力的合成规律”实验的注意事项
(1)每次结点稳定时的位置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.
【题组演练】
1.[2023·浙江6月选考] 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xA、xB的数据如表.
钩码个数为1时,弹簧A的伸长量ΔxA= cm,弹簧B的伸长量ΔxB= cm,两根弹簧弹性势能的增加量ΔEp mg(ΔxA+ΔxB)(选填“=”“”).
【技法点拨】
本题最后一小问容易出错.
2.在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中:
(1)本实验采用的主要科学方法是 (填选项前的字母).
A.理想实验法
B.等效替代法
C.控制变量法
D.建立物理模型法
(2)实验桌上已有的器材如图所示,为完成该实验还需要的器材是 (填选项前的字母).
A.一根橡皮筋 B.两个钩码
C.三角板一套 D.天平
(3)老师拍摄同学们实验操作时的照片如图所示,则操作正确的是 (填选项字母).
(4)规范操作后,则图中弹簧测力计的读数为 N.
(5)实验操作完成后作出 (选填“力的示意图”或“力的图示”)来探究合力与分力的关系.
题型5 力学其他实验与创新实验

1.力学创新实验的特点
(1)以基本的力学模型为载体,依托运动学规律和牛顿力学定律设计实验.
(2)将实验的基本方法——控制变量法、处理数据的基本方法——图像法、逐差法融入实验的综合分析之中.
2.创新实验题的解法
(1)根据题目叙述的物理情景,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,应用原理公式或图像法处理实验数据,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.
【题组演练】
1.如图甲所示为向心力演示仪,可探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系.长槽的A、B处和短槽的C处到各自转轴中心距离之比为1∶2∶1.
(1)下列实验中采用的实验方法与本实验相同的是 .
A.探究两个互成角度的力的合成规律
B.伽利略对自由落体的研究
C.探究加速度与物体受力、物体质量的关系
D.探究小车速度随时间变化的规律
(2)当传动皮带套在两塔轮半径不同的轮盘上,套有皮带的塔轮边缘处的 (选填“线速度”或“角速度”)大小相等.
(3)在某次实验中,把两个质量相等的钢球放在B、C位置,将传动皮带调至左、右变速塔轮半径之比为1∶1,此操作探究的是向心力大小与 的关系;
(4)在另一次实验中,把两个质量相等的钢球放在A、C位置,转动手柄,塔轮匀速转动时,左、右两标尺露出的格子数之比约为1∶4,那么图乙中左、右变速塔轮半径之比R1∶R2= .
(5)方案二:如图丙所示装置,装置中竖直转轴固定在电动机的转轴上(未画出),光滑的水平直杆固定在竖直转轴上,能随竖直转轴一起转动.水平直杆的左端套上滑块P,用细线将滑块P与固定在竖直转轴上的力传感器连接,细线处于水平伸直状态,当滑块随水平直杆一起匀速转动时,细线拉力的大小可以通过力传感器测得.水平直杆的右端边缘安装了宽度为d的挡光条,挡光条到竖直转轴的距离为D,光电门可以测出挡光条经过光电门所用的时间(挡光时间).滑块P与竖直转轴间的距离可调.回答以下问题:
①若某次实验中测得挡光条的挡光时间为Δt,则滑块P的角速度表达式为ω= ;
②实验小组保持滑块P质量和运动半径r不变,探究向心力F与角速度ω的关系,作出F-ω2图线如图丁所示,若滑块P运动半径r=0.3 m,细线的质量和滑块与杆的摩擦可忽略,由F-ω2图线可得滑块P质量m= kg(结果保留2位有效数字).
2.[2024·湖北卷] 某同学设计了一个测量重力加速度大小g的实验方案,所用器材有:2 g砝码若干、托盘1个、轻质弹簧1根、米尺1把、光电门1个、数字计时器1台等.
具体步骤如下:
①将弹簧竖直悬挂在固定支架上,弹簧下面挂上装有遮光片的托盘,在托盘内放入一个砝码,如图甲所示.
②用米尺测量平衡时弹簧的长度l,并安装光电门.
③将弹簧在弹性限度内拉伸一定长度后释放,使其在竖直方向振动.
④用数字计时器记录30次全振动所用时间t.
⑤逐次增加托盘内砝码的数量,重复②③④的操作.
该同学将振动系统理想化为弹簧振子.已知弹簧振子的振动周期T=2πMk,其中k为弹簧的劲度系数,M为振子的质量.
(1)由步骤④,可知振动周期T= .
(2)设弹簧的原长为l0,则l与g、l0、T的关系式为l= .
(3)由实验数据作出的l-T2图线如图乙所示,可得g= m/s2(保留三位有效数字,π2取9.87).
(4)本实验的误差来源包括 .
A.空气阻力
B.弹簧质量不为零
C.光电门的位置稍微偏离托盘的平衡位置
3.恢复系数是反映碰撞时物体形变恢复能力的参数,它只与碰撞物体的材料有关.两物体碰撞后的恢复系数为e=v1'-v2'v1-v2,其中v1、v2和v1'、v2'分别为质量为m1的小球1和质量为m2的小球2碰撞前后的速度.某同学利用如下实验装置测定小球1和小球2碰撞后的恢复系数.实验步骤如下:
①按图示安装好实验器材,将斜槽AB固定在桌边,使槽的末端切线水平,将一斜面BC连接在斜槽末端.
②先不放小球2,让小球1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,记下小球在斜面上的落点位置;重复多次,用尽可能小的圆,把小球的所有落点圈在里面,其圆心就是小球落点的平均位置.
③将小球2放在斜槽末端,让小球1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,使它们发生碰撞,分别记下小球1和2在斜面上的落点位置;重复多次,并使用与②同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置.
④用毫米刻度尺量出各个平均落点到斜槽末端B点的距离.图中D、E、F点是该同学记下小球在斜面上的落点位置,到B点的距离分别为LD、LE、LF.
根据该同学的实验,回答下列问题:
(1)两小球的质量关系为m1 m2(填“>”“=”或“