第19讲.力学实验(原卷版)-2024高考二轮复习

2024高考二轮复习二十五讲第19讲、力学试验第一部分织网点睛，纲举目张物理力学部分的试验共有八个，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，这些试验都离不开力、长度、加速度的测量，离不开让物体运动起来。将具有相同点的试验进行分类归纳，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)测量力方法仪器器材相关试验基本法测力计、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(二)让物体动起来方法操作相关试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(三)测量速度方法主要仪器器材操作相关试验纸带法沟通电源、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、天公平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(四)测量加速度方法原理与操作相关试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)争辩匀变速直线运动，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，依据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依据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，但要留意，加速度等于图像斜率的2倍，此外纵轴截距表示初速度三类试验的要点谨记（一）“纸带和打点计时器”类试验1．涉及的试验(1)争辩匀变速直线运动。(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)确定时间要区分打点计时器打出的点与人为选取的计数点之间的区分与联系，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＝0.02×5s＝0.1s。(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：在已经推断出物体做匀变速直线运动的状况下可利用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xⅡ－xⅠ＝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，但却要简洁得多。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v­t图像，图线的斜率为物体做匀变速直线运动的加速度。（二）“弹簧、橡皮筋”类试验1．探究弹簧弹力与形变量的关系(1)试验中不能挂过多的钩码，防止弹簧超过弹性限度。(2)画图像时，不要连成“折线”，而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在直线两侧。2．探究两个互成角度的力的合成规律(1)每次拉伸结点位置O必需保持不变。(2)登记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。（三）验证动量守恒定律试验本试验可利用不同的方案验证，具体如下：试验方案试验装置利用气垫导轨完成一维碰撞试验滑块速度的测量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其次部分实战训练，高考真题演练1.（5分）（2023高考全国乙卷）在“验证力的平行四边形定则”的试验中使用的器材有：木板、白纸、两个标准弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、刻度尺、铅笔、细线和图钉若干。完成下列试验步骤：①用图钉将白纸固定在水平木板上。②将橡皮条的一端固定在木板上，另一端系在轻质小圆环上。将两细线也系在小圆环上，它们的另一端均挂上测力计。用互成肯定角度、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个测力计，小圆环停止时由两个测力计的示数得到两拉力和的大小，并___________。（多选，填正确答案标号）A.用刻度尺量出橡皮条的长度B.用刻度尺量出两细线的长度C.用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置D.用铅笔在白纸上标记出两细线的方向③撤掉一个测力计，用另一个测力计把小圆环拉到_________，由测力计的示数得到拉力的大小，沿细线标记此时的方向。④选择合适标度，由步骤②的结果在白纸上依据力的平行四边形定则作和的合成图，得出合力的大小和方向；按同一标度在白纸上画出力的图示。⑤比较和的________，从而推断本次试验是否验证了力的平行四边形定则。2.（2023学业水公平级考试上海卷）如图，利用光电门争辩“小车的加速度与所受合外力的关系”，先测出单个钩码所受重力G，之后转变绳端钩码个数，可以近似认为钩码受到的重力等于小车受到的拉力，小车每次从水平面上同一位置释放，测出挡光片通过光电门的时间△t。（1）试验中（选填“必需”或“不必”）测出小车的质量。（2）为完成试验，还需要测量①。②。