2023版高考物理步步高大二轮复习讲义第一篇 专题七 第16讲　力学实验【学生版】

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命题规律 1.命题角度：(1)探究小车速度随时间变化的规律；(2)探究加速度与物体受力、物体质量的关系；(3)验证机械能守恒定律；(4)验证动量守恒定律；(5)探究弹簧弹力与形变量的关系；(6)探究两个互成角度的力的合成规律；(7)探究平抛运动的特点；(8)探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系；(9)用单摆测量重力加速度的大小.2.常用方法：控制变量法、等效替代法、图像法．
考点一 纸带类和光电门类实验
例1 (2022·山东日照市一模)某实验小组用如图所示的装置验证动量守恒定律．实验开始前在水平放置的气垫导轨左端装一个弹射装置，打开控制开关，滑块可被弹射装置向右弹出．滑块A和滑块B上装有相同宽度的挡光片，在相碰的端面装有轻质弹性架(未画出)．实验开始前，滑块A被弹射装置锁定，滑块B静置于两个光电门之间．
(1)打开控制开关，滑块A被弹出．数字计时器记录下挡光片通过光电门1的时间Δt1，挡光片先后通过光电门2的时间Δt2和Δt3，则滑块A(含挡光片)与滑块B(含挡光片)的质量大小关系是mA________mB(选填“大于”“等于”或“小于”)．
(2)若滑块A和滑块B的碰撞过程中满足动量守恒，则应满足的关系式为______________(用mA、mB、Δt1、Δt2、Δt3表示)．
(3)若滑块A和滑块B的碰撞是弹性碰撞，则eq \f(mA,mB)＝________(用Δt2、Δt3表示)．
例2 (2022·河北张家口市高三期末)某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置验证系统机械能守恒定律，当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，操作步骤如下：
①用天平测量物块a的质量m1和物块b的质量m2；
②把打点计时器、定滑轮固定在铁架台上，用跨过定滑轮的轻质细线连接物块a和物块b；
③把固定在物块a上的纸带穿过打点计时器的限位孔，让物块a靠近打点计时器，先________________，再________________；
④实验过程中打出的一条纸带如图乙所示；
⑤更换物块重复实验．
(1)请把步骤③补充完整；
(2)所用交变电源的频率为50 Hz，测得计数点O、A、B、C、D、E、F相邻两点间的距离分别为x1＝6.00 cm、x2＝8.39 cm、x3＝10.81 cm、x4＝13.20 cm、x5＝15.59 cm、x6＝18.01 cm，相邻两个计数点间还有4个点未画出，打下计数点A时物块a和物块b运动的速度大小vA＝________ m/s，打下计数点E时物块a和物块b运动的速度大小vE＝________ m/s；(结果均保留三位有效数字)
(3)用天平测出物块a和物块b的质量分别为m1、m2(m1例3 (2022·安徽合肥市第一次检测)某实验小组为了探究物体加速度与力、质量的关系，设计了如下实验．
(1)在探究小车加速度a与其质量M的关系时，采用了图(a)所示的方案．
①保持盘中砝码不变，通过增减小车中的砝码个数改变小车的总质量M，利用打出的纸带测量出小车对应的加速度．下列实验操作合理的是________．
A．为了补偿阻力，把木板的一侧垫高，并将砝码盘用细线通过定滑轮系在小车上
B．先接通电源，待打点计时器正常工作后再释放小车
C．调节滑轮，使细线与木板平行
②图(b)为实验中打出的一条纸带，相邻两个计数点间还有四个点未画出．交变电源的频率为50 Hz，小车的加速度a＝________ m/s2.(结果保留两位有效数字)
③表格中为实验小组记录的6组实验数据，其中5组数据的对应点已经标在图(c)的坐标纸上，请用×标出余下的一组数据的对应点，并作出a－eq \f(1,M)图像，由a－eq \f(1,M)图像可得出的实验结论为：________________________________________________________________________.
