1、专题十六 力学实验 高频考点能力突破素养培优情境命题高频考点能力突破考点一 力学基本仪器的使用与读数 物理量 测量工具或测量方法 力 弹簧测力计(不超量程；调零；会读数)；力传感器(调零)质量 天平(水平放置、调零；被测物体放左盘、砝码放右盘；会读数)长度 毫米刻度尺(精度1 mm，要估读到0.1 mm)；螺旋测微器(精度0.01 mm，要估读到0.001 mm)；游标卡尺(精度有0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm三种，不估读)时间 打点计时器用交变电流(电磁打点计时器接约8 V交流电源，电火花打点计时器接220 V交流电源)，电源频率为50 Hz时打点时间间隔为0.02 s；光电计
2、时器(记录挡光时间t)；秒表(精度0.1 s，不估读)速度 打点纸带：vt2v xt；频闪照相：vt2v xt；光电门：瞬时速度vdt(d为遮光片宽度)；速度传感器 加速度 打点纸带：axT2；频闪照相：axT2；光电门：a2212 2 或av2v1t；v-t图像：ak(斜率)注意事项：1游标卡尺在读数时先确定各尺的分度，把数据读成以毫米为单位的，先读主尺数据，再读游标尺数据，最后两数相加 2游标卡尺读数时不需要估读 3螺旋测微器读数时，要准确到0.01 mm，估读到0.001 mm，结果若用mm作单位，则小数点后必须保留三位数字 4游标卡尺在读数时注意区分游标卡尺的精度 5螺旋测微器在读数时
3、，注意区别整毫米刻度线与半毫米刻度线，注意判断半毫米刻度线是否露出 例1 某同学用50分度的游标卡尺测量一圆柱体工件的长度，如图1所示，则工件的长度为_ mm；用螺旋测微器测量工件的直径如图2所示，则工件的直径为_ mm.21.724.300解析：根据游标卡尺读数规则可知工件的长度为21 mm0.02 mm3621.72mm；根据螺旋测微器读数规则可知工件的直径为4 mm0.01 mm30.04.300mm.预测1 用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图所示，其读数为_ cm.1.50解析：读数时要注意分度值是1 mm，要估读到分度值的下一位 预测2 如图甲所示，某同学用弹簧OC和弹簧测力计a、b做
4、“验证力的平行四边形定则”实验在保持弹簧伸长量及方向不变的条件下：(1)若弹簧测力计a、b间夹角为90，弹簧测力计a的读数是_ N；(如图乙所示)(2)若弹簧测力计a、b间夹角小于90，保持弹簧测力计a与弹簧OC的夹角不变，增大弹簧测力计b与弹簧OC的夹角，则弹簧测力计a的读数_、弹簧测力计b的读数_(选填“变大”“变小”或“不变”)3.50(3.483.52)变小变大预测3(1)某同学用游标卡尺的_(选填“内测量爪”“外测量爪”或“深度尺”)测得一玻璃杯的内高，如图甲所示，则其内高为_ cm.(2)该同学随后又用螺旋测微器测得玻璃杯的玻璃厚度如图乙所示，则厚度为_ mm.(3)该同学用螺旋测
5、微器测得一小球直径如图丙所示，正确读数后得小球直径为1.731 mm，则a_，b_ 深度尺10.032.760200(4)该同学测定一金属杆的长度和直径，示数分别如图丁、戊所示，则该金属杆的长度和直径分别为_ cm和_ mm.60.104.20解析：由图丁所示可得金属杆的长度L60.10 cm.由图戊知，此游标尺为50分度，游标尺上第10条刻度线(不计0刻度线)与主尺上的刻度线对齐，则该金属杆直径d4 mm0.0210 mm4.20 mm.考点二 纸带类实验综合 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计时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
6、间的时间间隔t0.025 s0.10 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vnxn+xn+12T.(3)用“逐差法”求加速度：如图乙所示，因为a1x4x13T2，a2x5x23T2，a3x6x33T2，所以aa1+a2+a33x4+x5+x6x1x2x39T2.当位置间隔数是奇数时，应舍去位置间隔小的数据 例2 2022福建押题卷某实验小组利用如图甲所示的装置，探究加速度与小车所受合外力和质量的关系(1)下列做法正确的是_；A实验前应先将木板左端适当垫高，以平衡摩擦力 B实验时应满足砝码