（3）实际小车受到的拉力小于钩码的总重力，缘由是。（4）若轨道保持水平，定滑轮偏低导致细线与轨道不平行，则细线平行时小车的加速度a1与细线不平行时小车的加速度a2相比，a1a2（选填“大于”、“小于”或“等于”）。3．.（2023高考湖北卷）某同学利用测质量的小型家用电子秤，设计了测量木块和木板间动摩擦因数的试验。如图（a）所示，木板和木块A放在水平桌面上，电子秤放在水平地面上，木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连。调整滑轮，使其与木块A间的轻绳水平，与重物B间的轻绳竖直。在木块A上放置n（）个砝码（电子秤称得每个砝码的质量为），向左拉动木板的同时，记录电子秤的对应示数m。（1）试验中，拉动木板时__________（填“必需”或“不必”）保持匀速。（2）用和分别表示木块A和重物B的质量，则m和所满足的关系式为__________。（3）依据测量数据在坐标纸上绘制出图像，如图（b）所示，可得木块A和木板间的动摩擦因数_________（保留2位有效数字）。4.（2023高考选择性考试辽宁卷）某同学为了验证对心碰撞过程中的动量守恒定律，设计了如下试验：用纸板搭建如图所示的滑道，使硬币可以平滑地从斜面滑到水平面上，其中OA为水平段。选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行试验。测量硬币的质量，得到一元和一角硬币的质量分别为和()。将硬币甲放置在斜面一某一位置，标记此位置为B。由静止释放甲，当甲停在水平面上某处时，测量甲从O点到停止处的滑行距离OP。将硬币乙放置在O处，左侧与O点重合，将甲放置于B点由静止释放。当两枚硬币发生碰撞后，分别测量甲乙从O点到停止处的滑行距离OM和ON。保持释放位置不变，重复试验若干次，得到OP、OM、ON的平均值分别为、、。（1）在本试验中，甲选用的是____（填“一元”或“一角”）硬币；（2）碰撞前，甲到O点时速度的大小可表示为_____（设硬币与纸板间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g）；（3）若甲、乙碰撞过程中动量守恒，则_____（用和表示），然后通过测得的具体数据验证硬币对心碰撞过程中动量是否守恒；（4）由于存在某种系统或偶然误差，计算得到碰撞前后甲动量变化量大小与乙动量变化量大小的比值不是1，写出一条产生这种误差可能的缘由____。5．（2023年6月高考浙江选考科目）（7分）（1）在“探究平抛运动的特点”试验中①用图1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．需转变小锤击打的力度，多次重复试验C．能同时探究平抛运动水平、竖直分运动的特点②用图2装置进行试验，下列说法正确的是________。A．斜槽轨道M必需光滑且其末端水平B．上下调整挡板N时必需每次等间距移动C．小钢球从斜槽M上同一位置静止滚下图1图2图3③用图3装置进行试验，竖直挡板上附有复写纸和白纸，可以登记钢球撞击挡板时的点迹。试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，重复试验，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。测得钢球直径为d，则钢球平抛初速度v0为________。A．B．C．D．（2）如图4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12…xA/cm7.758.539.30…xB/cm16.4518.5220.60…图4钩码个数为1时，弹簧A的伸长量________cm，弹簧B的伸长量________cm，两根弹簧弹性势能的增加量________（选填“=”、“<”或“>”）。6．（2023全国高考新课程卷）（12分）一同学小组做“用单摆测量重力加速度的大小”试验。图（a）图（b）图（c）（1）用试验室供应的螺旋测微器测量摆球直径。首先，调整螺旋测微器，拧动微调旋钮使测微螺杆和测砧相触时，发觉固定刻度的横线与可动刻度上的零刻度线未对齐，如图（a）所示，该示数为________mm；螺旋测微器在夹有摆球时示数如图（b）所示，该示数为________mm，则摆球的直径为________mm。（2）单摆试验的装置示意图如图（c）所示，其中角度盘需要固定在杆上的确定点O处，摆线在角度盘上所指的示数为摆角的大小。若将角度盘固定在O点上方，则摆线在角度盘上所指的示数为5°时，实际摆角________5°（填“大于”或“小于”）。（3）某次试验所用单摆的摆线长度为81.50cm，则摆长为________cm。试验中观测到从摆球第1次经过最低点到第61次经过最低点的时间间隔为54.60s，则此单摆周期为________s，该小组测得的重力加速度大小为________m/s2。（结果均保留3位有效数字，π2取9.870）7（2023高考全国甲卷）（10分）某同学利用如图（a）所示的试验装置探究物体做直线运动时平均速度与时间的关系。让小车左端和纸带相连。右端用细绳跨过定滑轮和钩码相连。钩码下落，带动小车运动，打点计时器打出纸带。某次试验得到的纸带和相关数据如图（b）所示。（1）已知打出图（b）中相邻两个计数点的时间间隔均为0.1s，以打出A点时小车位置为初始位置，将打出BCDEF各点时小车的位移△x填到表中。小车发生位移所用时间和平均速度分别为△t和，表中△xAD=cm，=cm/s。。