届新高考物理二轮复习专题突破14 力学实验及创新原卷版.docx
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届新高考物理二轮复习专题突破14力学实验及创新原卷版
专题六物理实验
第一讲力学实验及创新
高考真题
1.（2020高考全国理综II）
一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图所示。
一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。
令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0=0.590m，下降一段距离后的高度h=0.100m；由h0下降至h所用的时间T=0.730s。
由此求得小球B加速度的大小为a=_______m/s2（保留3位有效数字）。
从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0g和150.0g，当地重力加速度大小为g=9.80m/s2。
根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小为a′=_______m/s2（保留3位有效数字）。
可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：
______________________。
2.（2020高考全国理综I）某同学用如图所示的实验装置验证动量定理，所用器材包括：
气垫导轨、滑块（上方安装有宽度为d的遮光片）、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。
实验步骤如下：
（1）开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时，可认为气垫导轨水平；
（2）用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块（含遮光片）的质量m2；
（3）用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接，并让细线水平拉动滑块；
（4）令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动，和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12；
（5）在遮光片随滑块从A运动到B的过程中，如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，拉力冲量的大小I=________，滑块动量改变量的大小Δp=________；（用题中给出的物理量及重力加速度g表示）
（6）某次测量得到的一组数据为：
d=1.000cm，m1=1.50
10-2kg，m2=0.400kg，△t1=3.900
10-2s，Δt2=1.270
10-2s，t12=1.50s，取g=9.80m/s2。
计算可得I=________N·s，Δp=____kg·m·s-1；（结果均保留3位有效数字）
（7）定义
，本次实验δ=________%（保留1位有效数字）。
3.（2020·天津卷）某实验小组利用图1所示装置测定平抛运动的初速度。
把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。
每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。
①为了正确完成实验，以下做法必要的是________。
A．实验时应保持桌面水平
B．每次应使钢球从静止开始释放
C．使斜面的底边ab与桌边重合
D．选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面
②实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动
，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为
、
、
，示意如图2。
重力加速度
，钢球平抛的初速度为________m/s。
③图1装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是________。
核心突破
突破1.基本仪器的使用与读数
1．游标卡尺的读数
10分度主尺上读的毫米数＋0.1n
20分度主尺上读的毫米数＋0.05n
50分度主尺上读的毫米数＋0.02n
2．螺旋测微器的读数
测量值＝固定刻度整毫米数＋半毫米数＋可动刻度读数（含估读）×0.01mm。
3．弹簧测力计
使用前应校零，选择弹簧测力计时，要选力的方向通过弹簧轴线的，必要时要选对拉时读数相同的弹簧测力计。
4．打点计时器
电火花计时器使用的是220V交流电源；电磁打点计时器使用的是6V以下低压交流电源。
例题1.（2020·东北三校模拟）一位同学为验证机械能守恒定律，利用光电门等装置设计了如下实验。
使用的器材有：
铁架台、光电门1和2、轻质定滑轮、通过不可伸长的轻绳连接的钩码A和B（B左侧安装挡光片）。
实验步骤如下：
①如图1，将实验器材安装好，其中钩码A的质量比B大，实验开始前用一细绳将钩码B与桌面相连接，细绳都处于竖直方向，使系统静止。
②用剪刀剪断钩码B下方的细绳，使B在A带动下先后经过光电门1和2，测得挡光时间分别为t1、t2。
③用螺旋测微器测量挡光片沿运动方向的宽度d，如图2，则d＝________mm。
④用挡光片宽度与挡光时间求平均速度，当挡光片宽度很小时，可以将平均速度当成瞬时速度。
⑤用刻度尺测量光电门1和2间的距离L（L≫d）。
⑥查表得到当地重力加速度大小为g。
⑦为验证机械能守恒定律，请写出还需测量的物理量（并给出相应的字母表示）__________，用以上物理量写出验证方程____________。
例题2.（2020届福建省南平市高三第一次合质检）某实验小组用图甲实验装置验证钩码与滑块组成的系统机械能守恒，主要步骤如下：
①钩码的质量为m，用天平测量滑块和遮光条的总质量为M，用游标卡尺测量遮光条的宽度d，用刻度尺测量两光电门之间的距离s；
②调节旋钮使气垫导轨水平，同时调节轻滑轮使细线水平；
③释放滑块，用计时器分别测出遮光条经过光电门A和光电门B所用的时间△tA和△tB。
请回答下列问题：