7、桶与砝码总质量远小于小车和车内砝码总质量 C释放小车前应将小车靠近打点计时器，并使纸带尽量伸直 D实验时为了安全应先释放小车再接通打点计时器的电源 E在探究加速度与质量的关系时，应保持拉力不变，即只需要保持砝码桶和砝码总质量不变 答案：AC(2)实验时得到一条如图乙所示的纸带，打点计时器的频率为50 Hz，任意两个计数点间还有四个计时点未画出，由图中数据可计算小车的加速度为_ m/s2.(结果保留两位有效数字)2.4解析：由题意知T0.1 s，采用逐差法求加速度，可得aBDOB2T 2 2.4 m/s2；(3)在保持小车和车中砝码质量一定，探究小车的加速度与受到的合外力的关系时，甲、乙两位同学
8、分别得到了如图丙所示的a-F图像，则甲同学的a-F图线不过原点的原因是_ 平衡摩擦力过度，木板的倾角过大解析：由甲同学的a-F图像可知，拉力传感器的示数F0时，小车已经有了加速度，可能原因是平衡摩擦力过度，木板的倾角过大 预测4 2022辽宁押题卷(1)在下列实验中，能用图中装置完成且仅用一条纸带就可以得出实验结论的是_(单选)；A验证小车和重物组成的系统机械能守恒 B探究小车速度随时间变化的规律 C探究小车加速度与力、质量的关系 D探究不同力做功与小车速度变化的关系 B(2)某次实验中按规范操作打出了一条纸带，其部分纸带如下图已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上，纸带左端接小车，请
9、根据图中纸带判断其做的是_(填“匀速”“匀变速”或“加速度变化的变速”)运动，此次实验中打点计时器打下A点时小车的速度为_m/s；(保留两位有效数字)匀变速0.520.54解析：根据xaT2，T均相等，即只要满足x均相等即可满足运动为匀变速运动，根据图像可知x均为0.1 cm，则该运动为匀变速运动 小车的速度为v1.0+1.1 10220.02m/s0.53 m/s.(3)如下图所示，在水平气垫导轨上用光电门记录数据的方式做“验证动量守恒定律”实验，测量滑块A的质量记为m1，测量滑块B的质量记为m2，测量滑块A上的遮光条宽度如下图所示，其宽度d1_cm，测得滑块B上的遮光条宽度为d2.滑块A从
10、右向左碰静止的滑块B，已知m1m2，光电门计时器依次记录了三个遮光时间t1、t2、t3，验证动量守恒需要满足的关系式为_(用测量的物理量符号表示)1.000 cm1.010 cm均可m1d1t1 m2d2t2+m1d1t3考点三“弹簧”“橡皮条”“碰撞”类实验 例3 2022浙江6月(1)“探究小车速度随时间变化的规律”实验装置如图1所示，长木板水平放置，细绳与长木板平行图2是打出纸带的一部分，以计数点O为位移测量起点和计时起点，则打计数点B时小车位移大小为_ cm.由图3中小车运动的数据点，求得加速度为_ m/s2(保留两位有效数字)6.200.051.90.2利用图1装置进行“探究加速度与
11、力、质量的关系”的实验，需调整的是_(多选)A换成质量更小的车 B调整长木板的倾斜程度 C把钩码更换成砝码盘和砝码 D改变连接小车的细绳与长木板的夹角 BC解析：利用图1装置进行“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，为减小实验误差，应使连接小车的细绳与长木板平行，D错误；实验时应将钩码更换成砝码盘和砝码，应保证小车的质量远大于砝码以及砝码盘的总质量，因此不能换成质量更小的小车，A错误，C正确；实验时应将长木板的右端适当垫高以平衡摩擦力，B正确(2)“探究求合力的方法”的实验装置如图4所示，在该实验中 下列说法正确的是_(单选)A拉着细绳套的两只弹簧秤，稳定后读数应相同 B在已记录结点位置的情
12、况下，确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的两点 C测量时弹簧秤外壳与木板之间不能存在摩擦 D测量时，橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板 若只有一只弹簧秤，为了完成该实验至少需要_(选填“2”“3”或“4”)次把橡皮条结点拉到O.D3例4 2022全国甲卷利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2，进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞完成下列填空：(1)调节导轨水平(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304kg.要使碰撞后两滑块运动方向相反，应选取质量为_ kg的滑块作