(2)在探究小车加速度a与所受力F的关系时，设计了图(d)所示的方案．其实验操作步骤如下：
a．挂上砝码盘和砝码，调节木板的倾角，使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑；
b．取下砝码盘和砝码，测出其总质量为m，并让小车沿木板下滑，测出加速度a；
c．改变砝码盘中砝码的个数，重复步骤a和b，多次测量，作出a－F图像．
①该实验方案________(选填“需要”或“不需要”)满足条件M≫m；
②若实验操作规范，通过改变砝码个数，画出的a－F图像最接近图中的________．
考点二 力学其他实验
例4 (2020·浙江7月选考·17(2))某同学用单摆测量重力加速度：
(1)为了减少测量误差，下列做法正确的是__________(多选)；
A．摆的振幅越大越好
B．摆球质量大些、体积小些
C．摆线尽量细些、长些、伸缩性小些
D．计时的起、止位置选在摆球达到的最高点处
(2)改变摆长，多次测量，得到周期的平方与摆长的关系图像如图所示，所得结果与当地重力加速度值相符，但发现其延长线没有过原点，其原因可能是________．
A．测周期时多数了一个周期
B．测周期时少数了一个周期
C．测摆长时直接将摆线的长度作为摆长
D．测摆长时将摆线的长度加上摆球的直径作为摆长
例5 (2022·陕西西安市七校高三期末)如图为“探究互成角度的力的合成规律”的实验，三个细线套L1、L2、L3共系于一个结点，另一端分别系于轻质弹簧测力计A、B和重物M上，A挂于固定点P.手持B拉动细线，使结点静止于O点．
(1)某次实验中弹簧测力计A的指针位置如图甲所示，其读数为________ N.
(2)图乙中的F与F′两力中，方向和细线PO方向相同的是________(选填“F”或“F′”)．
(3)下列实验要求中，必要的是________．(填选项前的字母)
A．弹簧测力计B始终保持水平
B．用天平测量重物M的质量
C．细线套方向应与木板平面平行
D．若只增大某一只弹簧测力计的拉力大小而保持细线套结点位置不变，只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可
(4)本实验采用的科学方法是________．(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
例6 (2022·山东日照市高三期末)物理兴趣小组的同学用图甲所示的装置和频闪照相仪探究平抛运动的规律．
(1)关于实验注意事项，下列说法正确的是________(选填选项前的字母)；
A．必须将小球从斜槽上的同一位置由静止释放
B．斜槽轨道必须光滑
C．必须选择质量大的小球
D．小球运动时不能与方格纸相触
(2)某同学用频闪照相仪拍摄到小球抛出后几个位置的照片如图乙所示，由照片可以判断斜槽轨道末端向______________倾斜，根据照片也可判断小球在水平方向做匀速直线运动，依据是________________________________________________________________________；
(3)物理兴趣小组重新调整斜槽轨道末端，规范完成实验，根据拍摄到的一张照片测出小球不同位置的竖直位移y和水平位移x，以x2为横坐标，以y为纵坐标，在坐标纸上画出对应的图像为过原点的倾斜直线，测得直线的斜率k＝5，取g＝10 m/s2，由此可得小球做平抛运动的初速度v0＝________ m/s.
1．(2022·河南安阳市一模)某实验小组用图中装置探究质量一定的情况下加速度和力的关系．他们用不可伸长的细线将滑块(含挡光片)通过一个定滑轮和挂有重物的动滑轮与力传感器相连，细线与气垫导轨平行，在水平气垫导轨的A、B两点各安装一个光电门，A、B两点间距为x，释放重物，挡光片通过A、B时的遮光时间分别为tA、tB，已知挡光片宽度为d.