位移区间ABACADAEAF66014.6034.9047.3066.073.087.394.6（2）依据表中数据得到小车平均速度随时间的变化关系，如图（c）所示。题卡上的图中补全试验点_____。（3）从试验结果可知，小车运动的——△t图线可以视为一条直线，此直线方程用表示，其中k=cm/s2，b=cm/s。（结果均保留3位有效数字）（4）依据（3）中的直线方程可以判定小车做匀加速直线运动，得到打出A点时小车速度大小vA=，小车的加速度大小a=。（结果用字母k、b表示）8.（2023年1月浙江选考·16I）（7分）（1）在“探究小车速度随时间变化的规律”的试验中，试验装置如图1所示．①需要的试验操作有__________（多选）；A．调整滑轮使细线与轨道平行B．倾斜轨道以补偿阻力C．小车靠近打点计时器静止释放D．先接通电源再释放小车②经正确操作后打出一条纸带，截取其中一段如图2所示。选取连续打出的点0、1、2、3、4为计数点，则计数点1的读数为__________。已知打点计时器所用沟通电源的频率为，则打计数点2时小车的速度大小为：__________（结果保留3位有效数字）。第三部分最新模拟集萃，提升应试力量1.(2024年1月湖北十堰市调研)某同学用如图甲所示的试验装置，探究肯定质量的小车的加速度与力的关系。将光滑滑轮用一细杆固定在小车的前端，滑轮及细杆的总质量为，小车的质量为M，砂和砂桶的质量为m，打点计时器所接电源频率为50Hz的沟通电。（1）此试验正确的操作是________。A．试验前需要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力B．让小车靠近打点计时器，先释放小车，再接通电源C．为减小系统误差，试验中肯定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M（2）该同学以小车的加速度a为纵坐标、力传感器的示数F为横坐标，画出的a-F的关系图像如图乙所示，图线的斜率为k，则小车的质量为________。A．B．C．kD．2k（3）某次试验中，力传感器的示数为4.59N，打出的部分计数点如图丙所示(每相邻两个计数点间还有四个计时点未画出)，其中，，，，，，则小车的加速度大小为_________m/s²，此次试验中砂和砂桶的质量为_________kg。(当地重力加速度大小为9.8m/s²，结果均保留两位有效数字)2.（2024山东德州期中）物理学中有一些经典试验通过奇妙的设计揭示了深刻的物理本质，比如伽利略的斜面试验揭示了匀变速直线运动规律。某同学用现代试验器材改进伽利略试验，如图甲所示，一小球从固定斜面顶端O处静止释放，通过A、B两处的传感器，测出小球在AB段运动的时间t以及A、B间的距离s，计算出这段时间内的平均速度v。转变传感器A的位置，重复多次试验，所得数据如下表所示。s（m）0.5000.6000.7000.8000.9000.950t（ms）292.9371.5452.3552.8673.8776.4v（m/s）1.711.621.551.451.341.22请完成下列作图和填空：（1）依据表中给出的数据，在图乙给出的坐标纸上画出图线__________；（2）由所画出的图线，得出滑块加速度的大小为_________（保留2位有效数字）。（3）由所画出的图线，得出滑块到达斜面底端B处时的速度大小为________m/s（保留3位有效数字）。3.某试验小组利用如图装置验证动量守恒定律。气垫导轨上装有光电门1和2。将滑块A和B静置在导轨上，两滑块上均固定有相同的竖直挡光片。（1）打开气泵，先取走滑块B，待气流稳定后将滑块A从气垫导轨右侧由弹射装置向左弹出，测得滑块过光电门1的挡光时间大于过光电门2的挡光时间，为使试验结果精确     ，后续的操作是_______A.调高右侧底座旋钮B.调高左侧底座旋钮C.将光电门1向左侧移动D.将光电门2向右侧移动（2）气垫导轨调整好后，将滑块B静置于两光电门之间，将滑块A静置于光电门1右侧，给A水平向左的速度，经过光电门1后与B发生碰撞且被弹回，再次经过光电门1。光电门1先后记录的挡光时间为、，光电门2记录的挡光时间为为完成试验，还必需测量的物理量有__________。A.挡光片的宽度dB.滑块A（含挡光片）质量C.滑块B（含挡光片）的质量D.光电门1到光电门2的间距L（3）若两滑块碰撞过程动量守恒，则必需满足的关系式为_______________（用（2）中的物理量表示）。（4）若滑块A、B之间的碰撞为弹性碰撞，则关系式满足________。A.B.C.D.4.（2024山东泰安9月测试）如图所示为验证机械能守恒定律的试验装置示意图（1）关于该试验，以下说法正确的是___________（选填选项前的字母）。A.精确测量出重锤的质量，有助于减小试验误差B.纸带上打下的第1、2点间距大于2mm，则无论怎样处理数据，试验误差都会很大C.两限位孔应在同一竖直面内上下对正D.试验中摩擦是不行避开得，因此纸带越短越好，由于纸带越短，克服摩擦做的功就越少，误差就小（2）若正确规范完成试验，正确选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点O的距离如图所示（相邻计时点时间间隔为0.02s），当地重力加速度的值为9.8m/s2①打下计时点B时，重物的速度___________m/s。（结果保留两位有效数字）②在从起点O到打下计时点B的过程中，测得重物重力势能的削减量略大于动能的增加量，这是由于___________。5.