13、为A.解析：在一动一静的弹性碰撞中，质量小的滑块碰撞质量大的滑块才能反弹，故应选质量为0.304 kg的滑块作为A.0.304(3)调节B的位置使得A与B接触时，A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B碰撞，分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2.(5)将B放回到碰撞前的位置，改变A的初速度大小，重复步骤(4)多次测量的结果如下表所示 1 2 3 4 5 t1/s 0.49 0.67 1.01 1.22 1.39 t2/s 0.15 0.21 0.33 0.40 0.46 kv1v2 0.31
14、k2 0.33 0.33 0.33(6)表中的k2_(保留2位有效数字)(7)v1v2的平均值为_(保留2位有效数字)(8)理论研究表明，对本实验的碰撞过程，是否为弹性碰撞可由v1v2判断若两滑块的碰撞为弹性碰撞，则v1v2的理论表达式为_(用m1和m2表示)，本实验中其值为_(保留2位有效数字)；若该值与(7)中结果间的差别在允许范围内，则可认为滑块A与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞 0.310.32m2 m12m10.34预测5 某兴趣小组同学想探究橡皮圈中的张力与橡皮圈的形变量是否符合胡克定律，若符合胡克定律，则进一步测量其劲度系数(圈中张力与整圈形变量之比)他们设计了如图甲所示实验：橡
15、皮圈上端固定在细绳套上，结点为O，刻度尺竖直固定在一边，0刻度与结点O水平对齐，橡皮圈下端悬挂钩码，依次增加钩码的个数，分别记录下所挂钩码的总质量m和对应橡皮圈下端P的刻度值x，如下表所示：钩码质量m/g 20 40 60 80 100 120 P点刻度值x/cm 5.53 5.92 6.30 6.67 7.02 7.40(1)请在图乙中，根据表中所给数据，充分利用坐标纸，作出m-x图像；(2)作出m-x图像后，同学们展开了讨论：甲同学认为：这条橡皮圈中的张力和橡皮圈的形变量基本符合胡克定律；乙同学认为：图像的斜率k即为橡皮圈的劲度系数；丙同学认为：橡皮圈中的张力并不等于所挂钩码的重力；请参与
16、同学们的讨论，并根据图像数据确定：橡皮圈不拉伸时的总周长约为_ cm，橡皮圈的劲度系数约为_ N/m(重力加速度g取10 m/s2，结果保留三位有效数字)10.4054.5解析：由m-x图像可知，橡皮圈不拉伸时P点距离O点的距离约为5.20 cm(5.10cm5.40 cm)，则橡皮圈的总周长约为10.40 cm(10.20 cm10.80 cm)由m-x图像可知，橡皮圈的劲度系数，则有kmgx 120103107.405.20 102 N/m54.5 N/m.(3)若实验中刻度尺的0刻度略高于橡皮筋上端结点O，则由实验数据得到的劲度系数将_(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)；若实验中刻度
17、尺没有完全竖直，而读数时视线保持水平，则由实验数据得到的劲度系数将_(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)不受影响偏小解析：若实验中刻度尺的0刻度略高于橡皮筋上端结点O，则由实验数据得到的劲度系数将不受影响，因为计算劲度系数时考虑的是橡皮筋的伸长量而不是长度若实验中刻度尺没有完全竖直，而读数时视线保持水平，会使读数偏大，则由实验数据得到的劲度系数将偏小 预测6 某研究小组做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验，所用器材有：方木板一块、白纸、量程为5 N的弹簧测力计两个、橡皮条(带两个较长的细绳套)、小圆环、刻度尺、三角板、图钉(若干个)主要实验步骤如下：a橡皮条的一端与轻质小圆环相连，另一端
18、固定；b用手通过两个弹簧测力计共同拉动小圆环，小圆环运动至O点，记下两弹簧测力计的读数F1和F2及两细绳套的方向；c用一个弹簧测力计将小圆环拉到O点，记下弹簧测力计的读数F及细绳套的方向；d在白纸上做出力F、F1和F2的图示，猜想三者的关系，并加以验证(1)b、c 步 骤 中 将 小 圆 环 拉 到 同 一 位 置 O 的 目 的 是_(2)某次操作后，在白纸上记录的痕迹如图丁所示，请你在图丁中完成步骤d.保证两次操作力的作用效果相同预测7 2022北京押题卷如图1所示，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球碰撞前后的动量关系图1中的O点为小球抛出点在记录纸上的垂直投影实验时，先