（1）测遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图乙所示，则d=___________cm。
（2）若系统机械能守恒，则mgs=___________（用M、m、d、△tA和△tB表示）
突破2.“纸带”类实验
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，便于测量和计算，一般每5个点取1个计数点，这样时间间隔Δt＝0.02×5s＝0.1s。
2．求解瞬时速度
利用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sn和sn＋1，则打n点时的速度vn＝
。
3．用“逐差法”求加速度
如图所示：
因为a1＝
·a2＝
·a3＝
，
所以a＝
＝
。
例题3.（2020届福建泉州市普通高中高三第一次质量检测）某同学在验证机械能守恒定律的实验中，设计了如图甲所示的拓展实验装置，其中a、b、c是三个质量均为500g的重物，它们挂在跨过定滑轮的一条轻绳上三个适当位置，c的下方拖着一条穿过打点计时器的纸带。
实验时，先把c移到靠近打点计时器的地方，并测出此时a离地面的高度为25.00cm，接着接通电源，释放c，得到如图乙所示的纸带，电源频率为50Hz，其中相邻两计数点间还有4个点未画出，重力加速度为9.8m/s2：
（1）由图乙可知，a落地后，c做___________运动；
（2）从开始下落到a将要落地的过程中，a、b、c系统减少的重力势能为_____J，增加的动能为_____J（结果均保留3位有效数字），在实验误差允许的范围内，机械能守恒定律得到验证。
例题4.（2020届四川省绵阳市高三四模）如图甲所示，打点计时器固定在铁架台上，重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置测量本地重力加速度。
（1）下列操作中对减小实验误差有利的是________；
A．精确测量出重物的质量
B．两限位孔在同一竖直面内上下对正
C．重物选用质量和密度较大的金属锤
D．用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物
（2）打点计时器接到打点周期为T的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点，A、B、C、D、E、F、G是连续且清晰的点，如图乙所示。
①若测得AB占的长度为sl，BC的长度为s2，则本地重力加速度的计算式g=________
②若测得BD的长度为s3，EG的长度为s4，则本地重力加速度的计算式g=________。
突破3.“弹簧”“橡皮条”“碰撞”类实验
1．橡皮条、弹簧的弹力大小与伸长量之间的关系满足胡克定律，实验数据处理时一般选用图像法。
2．胡克定律描述的是在弹性限度内，橡皮条（弹簧）的弹力与形变量成正比，如果超出弹性限度，正比关系不再成立。
3.动量守恒
实验
装置图
操作要领
考查热点
验证
动量
守恒
定律
①安装：
斜槽末端切线必须沿水平方向
②起点：
斜槽末端上方l处
③速度：
应用小球平抛的水平位移替代
①考装置：
器材安装、小球选取、O点确定
②考测量：
小球质量的测量和小球平抛运动的水平位移的测量
③考结论：
根据实验数据判断两球碰撞过程中动量是否守恒
例题5.（2020届广东省广州、深圳市学调联盟高三第二次调研）在探究弹力和弹簧伸长的关系时，某同学先按图1对弹簧甲进行探究，然后把弹簧甲和弹簧乙并联起来按图2进行探究.在弹性限度内，将质量为
的钩码逐个挂在弹簧下端，分别测得图甲、图乙中弹簧的长度
、
如下表所示．
钩码个数
1
2
3
4
/cm
30.00
31.04
32.02
33.02
/cm
29.33
29.65
29.97
30.30
已知重力加速度
m/s2，要求尽可能多地利用测量数据，计算弹簧甲的劲度系数k=_____N/m（结果保留两位有效数字）．由表中数据______（填“能”或“不能”）计算出弹簧乙的劲度系数．
例题6.某同学用如图甲所示的装置通过半径相同的A、B两球（mA>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
B．A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，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
突破4.验证牛顿第二定律和机械能守恒定律
1.验证牛顿第二定律
实验
装置图
操作要领
考查热点
验证
牛顿
第二
定律
①平衡：
必须平衡摩擦力（改变小车或重物质量，无须重新平衡）
②质量：
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）
③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
①考装置：
器材安装正误；平衡摩擦力的方法、标准；质量控制要求
②测定a：
根据纸带或光电门数据计算加速度
③求结论：
描点作a－F或a－
图象，并得出结论
④判成因：
给定异常a－F图象，判断其可能成因
2.验证机械能守恒的三种方法
（1）利用起始点和第n点计算，代入ghn和
v
，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝
v
，则说明机械能守恒定律是正确的．
（2）任取两点A、B测出hAB，算出ghAB和（
v
－
v
）的值，如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝
v
－
v
，则说明机械能守恒定律是正确的．
（3）图象法，从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以
v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出
v2－h图线．若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒．
例题7.某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50Hz，得到如图乙所示的纸带．选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0＝19.00cm，点A、C间的距离为s1＝8.36cm，点C、E间的距离为s2＝9.88cm，g取9.8m/s2，测得重物的质量为m＝1kg.
