2024年高考物理二轮复习专题19：力学实验及创新（附答案解析）

专题19•力学实验及创作

命题规律

本专题主要力学实验，了解基础实验的实验原理和实验方

能力突破法的理解与掌握，探究实验的实验方案，实验器材及数据

处理的理解与掌握。

(1)掌握每一个实验的原理，熟悉实验中的每一个实验步

骤；

(2)领会每一个实验步骤的作用，学会每一个实验仪器的

高考热点

使用；

(3)学会每一个实验的数据处理方法，弄清每一个实验误

差的来源。

出题方向实验题，题目难度一般为中档。

■

考点归纳

考点1力学基础实验

［解题技巧］

!纵览近几年全国卷及各省市等级考物理试题，实验命题不避热点,注重陈题翻新；

;重点实验频频考，其他实验“轮换”考。实验“小题”常考力学内容，实验“大题”常考电

:学内容。在两个实验中，通常一个实验立足教材，立足创新，凸显对科学探究素养的

考查，一般较为基础，注重对考生的实验基本功的考查；另一个实验题依据新课程标

准要求挖掘改造，对考生的实验能力要求较高，突出选拔作用。地方卷的实验题文字

量较全国卷大，更加注重对实验原理的考查，创新程度较高

【例1】（2022秋•武清区期末）在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，某小组的

祛码橘

图1图2

（1）实验中要调节长木板的倾斜度，将长木板无滑轮的一端适当垫高，使小车在不受

牵引力时能拖动纸带沿木板做运动。

（2）在产一定的情况下，实验小组的同学们测得了加速度”与小车和小车上祛码的总质

量M的6组数据，并在坐标纸上描出了6个点，如图2所示。请你在图中画出a-，

MM

图线—o由图线可知，当/一定时，”与何成—（填“正比”或“反比”）关系。

【分析】（1）平衡摩擦力时，把木板一端垫高，调节木板的倾斜度，使小车在不受绳的

拉力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动即可；

（2）根据题中所描的点，尽量画在一条直线上；由数学思维得到加速度与质量M的关

系。

【解答】解：（1）实验中要求细线的拉力大小等了小车所受外力的合力，则需要平衡摩

擦力，即使小车在不受牵引力时，能拖动纸带沿木板做匀速直线运动。

（2）将图中各点用一条直线连接起来，使得点迹均匀分布在直线的两侧，如图所示

a/(ms-2)

由于图像是一条过坐标原点的倾斜的直线，可知，在尸一定时，加速度。与,成正比,

M

即在F一定时，”与M成反比。

故答案为：（1）匀速直线；（2）见解析、反比。

【例2】（2023•思明区校级二模）某学习小组利用如图所示装置探究弹簧弹性势能大小。

实验器材有：左端带有挡板的水平长木板、轻质弹簧、带有遮光片的滑块、光电门、数

字计时器、游标卡尺、毫米刻度尺、天平。

实验过程如下：

①用游标卡尺测得遮光片的宽度为d，用天平测得带有遮光片的滑块质量为机;

②长木板固定在水平地面上，将弹簧左端固定在挡板夕上，右端与滑块不拴接，当弹簧

自由伸长时，弹簧的右端垂直投影位于平板上O处，在此处安装光电门，并与数字计时

器相连；

③用滑块压缩弹簧，然后用销钉把滑块锁定，此时遮光片中心线通过平板上的A点，用

刻度尺测量出AO间的距离一

④拔去锁定滑块的销钉.，滑块经过光电门，记录数字计时器显示的遮光时间为/,滑块

停止运动时遮光片中心线通过平板上的B点，用刻度尺测量出013间的距离Lo

请回答下列问题：

（1）滑块与弹簧分离瞬间，滑块的速度大小-=—;

（2）滑块在03段运动的加速度大小a=;

