专题3 光电门等现代技术在力学实验中应用实验解答总结-【实验攻略】备战2024高考实验攻略之各类实验解答总结（解析版）

第第页专题3光电门等现代技术在力学实验中应用实验解答总结【本专题涉及到的常见的实验】1、实验：探究小车速度随时间变化的规律2、实验：探究加速度与力、质量的关系3、实验：测量动摩擦因数4、实验：探究平抛运动的特点5、实验：验证动能定理（探究做功与速度变化的关系）6、实验：验证机械能守恒定律7、实验：验证动量守恒定律8、实验：研究自由落体运动9、实验：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系【方法总结提升】1、遮光条通过光电门时的瞬时速度等于其通过光电门的平均速度大小，即v＝eq\f(Δx,Δt)＝eq\f(d,Δt)。用两个光电门测量加速度常用方法：①知道遮光条通过光电门1的时间是、光电门1的时间是、通过两个光电门的时间是，则加速度是②知道遮光条通过光电门1的时间是、光电门1的时间是、两个光电门的距离是L，则加速度是2、用频闪照相的方法、手机录像代替打点计时器．其数据处理方法与纸带类实验处理方法类似。通过以上装置的改进能最大限度地减少因长木板和打点计时器的限位孔的阻力而导致的小车加速度不恒定，使小车尽可能做匀加速直线运动，以提高实验的精确度。【例题1】利用如图所示装置做“探究加速度与力和质量的关系”的实验，附有滑轮的长木板平放在实验桌面上，将细绳一端拴在滑块上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码使滑块在钩码的牵引下运动。（1）在进行实验时，需要先将长木板倾斜适当的角度，这样做的目的是；还要求重物的质量远小于滑块的质量，这样做的目的是。A．使滑块获得较大的加速度B．使细线的拉力等于滑块受到的合外力C．使纸带上点迹清晰，便于进行测量D．使钩码的重力近似等于细线的拉力（2）根据实验测得的数据，以小车运动的加速度a为纵轴，力F为横轴，得到如图所示的a-F图像如图中图线A所示，现仅增大木板与水平方向夹角，得到的图像可能是图中的（图中所示的A、B、D、E图线相互平行）。（3）为进行更精确的实验，对上述装置进行改进，实验装置如图所示。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电门，滑块上固定一遮光片，光电门可以记录下遮光片通过光电门时所用的时间Δt1和Δt2，以及两次开始遮光的时间间隔Δt，用此装置得到的数据绘制图像，探究加速度与力的关系，除了上述已测得的物理量，还需要测量或记录的数据有。A．遮光片的宽度dB．钩码的质量mC．滑块和遮光片的总质量MD．滑块的初始位置到光电门1的距离L1【答案】BDDE/EDAB/BA【解析】（1）在进行实验时，需要先将长木板倾斜适当的角度补偿阻力，这样做的目的是使细线的拉力等于滑块受到的合外力。故选B。根据牛顿第二定律，有解得由此可知，当重物的质量m远小于滑块的质量M时，重物的重力mg近似等于细线的拉力F。故选D。（2）由图线A不过坐标原点的原因，可能是没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足，所以增大木板与水平方向夹角，可能出现刚好平衡摩擦力或者平衡摩擦力过度或者平衡摩擦力还不足。故选DE。（3）滑块经过两光电门的速度分别为所以滑块运动的加速度为滑块所受合力为绳的拉力，当钩码的质量远小于滑块质量时，绳的拉力近似等于钩码的重力，即所以还需要测量或记录的数据为遮光条宽度、钩码的质量。故选AB。【例题2】某学习小组的同学应用自由落体运动知识测当地重力加速度g，将实验器材如图组装。实验步骤如下：A．测出金属球的直径d；B．测出光电门与B点（球心等高点）之间的高度h，记录金属小球通过光电门的遮光时间；C．逐步下调光电门的位置，测出多组数据，以为横坐标，为纵坐标，绘制出图像。（1）金属球过光电门的速度。（2）正确操作后绘制出如图所示的图像，则重力加速度g=m/s2。（结果保留两位小数）（3）若未考虑金属小球的半径，从图中的A点开始测量下落高度，仍然用上述方法，则测出的重力加速度与小问2相比（填偏大、偏小或不变）。