19、使A球多次从斜轨上位置P静止释放，找到其平均落地点的位置E.然后，把半径相同的B球静置于水平轨道的末端，再将A球从斜轨上位置P静止释放，与B球相碰后两球均落在水平地面上，多次重复上述A球与B球相碰的过程，分别找到碰后A球和B球落点的平均位置D和F.用刻度尺测量出水平射程OD、OE、OF.测得A球的质量为mA，B球的质量为mB.(1)实验中，通过测量小球做平抛运动的水平射程来代替小球碰撞前后的速度 实验必须满足的条件有_ A两球的质量必须相等 B轨道末端必须水平 CA球每次必须从轨道的同一位置由静止释放“通过测量小球做平抛运动的水平射程来代替小球碰撞前后的速度”可行的依据是_ A.运动过程中，小
20、球的机械能保持不变 B平抛运动的下落高度一定，运动时间相同，水平射程与速度大小成正比 BCB(2)当满足表达式_时，即说明两球碰撞中动量守恒；如果再满足表达式_时，则说明两球的碰撞为弹性碰撞.(用所测物理量表示)解析：因为可用小球做平抛运动的水平射程来代替小球抛出时的速度，根据动量守恒有 mAv0mAv1mBv2 mAOEmAODmBOF 若碰撞过程为弹性碰撞，则机械能守恒，有12 mAv0212 12+12 22 即mAOE2mAOD2mBOF2 mAOEmAODmBOFmAOE2mAOD2mBOF2(3)某同学在实验时采用另一方案：使用半径不变、质量分别为16mA、13mA、12mA的B球
21、将A球三次从斜轨上位置P静止释放，分别与三个质量不同的B球相碰，用刻度尺分别测量出每次实验中落点痕迹距离O点的距离OD、OE、OF，记为x1、x2、x3.将三组数据标在x1-x3图中从理论上分析，图2中能反映两球相碰为弹性碰撞的是_.图2 A考点四 力学其他实验 例5 某实验小组的同学利用如图甲所示的实验装置完成了“探究向心力与线速度关系”的实验，将小球用质量不计长为L的细线系于固定在铁架台上的力传感器上，小球的下端有一长度极短、宽度为d的挡光片，测得小球的直径为D，重力加速度用g表示请回答下列问题：(1)用游标卡尺测量挡光片的宽度如图乙所示，则挡光片的宽度为_mm；如果挡光片经过光电门时的挡
22、光时间为10 ms，则小球通过光电门时的速度大小为v_m/s(结果保留3位有效数字)(2)小球通过光电门时力传感器的示数为F0，改变小球释放点的高度，多次操作，记录多组F0、v的数据，作出F0-v2的图像，如果图线的斜率为k，则小球(含挡光片)的质量为_；向心力大小为F_(用已知物理量的符号表示)6.700.670k 2L+D2F0k 2L+D g2预测8 用如图甲所示装置研究平抛运动的轨迹将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的木板上钢球沿斜槽PQ滑下后从Q点飞出，落在竖直挡板MN上由于竖直挡板与竖直木板的夹角略小于90，钢球落在挡板上时，钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点每次将竖直挡板向右平移
23、相同的距离L，从斜槽上同一位置由静止释放钢球，如此重复，白纸上将留下一系列痕迹点(1)实 验 前 需 要 检 查 斜 槽 末 端 是 否 水 平，正 确 的 检 查 方 法 是_(2)以平抛运动的起始点为坐标原点，水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向建立坐标系将钢球放在Q点，钢球的_(选填“最右端”“球心”或“最下端”)对应白纸上的位置即为坐标原点(3)实验得到的部分点迹a、b、c如图乙所示，相邻两点的水平间距均为L，ab和ac的竖直间距分别是y1和y2，当地重力加速度为g，则钢球平抛的初速度大小为_，钢球运动到b点的速度大小为_ 将钢球置于斜槽末端，其能静止，说明斜槽末端水平球心Lgy
24、22y112 22+42 221预测9 2022济南市测评某实验小组在实验室用单摆做测定重力加速度的实验，实验装置如图甲所示(1)摆 球 的 直 径 用 螺 旋 测 微 器 测 出，如 图 乙 所 示，其 读 数 为_mm.(2)正确操作测出单摆完成n次全振动的时间为t，用毫米刻度尺测得摆线长为L，螺旋测微器测得摆球直径为d.用上述测得量写出重力加速度的表达式：g_.(3)某 同 学 测 得 的 g 值 比 当 地 的 重 力 加 速 度 偏 小，可 能 原 因 是_ A计算时将L当成摆长 B测摆线长时摆线拉得过紧 C开始计时时，秒表按下过晚 D实验中误将30次全振动计为29次 4.70042
25、n2 L+d2t2AD素养培优情境命题1.力学创新型实验的特点(1)以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和牛顿运动定律设计实验(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、逐差法融入到实验的综合分析之中 2创新实验题的解法(1)根据题目情境，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 情境1 2022山东卷在天宫课堂中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材