（3）实验过程中弹簧的最大弹性势能与”=—o（均用题目所给物理量符号表示）

光电门

遮光片n

0B

【分析】（1）根据实验原理和注意事项分析判断；

（2）根据平抛运动规律计算。

【解答】解：（1）A、通过调节使斜槽末端保持水平，是为了保证小球做平抛运动，故

A正确。

8、因为要画同一运动的轨迹，必须每次释放小球的位置相同，且由静止释放，以保证

获得相同的初速度，故区错误。

。.只要保证离开斜槽末端时的速度相同即可，不需要斜槽光滑，故C错误；

D、做平抛运动的物体在同一竖直面内运动，固定白纸的木板必须调节成竖直，小球运

动时不应与木板上的白纸相接触，以免有阻力的影响，故。正确。

E,将球经过不同高度的位置记录在纸上后，取下纸，平滑的曲线把各点连接起来，故

石错误；

故选：ADo

（2）设相邻两点间的时间间隔为T

竖直方向：2L-L=gT2

得:T*

水平方向：v0=—=2yfgL;

小球在〃点时，竖直方向上的瞬时速度等于%=3

所以沙点的速度为：%=+哝=[7^

故答案为：（1）4）;（2）2疯，|疯。

【例4】（2022秋•福建期中）某同学利用水平放置的气垫导轨和光电门”验证机械能守

恒定律”，装置如图所示，已知滑块的质量为M钩码的质量为/〃，重力加速度大小为g。

测得遮光条的宽度为〃，光电门A、A之间的距离为/,滑块通过光，电门/W的时间分别

0

为4、Z2

（1）滑块通过光电门A时的速度大小办=—（用相关物理量的符号表示）。

（2）要验证系统机械能守恒，需要—和—在误差范围内相等。（均用相关物理量

的符号表示）

（3）根据实验数据发现钩码重力势能的减少量大于系统动能的增加量，是因为—o

:干¥导轨光步罕

1口刻7尺rr

鼬U

【分析】（1）根据块通过光电门A时的时间较短，平均速度等于瞬时速度解得；

（2）根据实验原理分析判断。

（3）运动过程滑块与钩码受空气阻力作用，机械能有损失。

【解答】解：（1）滑块通过光电门A时的时间较短，所以乙=一;

②根据实验原理.，我们需要得到滑块和钩码动能的变化量与钩码重力势能的变化量在误

差范围内相等。

（3）运动过程滑块与钩码受空气阻力作用，要克服空气阻力做功，机械能有损失，从

而导致钩码重力势能的减少量大于系统动能的增加量。

故答案为：（1）4;（2）滑块和钩码动能的变化量；钩码重力势能的变化量；（3）运动

A

过程受空气阻力作用，克服空气阻力做功，机械能有损失。

【例5】（2022秋•榆阳区校级月考）在“练习使用打点计时器”的实验中，小西同学选

出的纸带部分如图甲所示，A、B、C、D、E为纸带上标出的连续5个相邻打点。打

点计时器接在频率为50法的电源上。则A、E两打点间的时间展=s、距

离SAE=一”〃；小安所选纸带都分如图乙所示，A、B、C、。、E、F、G为在纸带

上所选的计数点，相邻两计数点间还有四个点未画出，电源频率仍为50也，则相邻两计

数点间的时间间隔为—一根据。、G两点间的位移和所用时间△/，可以算出

纸带在这两点间的平均速度B=三，用这个平均速度就可以代表纸带在打下七点时的瞬

At

时速度，则由此方法求得打下七点时的瞬时速度v=m/so

02345678910

卜IIIHHI?山川1川山|||“|山||而|山川||||山叩川山川||山||川1川山川||||山川1cm|

甲)丁£W5£1

R.4RJ.90J2.38J,2.8813.39J3.87Jcm

/•••••••

JABCDEFG

【分析】先计算打点周期，再计算A、E两打点间的时间和乙图中相邻两计数点间的时

间间隔，根据刻度尺的最小分度值读出E点读数，根据平均速度公式求E点的速度。

【解答】解：打点周期为：7=-=—5=0.025,A>E两打点间的时间为：

f50

tAK=4T=4x0.02s-0.08s;