【答案】9.75不变【解析】（1）由于金属球直径很小，因此可以用金属球通过光电门的平均速度表示金属球在光电门位置的速度，则有（2）根据自由落体速度与位移公式有结合图像有解得（3）若从A点测量，则速度与位移的关系为结合图像可知，由于图像的斜率不变，因此测得的重力加速度不变。【例题3】某班级同学在探究向心力大小的表达式实验时：第一小组采用甲图所示的装置进行探究，两个变速塔轮通过皮带连接，转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮匀速转动，槽内的钢球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对钢球的压力提供向心力，钢球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比值。第二小组采用用乙图所示的装置进行探究，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，用来测量向心力的大小。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，测得旋转半径为。滑块随杆匀速圆周运动，每经过光电门一次，通过力传感器和光电门就同时获得一组向心力和角速度的数据。（1）下列实验中与这两组同学采用的科学方法不同是。A．探究加速度与力、质量的关系B．探究影响通电导线受力的因素C．探究两个互成角度的力的合成规律（2）第一组同学在某次实验时，两个钢球质量和转动半径相等，图中标尺上红白相间的等分格显示出两个小球所受向心力的比值为，与皮带连接的两个变速塔轮的半径之比为。②第二组同学实验时，以为纵坐标，以为横坐标，可在坐标纸中描出数据点作一条如图乙所示直线，图线斜率为，则滑块的质量为（用、、d表示）。【答案】C【解析】（1）实验目的是探究向心力大小的表达式，由于每次只能研究两个物理量之间的关系，需要确保其它的物理量不变，即采用了控制变量法，探究加速度与力、质量的关系与探究影响通电导线受力的因素均采用了控制变量法，而探究两个互成角度的力的合成规律采用的是等效替代法，因此与这两组同学采用的科学方法不同是探究两个互成角度的力的合成规律。故选C。（2）根据，由于则有根据解得（3）滑块圆周运动的速度由于则有则有解得【例题4】如图1所示为验证动量守恒的实验装置，气垫导轨置于水平桌面上，和为两个光电门，、均为弹性滑块，质量分别为、，且选择大于，两遮光片沿运动方向的宽度均为，实验过程如下；(1)调节气垫导轨成水平状态；(2)轻推滑块，测得通过光电门的遮光时间为；(3)与相碰后，和先后经过光电门的遮光时间分别为和。回答下列问题：①用螺旋测微器测得遮光片宽度如图2所示，读数为：；②实验中选择大于的目的是：；③利用所测物理量的符号表示动量守恒成立的式子为：。【答案】1.195碰撞中滑块不反弹【解析】(3)①螺旋测微器的固定刻度读数为，可动刻度读数为，则读数为：。②为了、碰撞时不反弹，需满足的质量大于的质量。③碰撞前的总动量为碰撞后的总动量为则动量守恒的表达式为1．采用如下图所示的实验装置做“探究平抛运动的特点”的实验。（1）以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有。A．要求斜槽轨道低端保持水平B．斜槽轨道尽量光滑C．每次小球释放的初始位置可以任意选择D．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接（2）如图为一小球做平抛运动时用闪光照相的方法获得的相片的一部分，图中背景小方格的边长为1.25cm，取。则：闪光照片的时间为s；小球运动的初速度m/s；小球过B点的竖直速度m/s。【答案】A0.050.751【解析】（1）A．探究平抛运动的规律，必须保证小球从斜槽出去的速度方向水平，所以要求斜槽轨道低端保持水平，故A正确；BC．做同一次平抛实验时，只需要小球每次从同一位置由静止释放即可，所以斜槽轨道不需要光滑，故BC错误；D．为描出小球的运动轨迹，描绘的点必须用平滑的曲线连接，故D错误。故选A。