（1）下列做法正确的有________．
A．图甲中两限位孔必须在同一竖直线上
B．实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直
C．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源
D．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置
（2）选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J，打下C点时重物的速度大小是________m/s.（结果保留三位有效数字）
（3）根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以
为纵坐标、以s为横坐标画出的图象应是下面的________．
（4）重物减少的重力势能总是略大于增加的动能，产生这一现象的原因是____________．（写出一条即可）
例题8.某物理课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系．图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码．本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010kg.实验步骤如下：
（1）将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车（和钩码）可以在木板上匀速下滑．
（2）将n（依次取n＝1，2，3，4，5）个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行．释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s－t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.
（3）对应于不同的n的a值见下表．n＝2时的s－t图象如图乙所示；由图乙求出此时小车的加速度（保留2位有效数字），将结果填入下表．
n
1
2
3
4
5
a/（m·s－2）
0.20
0.58
0.78
1.00
（4）利用表中的数据在图丙中补齐数据点，并作出a－n图象．从图象可以看出：
当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比．
（5）利用a－n图象求得小车（空载）的质量为________kg（保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8m·s－2）．
（6）若以“保持木板水平”来代替步骤
（1），下列说法正确的是________（填入正确选项前的标号）．
A．a－n图线不再是直线
B．a－n图线仍是直线，但该直线不过原点
C．a－n图线仍是直线，但该直线的斜率变大
突破5.探究平抛运动
实验
装置图
操作要领
考查热点
探究
平抛
运动
①实验中必须调整斜槽末端的切线水平（检验是否水平的方法是：
将小球放在斜槽末端水平部分，将其向两边各轻轻拨动一次，看其是否有明显的运动倾向）
②方木板必须处于竖直平面内，固定时要用重垂线检查坐标纸竖线是否竖直
③小球每次必须从斜槽上同一位置滚下
④坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时球心在木板上的投影点
①考装置：
斜槽安装要求、小车释放要求
②求初速度
③考图象
例题9.如图所示，研究平抛运动规律的实验装置放置在水平桌面上，利用光电门传感器和碰撞传感器可测得小球的水平初速度和飞行时间，底板上的标尺可以测得水平位移．
保持水平槽口距底板高度h＝0.420m不变．改变小球在斜槽导轨上下滑的起始位置，测出小球做平抛运动的初速度v0、飞行时间t和水平位移d，记录在表中．
v0/（m·s－1）
0.741
1.034
1.318
1.584
t/ms
292.7
293.0
292.8
292.9
d/cm
21.7
30.3
38.6
46.4
（1）由表中数据可知，在h一定时，小球水平位移d与其初速度v0成________关系，与________无关．
（2）一位同学计算出小球飞行时间的理论值t理＝
＝
s＝289.8ms，发现理论值与测量值之差约为3ms.经检查，实验及测量无误，其原因是____________________
________________________________________________________________________.
（3）另一位同学分析并纠正了上述偏差后，重新做了这个实验，竟发现测量值t′依然大于自己得到的理论值t′理，但二者之差在3ms～7ms，且初速度越大差值越小．对实验装置的安装进行检查，确认斜槽槽口与底座均水平，则导致偏差的原因是________________________.
例题10.（2020届广西南宁市高三第一次适应性测试）利用如图所示的装置探究动能定理。
将木板竖直放置在斜槽末端的前方某一固定位置，在木板上依次固定好白纸、复写纸，将小球从不同的标记点由静止释放。
记录标记点到斜槽底端的高度H，并根据落点位置测量出小球离开斜槽后的竖直位移y，改变小球在斜槽上的释放位置，在斜槽比较光滑的情况下进行多次测量，已知重力加速度为g，记录数据如下：
（1）小球从标记点滑到斜槽底端的过程，速度的变化量为______（用x、y、g表示）；
（2）已知木板与斜槽末端的水平距离为x，小球从标记点到达斜槽底端的高度为H，测得小球在离开斜槽后的竖直位移为v，不计小球与槽之间的摩擦及小球从斜槽滑到切线水平的末端的能量损失。