刻度尺的最小分度值为，距离%=9.30a〃;

相邻两计数点间的时间间隔为：r=5T=5x0.02s=0.1s

打下万点时的瞬时速度v=^-=（2.88+3.39+3.87"10]〃/§=0338〃?/s

3t0.3

故答案为：0.08；9.30；0.1；0.338。

【例6】（2023•河南模拟）某同学用如图所示的装置验证牛顿第二定律，实验步骤如下：

（1）为了平衡摩擦力，他将手机固定在滑块上，滑块放到木板上，打开手机测量加速

度的软件，将木板7）端支起，逐渐调整木板抬起的高度，直至轻推滑块后滑块沿木板向

下运动时手机显示加速度为，之后用手扶住滑块，打开手机测量角度软件，

测得此时木板和水平桌面的夹角为13。o

（2）保持木板角度不变，将滑块通过细绳拴接两个质量均为〃?=20g的钩码，由木板顶

端释放滑块，手机显示滑块的加速度%=0.87〃?/S2；

（3）取下滑块（包括手机），用天平测出滑块和手机的总质量例=410g；

（4）已知当地的重力加速度g=98〃//,该同学用〃空计算出滑块的加速度为

M

m/s2；

（5）该同学发现计算得出的加速度”与手机显示的加速度％相差较大，原因是—;

（6）该实验过程也可以测出滑块与木板之间的动摩擦因数〃=—（已知tanl3o=0.23）。

（计算结果均保留2位有效数字）

【分析】（1）根据平衡摩擦力判断；

（4）根据所给公式计算；

（5）根据以小车手机、钩码为系统由，根据牛顿第二定律推导分析；

（6）根据平衡摩擦力时平衡条件计算。

【解答】解：（1）平衡摩擦力的方法是让重力沿斜面分力和摩擦力相等，合力为零，加

速度为零；

（4）该同学用49计算出滑块的加速度为：a=^-=2x20x10^1（）m/?=0.98/H/?