（2）根据平抛运动在水平方向规律可知AB与BC之间的时间间隔相等，设为T，竖直方向根据推论解得闪光照片的时间为小球运动的初速度为小球过B点的竖直速度2．小王用如图所示的装置探究物块的加速度与力的关系。小王将光电门固定在水平轨道上的B点，用不同质量的重物通过细线拉同一物块，每次都将物块从同一位置A由静止释放。重物的质量远小于物块（含遮光条）的质量。（1）若将重物所受的重力视为与物块所受的合力大小相等，则（填“需要”或“不需要”）平衡摩擦力。（2）若物块释放后，遮光条（宽度为d）通过光电门的时间为t，则物块通过光电门时的速度大小为。（3）若测得A、B间的距离为s，则物块的加速度大小为。【答案】需要【解析】（1）若将重物所受的重力视为与物块所受的合力大小相等，即认为重物所受的重力所受重力与细线拉力大小相等，可知，实验中需要使得细线拉力为物块所受外力的合力，则实验中必需要平衡摩擦力。（2）根据光电门测速原理，可知物块通过光电门时的速度大小为（3）根据结合上述解得3．某实验小组为测量一质量为m的小球通过某一微尘区所受到的平均阻力的大小，设计了如图甲所示的装置，实验过程如下：（1）将小球固定于释放装置上，调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落过程中球心可通过光电门。测得小球球心与光电门间的竖直距离h。（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图乙所示，小球直径d=。（3）测量时，应（填选项前的字母序号），并记录小球通过光电门的遮光时间t。A．先释放小球，后接通数字计时器B．先接通数字计时器，后释放小球C．操作的先后顺序对实验结果无影响（4）已知当地重力加速度为g，由以上测得的相关物理量计算可得小球通过微尘区所受的平均阻力f=（用字母m、d、g、h和t表示）。【答案】6.882（6.881~6.884）B【解析】（2）根据螺旋测微器的读数规律，小球的直径为（3）在测量时，因小球下落时间很短，如果先释放小球，有可能会出现时间记录不完整，所以应先接通数字计时器，再释放小球，A错误，B正确。故选B。（4）依题意，小球向下运动的高度为h，通过光电门的速度为由牛顿第二定律有由运动学公式有可得解得4．某实验小组在探究平抛运动的规律时，建立如图所示的xOy坐标系，小球水平抛出后，用频闪照相的方法在坐标纸上记录了小球在不同时刻的四个位置a、b、c、d。已知频闪周期一定，坐标纸每个小方格的边长均为0.064m，取重力加速度大小，则频闪周期为s，小球做平抛运动的初速度大小为m/s，抛出点的坐标为。【答案】0.081.6（0.064，0.12）【解析】由题意可得，竖直方向满足解得频闪周期为由图可得，小球做平抛运动的初速度大小为由题意得，b点的竖直方向速度为又因为得从抛出点到b点的时间为则小球从抛出点到b点的竖直距离和水平距离分别为又因为b点的坐标为所以抛出点的坐标满足即抛出点的坐标为（0.064，0.12）。5．某同学用如图甲所示装置测当地的重力加速度，光电门、与光电计时器相连。（1）让小球紧靠固定挡板，由静止释放，光电计时器记录小球经过光电门和光电门所用的时间、，测出两光电门间的高度差，小球直径为d，则测得小球经过光电门时的速度为，测得的重力加速度（用测得的物理量的符号表示）。（2）将光电计时器记录小球通过光电门的时间改为记录小球从光电门运动到光电门所用的时间。保持光电门的位置不变，多次改变光电门的位置，每次均让小球从紧靠固定挡板由静止释放，记录每次两光电门间的高度差及小球从光电门运动到光电门所用的时间，求出每次的，作出图像如图乙所示，若图像斜率的绝对值为，纵坐标截距为，则小球经过光电门时的速度为，则当地的重力加速度大小为。【答案】a2k【解析】（1）测得小球经过光电门时的速度为根据运动学公式有解得（2）由于小球释放的位置离光电门B的位置恒定，因此每次通过光电门B的速度一定，则有整理可得根据图像可得，则小球经过光电门时的速度为当地的重力加速度大小为6．某实验小组的同学利用如图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）如果挡光片经过光电门时的挡光时间为，则小球通过光电门时的速度大小为，向心加速度。