26、设计了测量物体质量的实验，如图甲所示主要步骤如下：将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；接通气源，放上滑块，调平气垫导轨；将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块弹簧处于原长时滑块左端位于O点，A点到O点的距离为5.00 cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示 回答以下问题(结果均保留两位有效数字)：(1)弹簧的劲度系数为_ N/m.(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a-F图像如图丙中所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为_kg.(3)该同学在滑块上增加
27、待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a-F图像，则待测物体的质量为_kg.120.200.13解析：(1)初始时弹簧的伸长量为5.00 cm，结合图乙可读出弹簧弹力为0.610 N，由Fkx可得弹簧的劲度系数k12 N/m.(2)根据牛顿第二定律Fma，结合图丙可得a-F图线斜率的倒数表示滑块与加速度传感器的质量，代入数据得m0.20 kg.(3)同理图像斜率的倒数1kmm测，得m测0.13 kg.情境2 2022邯郸二模如图所示的实验装置可以测量物块与长木板间的动摩擦因数把长木板一端放在水平面上，另一端支撑起来形成一个斜面物块沿斜面加速下滑的过程中先后经过光电门A和光电门B.如果测得
28、物块上挡光片宽度为d，物块经过光电门A、B时挡光片的挡光时间分别为t1和t2，已知当地重力加速度为g.(1)要测出物块与长木板间的动摩擦因数，需要测量出斜面的倾角以及光电门A、B之间的距离L.(2)计算物块沿斜面下滑的加速度a的运动学公式是a_(3)物块与斜面间的动摩擦因数_ 22(1t221t12)tan22(1t221t12)情境3 2022河南焦作高一联考某实验小组利用如图甲所示装置测定小车在斜面上下滑时的加速度，实验开始时，小车静止在A点，光电门位于O点，AO间距离为l0.已知小车上挡光片的宽度为d，且dl0.(1)释放小车，小车由静止开始下滑，下滑过程中通过位于O点处的光电门，由数字
29、计时器记录挡光片通过光电门的时间t.可由表达式v_得到小车通过光电门的瞬时速度(2)将光电门向下移动一小段距离x后，重新由A点释放小车，记录挡光片通过光电门时数字计时器显示的时间t和此时光电门与O点间距离x.(3)重复步骤(2)，得到若干组t和x的数值(4)在1t 2-x坐标系中描点连线，得到如图乙所示直线，其斜率大小为k，纵轴截距为b，则小车加速度的表达式为a_，初始时AO间距离l0_(用d、k、b表示)dtkd22bk情境4 2022全国冲刺卷为准确测量某弹簧的劲度系数，某探究小组设计了如下实验，实验装置如图甲所示，其原理图如图乙所示角度传感器与可转动的“T”形螺杆相连，“T”形螺杆上套有
30、螺母，螺母上固定有一个力传感器，弹簧的上端挂在力传感器下端挂钩上，另一端与铁架台底座的固定点相连当“T”形螺杆转动时，角度传感器可测出螺杆转动的角度，力传感器会随着“T”形螺杆旋转而上下平移，弹簧长度也随之发生变化实验过程中，弹簧始终在弹性限度内(1)已知“T”形螺杆向某一方向旋转10周(10360)时，力传感器上移40.0 mm，则在角度传感器由0增大到270的过程中，力传感器向上移动的距离为_ mm.(保留一位小数)3.0解析：当其旋转270时，力传感器在竖直方向移动的距离为x4010360270mm3.0 mm；(2)该探究小组操作步骤如下：旋转螺杆使初状态弹簧长度大于原长；记录初状态力传感器示数F0、以及角度传感器示数0；旋转“T”形螺杆使弹簧长度增加，待稳定后，记录力传感器的示数Fn，角度传感器的示数n；多次旋转“T”形螺杆，重复步骤的操作；以力传感器的示数F为纵坐标、角度传感器的示数为横坐标，由实验数据描绘出F-图像，则该图像可能为_B(3)若图像的斜率为2.510 4 N/，则该弹簧的劲度系数k_ N/m.(结果保留三位有效数字)22.5解析：角度增加时，弹簧形变量为x，“T”形螺杆的螺纹间距为d，则有xd360，d4036010360 mm，根据胡克定律得Fkx，解得kF360d，代入数据有k22.5 N/m.