MM410x10

（5）以小车手机、钩码为系统，根据牛顿第二定律有：2mg=（M+2m）a

解得：上”—

M+2m

该同学发现计算得出的加速度〃与手机显示的加速度为相差较大，原因是忽略了钩码的

质量；

（6）平衡摩擦力时有：/HgsinO=

解得：〃=tan£=tan13。=0.23

故答案为：（1）0；（4）0.98；（5）忽略了钩码的质量；（6）0.23o

【例7】（2023春•鼓楼区校级期中）利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。

An

（1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在

下列器材中，还必须使用的两种器材是—O

A.低压交流电源

B.刻度尺

C.天平（含祛码）

（2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带，在纸带上选取三

个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为儿、怎、生，已知当地

重力加速度为g,打点计时器打点的周期为7,设重物的质量为机。从打O点到打4点

的过程中，重物的重力势能变化量△纥=—,动能变化量△4=

（3）各地大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，可能的

原因是—o（本题只有一个选项正确）

A.处理纸带时，没有每隔4点取一个计数点

B.重力加速度取值偏大

C.存在空气阻力和摩擦阻力的影响

D.没有采用多次实验取平均值的方法

【分析】（1）根据实验原理选择正确的实验器材；

（2）根据运动学公式得出重物的速度，结合能量的计算公式得出重力势能和动能的变

化量；

（3）根据实验原理分析出重力势能减小量大于动能增加量的原因。

【解答】解：（1）打点计时器需接交流电源，实验中需要用刻度尺测量点迹间的距离,

从而求出瞬时速度以及重力势能的减小量；实验中验证动能的增加量和重力势能的减小

量是否相等，质量可以约去，不需要用天平测量质量，故正确，C错误；

故选：ABo

（2）从打O点到打8点的过程中，重物的重力势能变化量

△与=mg%

3点的瞬时速度为：

_hc-hA

2T

则动能的增加量为：

口m（h-h）2

12=一cA

zO/

（3）各地大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，可能的

原因是存在空气阻力和摩擦阻力的影响，其他的不会导致各地学生实验结果均显示重力

势能的减少量大于动能的增加量，故C正确，AAD错误。

故选：C。

故答案为：（1）AB;（2）mghK；，似"；（3）。

考点2力学创新实验

i解题，

1.创新型实验的特点

（1）以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和力学定律设计实验。

（2）将实验的基本方法（控制变量法）和处理数据的基本方法（图象法、逐差法），融入到

实验的综合分析之中。

2.创新型实验的解法

（1）根据题目情景，抽象出用应的力学模型、运动过程，根据相应规律列出关系式从而

明确实验的理论依据。

（2）应用原理公式或图象法处理实验数据，结合物体实际受力情况和理论受力情况对结

果进行分析。

[例1]（2023春•九龙坡区校级期中）陈凯老师欲用气垫导轨和光电计时器等器材进行

“验证动量守恒定律”的实验，实验装置如图所示，下面是实验的主要步骤；

①安装好气垫导轨和光电门，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；

②测得A和8两滑块上遮光片的宽度均为d；

③得到A、8两滑块（包含遮光片）的质量叫、叫；

④向气垫导轨通入压缩空气；

⑤利用气垫导轨左右的弹射装置，使滑块A、8分别问右和向左运动，测出滑块A、3在

碰撞前经过光电门过程中挡光时间分别为和;