(1)实验操作过程中________(选填“需要”或“不需要”)满足重物的质量远小于滑块及挡光片的质量；
(2)滑块通过AB段时的加速度大小为________(用题中已知的物理量字母表示)；
(3)多次改变重物质量，同时记录细线的拉力大小F，重复上述实验步骤，得到多组加速度a与拉力F，以a为纵坐标、F为横坐标作图，若图线是________，则物体质量一定的情况下加速度与合外力成正比的结论成立．
2．(2022·云南第一次统测)某同学用如图甲所示的装置验证动量定理，部分实验步骤如下：
(1)将一遮光条固定在滑块上，用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，游标卡尺的示数如图乙所示，则遮光条的宽度d＝________ mm；
(2)用天平称得滑块(包含遮光条)的质量m＝380.0 g；
(3)将一与轻弹簧相连的压力传感器固定在气垫导轨左端，一光电门安装在气垫导轨上方，用滑块将弹簧压缩一段距离后由静止释放，压力传感器显示出弹簧弹力F随时间t变化的图像如图丙所示，根据图丙可求得弹簧对滑块的冲量大小为________ N·s；滑块离开弹簧一段时间后通过光电门，光电门测得遮光条的挡光时间为Δt＝2.0×10－3 s，可得弹簧恢复形变的过程中滑块的动量增量大小为________ kg·m/s.(计算结果均保留2位有效数字)实验
装置图
实验操作
数据处理
探究小车速度随时间变化的规律
1.细绳与长木板平行
2.释放前小车应靠近打点计时器
3.先接通电源，再释放小车，打点结束先切断电源，再取下纸带
4.钩码质量适当
1.判断物体是否做匀变速直线运动
2.利用平均速度求瞬时速度
3.利用逐差法求平均加速度
4.作速度—时间图像，通过图像的斜率求加速度
探究加速度与物体受力、物体质量的关系
1.补偿阻力，垫高长木板使小车能匀速下滑
2.在补偿阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，实验过程中不用重复补偿阻力
3.实验必须保证的条件：小车质量m≫槽码质量m′
4.释放前小车要靠近打点计时器，应先接通电源，后释放小车
1.利用逐差法或v－t图像法求a
2.作出a－F图像和a－eq \f(1,m)图像，确定a与F、m的关系
验证机械能守恒定律
1.竖直安装打点计时器，以减少摩擦阻力
2.选用质量大、体积小、密度大的材料
3.选取第1、2两点间距离接近2 mm的纸带，用mgh＝eq \f(1,2)mv2进行
验证
1.应用vn＝eq \f(hn＋1－hn－1,2T)计算某时刻的瞬时速度
2.判断mghAB与eq \f(1,2)mvB2－eq \f(1,2)mvA2是否在误差允许的范围内相等
3.作出eq \f(1,2)v2－h图像，求g的大小
验证动量守恒定律
1.开始前调节导轨水平
2.用天平测出两滑块的质量
3.用光电门测量碰前和碰后的速度
1.滑块速度的测量：v＝eq \f(Δx,Δt)
2.验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′
F/N
M/kg
a/(m·s－2)
0.29
1.16
0.25
0.29
0.86
0.34
0.29
0.61
0.48
0.29
0.41
0.72
0.29
0.36
0.82
0.29
0.31
0.94
实验
装置图
实验操作
数据处理
探究弹簧弹力与形变量的关系
1.应在弹簧自然下垂时， 测量弹簧原长l0
2.水平放置时测原长，图线不过原点的原因是弹簧自身有重力
1.作出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线，斜率表示弹簧的劲度系数
2.超过弹簧的弹性限度，图线会发生弯曲
探究两个互成角度的力的合成规律
1.正确使用弹簧测力计
2.同一次实验中，橡皮条结点的位置一定要相同
3.细绳套应适当长一些，互成角度地拉橡皮条时，夹角合适
1.按力的图示作平行四边形
2.求合力大小
探究平抛运动的特点
1.保证斜槽末端水平
2.每次让小球从斜轨道的同一位置由静止释放
3.坐标原点应是小球出槽口时球心在木板上的投影点
1.用代入法或图像法判断运动轨迹是不是抛物线
2.由公式：x＝v0t和y＝eq \f(1,2)gt2，求初速度v0＝xeq \r(\f(g,2y))
探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
1.弹力大小可以通过标尺上刻度读出，该读数显示了向心力大小
2.采用了控制变量法，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
作出Fn－ω2、Fn－r、Fn－m的图像，分析向心力与角速度、半径、质量之间的关系
用单摆测量重力加速度的大小
1.保证悬点固定
2.单摆必须在同一平面内振动，且摆角小于5°
3.摆长l＝悬线长l′＋小球的半径r
4.用T＝eq \f(t,n)计算单摆的周期
1.利用公式g＝eq \f(4π2l,T2)求重力加速度
2.作l－T2的图像，可利用斜率求重力加速度