（2）小球通过光电门时力传感器的示数为，改变小球释放点的高度，多次操作，记录多组、的数据，作出的图像，如果图线的斜率为，则小球（含挡光片）的质量为。（用已知物理量的符号表示）【答案】【解析】（1）小球经过光电门时的挡光时间极短，则该过程的平均速度近似等于小球通过光电门时的瞬时速度，故小球通过光电门时的速度大小为根据向心加速度公式有结合上述解得（2）小球通过最低点时的向心力为细线的拉力与小球（含挡光片）重力的合力，即整理得由于图线的斜率为k，则有解得7．使用如图所示的实验装置验证动量守恒定律。气垫导轨上安装了1、2两个与计算机相连的光电门，既能获得挡光时间，也能获得滑块在两个光电门间运动的时间。两滑块上均固定一相同的竖直遮光条。（1）实验前，接通气源后，在导轨上轻放一个滑块，给滑块一初速度，使它从导轨左端向右运动，发现说明导轨已调平；（2）测出滑块A和遮光条的总质量为，滑块B和遮光条的总质量为，遮光条的宽度用表示。接通气源，将滑块A静置于两光电门之间，滑块B置于光电门2右侧，推动滑块B，使其获得水平向左的速度，经过光电门2与A发生碰撞被弹回，再次经过光电门2。光电门2先后记录的挡光时间为，光电门1记录的挡光时间为。要验证两滑块碰撞前后动量守恒，需验证关系式是否成立；（3）现取走滑块B，再提供细线、质量为（）的槽码、可固定在气垫导轨左端且高度可调的轻质定滑轮，重力加速度为。利用上述器材验证动量定理，请写出实验还需要测量的物理量及这些物理量应满足的关系式；（4）写出一条减小（3）中实验系统误差的方法。【答案】通过光电门1和通过光电门2的时间相等遮光条通过光电门1、2的时间分别为、以及这两次遮光的时间间隔选用质量更大的滑块（或采用计算动量的变化量等）【解析】（1）若导轨水平则滑块通过光电门1和通过光电门2的时间相等，由此可说明滑块经过光电门的速度相等，即滑块做匀速直线运动，导轨已调平。（2）设B碰前速度大小为，碰后速度大小为，A碰后速度大小为，取水平向左为正方向，为验证动量守恒，只需证明下面等式成立即可同时有，，带入可得（3）实验中槽码的质量远远小于滑块A的质量，因此可以用槽码的重力代替细线的拉力。为验证动量定理，其中，因此还需要测量的物理量有遮光条通过光电门1、2的时间分别为、以及这两次遮光的时间间隔。因此需要探究的表达式为（4）实验过程中系统向下做加速运动，可知槽码的重力略大于细线的拉力；故系统误差主要由于细线的拉力小于槽码的重力引起的。故选用质量更大的滑块或采用计算动量的变化量等可减小系统误差。8．某学习小组采用图所示气垫导轨装置验证滑块碰撞过程中的动量守恒。其主要实验步骤如下，请回答下列问题。（1）用天平测得滑块A、B（均包括挡光片）的质量分别为m1、m2；用游标卡尺测得挡光片的宽度相等。（2）充气后，调节气垫导轨下面的旋钮，导轨左侧放一个滑块并推动滑块，滑块通过两个光电门时，若与光电门1、2相连的计时器测得的挡光时间分别为0.05s、0.06s，则应使导轨右端（选填“调高”或“调低”）。（3）气垫导轨已经调节水平后，滑块B放在两个光电门之间，滑块A向左挤压导轨架上的轻弹簧，并释放滑块A，滑块A一直向右运动，与光电门1相连的计时器的示数只有一个，为t1，与光电门2相连的计时器的示数有两个，先后为t2、t3。说明m1、m2的大小关系为m1m2（选填“<”，“>”或“=”）（4）在实验误差允许范围内，若表达式（用测得的物理量表示）成立，说明滑块A、B碰撞过程中动量守恒；若表达式（仅用、和表示）成立，说明滑块A、B碰撞过程中机械能和动量均守恒。【答案】调低>【解析】（2）由于滑块通过两个光电门时，若与光电门1、2相连的计时器测得的挡光时间分别为0.05s、0.06s，时间增大，可知速度减小，即滑块在向右做减速运动，表明导轨右端偏高，为了确保滑块在气垫导轨上做匀速运动，应使导轨右端调低。（3）与光电门1相连的计时器的示数只有一个，说明A与B碰撞后没有发生反弹，与光电门2相连的计时器的示数有两个，说明A碰后速度方向不变，可知，m1、m2的大小关系为m1>m2（4）根据题意可知，滑块A碰撞前的速度为碰撞后，滑块A的速度为滑块B的速度为实验误差允许范围内，若有即有成立，说明滑块A、B碰撞过程中动量守恒；若滑块A、B碰撞过程中机械能和动量均守恒，则有，即有，同时成立，整理可得9．