⑥观察发现滑块A、8碰撞后通过粘胶粘合在一起，运动方向与滑块3碰撞前运动方向

相同，此后滑块A再次经过光电门时挡光时间为

（1）碰撞前A滑块的速度大小为,碰撞前/T滑块的速度大小为o

（2）为了验证碰撞中动量守恒，需要验证的关系式是：（用题中所给物理量表示）。

【分析】（1）极短时间内的平均速度等于瞬时速度，根据滑块经过光电门的时间应用速

度公式求出速度。

（2）根据动量守恒定律求出实验需要验证的表达式,

【解答】解：（1）碰撞前4滑块的速度大小为

M

碰撞前8滑块的速度大小为％=心

*2

（2）为了验证碰撞中动量守恒，需要验证的关系式加2以-班乙=（町+〃%）丫

其中碰后共同速度为y=5

解得也_色=町土㈣

故答案为：（1）L4；（2）丝一色=色土殳。

【例2】（2022秋•海淀区校级月考）如图所示为某实验小组利用单摆探究两小球一维对

心碰撞时机械能变化的设计方案，在悬点O处细绳与拉力传感器连接，通过传感器与计

算机可以测量细绳中的拉力大小随时间的变化情况，细绳末端系有一个小球4,质量为

〃心水平放置的炽热的电热丝?固定在O点的正下方，当细绳摆至电热丝处时被电热丝

瞬间烧断；在悬点O正下方〃处有一水平台面质量为外的小球8静止放置于电热

丝尸的下方（图中3球没有画出，3球的大小与A球相同）。已知悬线长为小悬点到水

平台面MN的距离OO'=h[h>L），小球的质量小>m2。

（1）电热丝。必须放在悬点正下方，而小球8必须放在悬点正下方略微偏右的位置，

保证A、3两球在水平方向发生对心碰撞。

（2）将小球A向左拉起适当角度后自由释放，接着A、4两小球在水平方向发生碰撞，

最后A、8两小球分别落到水平台面上的C、"。点图中没有标出）两点，O'C=S\,

在A球下摆的过程中，计算机显示细绳中的拉力由匕增大为尸2。则碰撞前A小

球的动能％=,碰撞后A小球的动能4•=,碰撞后A小球的动能纥"=O

（3）在其他条件不变的情况下，移走小球8,改变释放小球A时细绳与竖直方向的夹

角0,小球A落点与。点的水平距离5将随之改变，则加和传感器的拉力K之间的函数

关系式为（注意：以上每空中的表达式必须用题目中的字母表示）。

拉力传感器

I、

*〃〃〃〃〃〃〉〃〃〃〃〃“〃〃〃〃〃〃〃/

MOfCN

【分析】根据牛顿第二定律以及动能的表达式即可求解碰撞前A小球的动能；再根据平

抛运动的规律以及动能表达式联立即可求解碰撞后A、8球的动能；最后根据牛顿第二

定律以及平抛运动的规律联立求解即可得'和传感器的拉力尸?之间的函数关系式。

【解答】解：（2）碰撞前对A小球，在最低点根据牛顿第二定律用-班用=叫匕，

L

碰撞前A小球的动能为ElA=："?炉=刍居-肛g）；

小球碰撞后做平抛运动，在竖直方向

在水平方向，

联立可得碰撞后A小球的功能为叽.=L

M91A（A_7\

碰撞后A小球做平抛运动，在竖直方向力

2

在水平方向，52=vr,

联立解得碰撞后B小球的动能为，E.=lwy=^S-；

24（〃一L）

（3）小球在最低点，根据牛顿第二定律人-,〃话=叫亍,

I-

小球做平抛运动，在竖直方向〃-L=；g产,

在水平方向，S,=vr,

联立解得5,和传感器的拉力F,之间的函数关系式为也”@尸2-2以人-£）；

V叫g

故答案为：（2）号（F—i8）:

2篇;C）J甘勺

【例3】（2022秋•河南月考）某小组同学用如图甲所示的装置测量物块A与长K板A间

的动摩擦因数，将长木板B放置在水平地面上，物块A放置在长木板8的上表而，用细

线将水平放置的弹簧测力计和物块A连接，调节弹簧测力计的高度使细线拉直后恰好水

平，现用大小为1ON的水立拉力尸将长木板8从物块A下方加速拉出，拉出过程中弹簧

测力计的示数如图乙所示，已知物块A的质量为2.0依，长木板8的质量为4.0依，取重

力加速度大小g=10N/依。

3—=单位:N

〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃/〃/〃〃〃〃〃〃♦44

甲乙

（1）弹簧测力计的示数为N。

（2）物块A对长木板8的摩擦力的方向水平向（填“左”或“右”）o

（3）物块A与长木板8间的动摩擦因数"=—（结果保留两位有效数字）。

（4）增大水平拉力F对测量物块A与长木板8间的动摩擦因数（填“有”或“无”

）影响。

【分析】根据如图所示的弹簧测力计分度值为0.1N,即可读数；

根据A与8之间的相对运动情况判断摩擦力的方向；

根据滑动摩擦力的公式求解动摩擦因数；

【解答】解：（1）由图知，最小分度值为O.W,读数应当估读到最小分度的下一位，所

以读数为3.54N；

（2）A静止，4相对于A向右运动，所以2会受到人向左的滑动摩擦力；

（3）因为4静止，所以A受力平衡，所以弹潴弹力太小等于4给A的滑动摩擦力大小,

即/=3.54N,根据公式/="N得,

(4)增大对8的拉力，此时A仍然静止，所以之间的滑动摩擦力仍然为弹簧测力计

示数，所以不会影响摩擦力的数值，自然也不会影响动摩擦因数。

故答案为：(1)3.54,(2)左，(3)0.18,(4)无

【例4】(2023•佛山二模)小明发现，在夜景照片中，车灯常常会划出一道道美丽的弧

线，受此启发，他决定利用发光小球自由下落时在照片上留下的光弧，来测量当地

重力加速度。设计实验步骤如下：

①在黑暗的房间里，如图甲所示将相机正对竖直的刻度尺放置.，调节相机快门为100

(即曝光时间At为，s);