（2024山东泰安9月测试）某学习小组利用如图甲所示的装置“探究加速度与力、质量的关系”。（1）下列说法正确的是（）A．本试验必需让木板倾斜肯定的高度，当不挂钩码时小车恰能匀速直线运动B．本试验必需让木板倾斜肯定的高度，当挂钩码时小车恰能匀速直线运动C．本试验要求所挂钩码的质量远远小于小车的质量D．本试验可以不平衡摩擦力，钩码的质量也可以大于小车的质量（2）正确安装好器材后，某次测量得到纸带如图乙所示，若打点计时器的频率为，O点为打出的第一个点，其余各相邻两计数点之间有四个点没有画出；依据纸带测得小车的加速度大小为________。（结果保留两位有效数字）以力传感器的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的图象是一条直线，依据测量数据作出如下图所示的图线，该同学做试验时存在的问题是_______。（3）另一学习小组用弹簧测力计、小车和钩码设计了如图丙所示的探究装置。正确操作得到某次试验中弹簧测力计的示数是力传感器读数的两倍时，两学习小组测得小车的加速度大小相等，则甲、丙两试验装置中，钩码的加速度_______（填“相等”或者“不相等”）。若甲装置中小车的质量为，丙装置中小车的质量为（不计传感器和滑轮的质量），则________。6.（2024四川仁寿一中9月质检）某同学使用了如图所示的装置，进行探究动能定理。（1）在试验中关于平衡摩擦力所实行操作是（）A．将木板上带滑轮的一端适当垫高，使物块在沙和桶的拉动下恰好做匀速运动B．将木板上不带滑轮的一端适当垫高，使物块在沙和桶的拉动下恰好处于静止状态C．将木板上不带滑轮的一端适当垫高，在不挂沙和桶的状况下使物块恰好做匀速运动D．将木板上带滑轮的一端适当垫高，在不挂沙和桶的状况下使物块恰好做匀速运动（2）本试验中认为物块所受到的合力等于沙和桶的重力，则应把握的试验条件是________；（3）若遮光片宽度是d，沙与桶的质量是m，将物块拉至与光电门B的距离为S的A点，由静止释放，物块通过光电门时遮光片的遮光时间为t，转变沙与桶的质量m，重复上述试验（保持S不变）。依据试验数据画出的图像，如图所示。则与m的表达式是：________；若图线的斜率为k，则物块的质量M=________。7.（2024山西三重教育联盟9月联考）为探究向心力大小与角速度的关系，某试验小组通过如图所示的装置进行试验。滑块套在水平杆上，随水平杆一起绕竖直杆做匀速圆周运动，力传感器通过一细绳连接滑块，用来测绳上拉力大小。滑块上固定一遮光片，宽度为d，光电门可以记录遮光片通过的时间，测出滑块中心到竖直杆的距离为l。试验过程中细绳始终被拉直。（1）本试验所接受的试验探究方法与下列哪些试验是不同的________。A．探究平抛运动的特点B．探究导线的电阻与长度、横截面积和材料的关系C．探究加速度与物体受力、物体质量的关系D．探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系（2）滑块随杆转动做匀速圆周运动时，每经过光电门一次。力传感器和光电门就同时获得一组拉力F和遮光时间t，则滑块的角速度ω=________（用t、l、d表示）。（3）为验证向心力大小与角速度的关系，得到多组试验数据后，应作出F与________（填“t”、或的关系图像。假如图像是一条过原点的倾斜直线，且直线的斜率等于________，表明此试验过程中向心力与________成正比（选填“角速度”、“角速度平方”或“角速度二次方根”）。8.（2024吉林重点高中质检）某同学利用电火花打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的试验．气垫导轨装置如图(a)所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成．在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着肯定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂移在导轨上，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．(1)下面是试验的主要步骤：①安装好气垫导轨，调整气垫导轨的调整旋钮，使导轨水平；②向气垫导轨通入压缩空气；③把电火花打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器与弹射架并固定在滑块1的左端，调整打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；⑤把滑块2放在气垫导轨的中间；⑥先______________，然后________，让滑块带动纸带一起运动；⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出抱负的纸带如图(b)所示；⑧测得滑块1的质量为310g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205g.完善试验步骤⑥的内容．(2)已知打点计时器每隔0.02s打一个点，计算可知两滑块相互作用以前系统的总动量为________kg·m/s；两滑块相互作用以后系统的总动量为________kg·m/s(保留三位有效数字)．(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要缘由是____________________________