小球从斜槽上滑到斜槽底端的过程中，若动能定理成立，则应满足的关系式是______；
（3）保持x不变，若想利用图像直观得到实验结论，最好应以H为纵坐标，以_____为横坐标，描点画图。
实战演练
1.（2020届河北省石家庄巿第二中学高三教学质量检测）用图所示实验装置验证机械能守恒定律．通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中经过光电门B时，通过与之相连的毫秒计时器（图中未画出）记录下挡光时间t，测出AB之间的距离h．实验前应调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束．
（1）为了验证机械能守恒定律，还需要测量下列哪些物理量_____．
A．A点与地面间的距离H
B．小铁球的质量m
C．小铁球从A到B的下落时间tAB
D．小铁球的直径d
（2）小铁球通过光电门时的瞬时速度v=_____，若下落过程中机械能守恒，则
与h的关系式为
=_____．
2.（2019陕西西安市蓝田县模拟）由于空间站处于完全失重状态，不能利用天平等仪器测量质量，为此某同学为空间站设计了如图所示（a）的实验装置，用来测量小球质量。
图中弹簧固定在挡板上，轨道B处装有光电门，可以测量出小球经过光电门的时间。
该同学设计的主要实验步骤如下：
（ⅰ）用游标卡尺测量小球的直径d
（ⅱ）将弹簧固定在档板上
（ⅲ）小球与弹簧接触并压缩弹簧，记录弹簧的压缩量x
（ⅳ）由静止释放小球，测量小球离开弹簧后经过光电门的时间t，计算出小球离开弹簧的速度v
（ⅴ）改变弹簧的压缩量，重复步骤（ⅲ）、（ⅳ）多次
（ⅵ）分析数据，得出小球的质量
该同学在地面上进行了上述实验，请回答下列问题
（1）步骤（ⅰ）中游标卡尺示数情况如图（b）所示，小球的直径d=______cm；
（2）某一次步骤（ⅲ）中测得弹簧的压缩量为1cm，对应步骤（ⅳ）中测得小球通过光电门的时间为7.50ms，则此次小球离开弹簧的速度v=______m/s；
（3）根据实验得到的弹簧的形变x与对应的小球速度v在图（c）中描出了对应的点，请将
（2）问中对应的点描出，并画出v-x图象。
（4）已知实验所用弹簧的弹性势能EP与弹簧形变量x2之间的关系如图（d）所示，实验测得小球的质量为______kg。
3.（2020届广东省茂名市高三第二次综合测试）某实验小组在测木块与长木板之间的动摩擦因数时，采用如图所示的装置，图中长木板水平固定，调整定滑轮高度，使细线与长木板平行．
（1）实验过程中，电火花打点计时器应接在___________（选填“直流”或“交流”）电源上．
（2）已知重力加速度为g，测得木块的质量为M，砝码盘和砝码的总质量为m，木块的加速度为a，则木块与长木板间的动摩擦因数μ＝__________．
（3）图为木块在水平木板上带动纸带运动打出的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6为计数点，相邻两计数点间还有4个打点未画出．从纸带上测出x1＝2.10cm，x2＝3.62cm，x5＝8.12cm，x6＝9.60cm．则木块加速度大小a＝__________m/s2（保留两位有效数字）．
4.（2020届河北省唐山市高三第一次模拟）某同学利用如图所示实验装置探究橡皮筋做功与速度变化的关系。
他进行了如下操作：
将长木板放在水平桌面上，调节一端高度，平衡小车及纸带的摩擦力并固定长木板；把橡皮筋一端固定在墙上，另一端系在小车上，将橡皮筋拉长d。
由静纸带打点计时小车橡皮筋止释放小车，带动穿过打点计时器的纸带沿长木板运动，得到一条纸带。
增加橡皮筋的条数，重复上述操作，长木板得到多条纸带。
打点计时器电源的频率为50Hz。
（1）本实验中，该同学应怎样判断长木板及纸带的摩擦力已经被平衡：
_______________________。
（2）实验时得到一条纸带，如图所示。
此次操作中应选择的速度大小为___m/s；（结果保留三位有效数字）
（3）该同学由多次实验数据做出W—v2图象如图所示，则橡皮筋弹力做功与速度平方变化的关系为_____________________________________。
5.（2020届河北省石家庄巿第二中学高三教学质量检测）用图所示实验装置验证机械能守恒定律．通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中经过光电门B时，通过与之相连的毫秒计时器（图中未画出）记录下挡光时间t，测出AB之间的距离h．实验前应调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束．
（1）为了验证机械能守恒定律，还需要测量下列哪些物理量_____．
A．A点与地面间的距离H
B．小铁球的质量m
C．小铁球从A到B的下落时间tAB
D．小铁球的直径d
（2）小铁球通过光电门时的瞬时速度v=_____，若下落过程中机械能守恒，则
与h的关系式为
=_____．
6.（2020届河南省焦作市高三第三次模拟）某实验小组用如图1所示的实验装置研究匀变速直线运动，已知固定斜面的倾角为θ＝37°，把木块自斜面上某一位置由静止释放，测量释放点到斜面底端的距离x以及木块在斜面上运动的时间t，改变释放点位置，得到多组数据，作出
图象如图2所示。
已知sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g取10m/s2。
（1）根据图象可知，木块在斜面上运动的加
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