100

②将发光小球从刻度尺零刻度处由静止释放，待小球下落至与相机近似等高位置时按

下相机快门，得如图乙所示的照片，读出亮线上边沿到释放点的距离H,亮线的长度

d(曝光时间At内小球的位移)；

③用At内的平均速度近似等于小球下落高度口片时的瞬时速度，进面计算出重力加

速度g；

④重复步骤②③，读出数据如下表所示，计算g的平均值，测得当地重力加速度。

图甲图乙

第一张图第二张图第三张图

d/cm2.502.803.20

H/cm31.339.5051.70

(1)根据上表数据，小球在第三张图中曝光时间A(内的平均速度大小v=m/s

（结果保留两位有效数字）。

（2）根据步骤③计算当地重力加速度的表达式为8=—（用At,H,d表示）。

（3）本实验测得的重力加速度小于（填“大于”、“等于”或“小于”）真实值。

（4）为减小实验误差，可以采取下列哪些措施ACo

A.选用密度大，体积小的发光小球

B.选用密度小，体积大的发光小球

C.将相机快门调整为125

D.将相机快门调整为60

【分析】（1）根据平均速度的计算公式得出平均速度的大小；

（2）根据自由落体运动的速度一位移公式得出g的表达式；

（3）根据匀变速直线运动的规律结合运动学公式得出重力加速度测量值和真实值的

大小关系：

（4）根据实验原理，结合题目选项分析出能减小实验误差的措施。

【解答】解：（1）根据平均速度的定义式可得：

d33.2X10-2,°…

v=△.=---------m/s=3.2m/s

（2）根据自由落体运动的速度一位移公式可得：

y2=2g（H玲）

同时，v喙

,2

联立解得：g=————-

（2H+d）At2

（3）设下落高度为H时的速度为vi,下落高度为（H+4）的速度为V2,下落高度为

（H+d）的速度为V3,忽略空气阻力的情况下，根据速度一位移公式可得：

牛2gH

v：=2g（晦）

v^=2g（H+d）

同时，根据匀变速直线运动的规律可得:

2

Jvl+v3

V2T

而小球在曝光时间内的平均速度为:

dJl+v2

V=At=2

因为v2-£=上一二<0

乙4

所以V<V2

所以根据本实验原理v2=2g(H*)可得，本实验测得的重力加速度小于真实值；

若考虑空气阻力，根据牛顿第二定律可得；

mg-f=ma

所测得的加速度a小于重力加速度的真实值。

(4)AB、选用密度大，体积小的发光小球则空气阻力的影响会相对较小，有利于减

小实验误差，故A正确，B错误；

CD、将快门调大，则时间间隔变短，则vi和V3的差值减小，根据运动学公式

2/_\2

V-V2可知VI和V2的差值减小,则有利于减小实验误差，故C正确，D

4

错

故选：ACo

,2

故答案为：(1)3.2；(2)----2——；(3)小于；(4)AC

(2H+d)At2

【例5】(2023•重庆模拟)某同学制作了一个“加速度测量仪”，用来测量垂直电梯竖直

上、下运行时的加速度，其构造如图1所示：将一根轻弹簧的上端固定在竖直放置且带

刻度的“一”形光滑小木板上端，当弹簧下端悬挂0.9N重物并？止时，指针指向31.8〃?位

置：当弹簧下端悬挂L0N重物并静止时，指针指向3().05?位置。实际测量时，该同学在

该弹簧下端固定1ON重物，重力加速度g取10〃〃/,所有计算结果保留两位有效数字。

(1)该弹簧的劲度系数4=N//〃；

(2)实际测量时，当指针指到31.0o〃位置时.，垂直电梯运行的加速度大小为nils2：

(3)如图2所示，将该加速度测量仪水平使用时，若指针仍指到3L0c/〃位置，则水平

加速度大小为m/s2o

OOCMj^OQOQoZJ

tiiiin-riii

图1图2

【分析】(1)根据胡克定律计算;

(2)(3)根据牛顿第二定律计算；

【解答】解：(1)由胡克定律少=6可得=

代入解得k=—x=—(31I—"30)。x'10",N/〃?=ION/m

(2)重物质量〃7=0.1依，当指针指到31.8/〃位置时，竖直方向由牛顿第二定律有

mg一£=

代入解得q=^--=(10-—)//?/s2=1.0/?//52

m0.1

(3)若水平使用，指针仍指到31.0c机位置，水平方向有耳=,叱，代入