验证动量守恒的实验可以在如图所示的气垫导轨上完成，其中左、右两侧的光电门可以记录遮光片通过光电门的挡光时间。实验前，测得滑块A（连同其上的遮光片）的总质量为、滑块B（连同其上的遮光片）的总质量为，两滑块上遮光片的宽度相同。实验时，开启气垫导轨气源的电源，让滑块A从导轨的左侧向右运动，穿过左侧光电门与静止在两光电门之间的滑块B发生碰撞。（1）关于实验，下列说法正确的是。A．本实验应调整气垫导轨使其保持水平B．两滑块的质量应满足C．需要用刻度尺测量两光电门之间的距离D．需要用秒表测定滑块上的遮光片经过光电门的时间（2）在某次实验中，光电门记录的遮光片挡光时间如下表所示。左侧光电门右侧光电门碰前无碰后在实验误差允许范围内，若满足关系式，即验证了碰撞前后两滑块组成的系统动量守恒；若再满足关系式，则可验证两滑块的碰撞为弹性碰撞。A．

B．C．

D．【答案】AAD【解析】（1）A．为了使得滑块碰撞前后的速度与通过光电门的速度大小相等，实验中需要使滑块在气垫导轨上做匀速直线运动，即实验应调整气垫导轨使其保持水平，故A正确；B．根据表格中数据，由于左侧光电门两次挡光，表明碰撞后滑块A发生了反弹，表明有故B错误；C．根据上述，利用遮光片的宽度与挡光时间，可以求出滑块碰撞前后的速度，不需要用刻度尺测量两光电门之间的距离，故C错误；D．光电门自身就能测量挡光时间，不需要用秒表测定滑块上的遮光片经过光电门的时间，故D错误。故选A。（2）根据光电门测速原理可知，滑块A碰撞前后的速度大小分别为，滑块B碰撞后的速度大小为由于左侧光电门两次挡光，表明碰撞后滑块A发生了反弹，根据动量守恒定律有解得故选A。若碰撞前后总的动能不变，则有结合上述，解得故选D。10．为测定当地重力加速度值，某实验小组用图甲所示装置进行实验。长为的轻质细绳一端固定在点，另一端栓一质量为的小球（尺寸相对足够小），在悬点O点正下方L处的点放有一光电门。实验步骤如下：（1）用螺旋测微器测出小球的直径，示数如图乙，小球直径；（2）将小球拉偏离竖直方向的某位置，用工具测出该位置处的细绳与竖直方向的夹角为；（3）释放小球，测出小球经过光电门的时间为，则小球经过光电门的速度为；（4）写出、、、和之间的关系式：（忽略空气阻力的影响）；（5）若多次从不同夹角处释放，得到和的关系图像如图丙所示，图像的斜率的绝对值为，则当地的重力加速度为（用、、表示）。（6）在实际操作中为减小实验误差，实验中对于尺寸相同的小球的质量要求正确的是。A．质量大

B．质量小

C．质量大小对实验误差无影响【答案】0.7001C【解析】（1）螺旋测微器读数为：固定刻度读数+可动刻度读数0.01mm=7mm+0.10.01mm=7.001mm=0.7001cm。（3）小球经过光电门的速度为（4）根据机械能守恒定律有整理可得（5）根据则有解得（6）实验中对于尺寸相同的小球质量大小对实验误差无影响，所以C正确；AB错误；故选C。11．用图甲所示的装置进行“探究动能定理”实验。（1）用天平测量小车和遮光片的总质量M、砝码盘的质量m0；用游标卡尺测量遮光片的宽度d，游标卡尺的示数如图乙所示，其读数为cm；按图甲所示安装好实验装置，用刻度尺测量两光电门之间的距离L；（2）在砝码盘中放入适量砝码；适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门1和光电门2的时间相等；（3）取下细线和砝码盘，记下砝码的质量m；（4）让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计时器分别测出遮光片经过光电门1和光电门2所用的时间△t1、△t2。小车从光电门1运动至光电门2的过程中，小车动能的变化量△Ek=（用上述步骤中的物理量表示）。小车下滑过程中，（选填“必须”“不需要”）测量长木板与水平桌面的夹角，可求出合外力做的功W合=（用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为g），比较W合和△Ek的值，找出两者之间的关系；（5）重新挂上细线和砝码盘，重复（2）～（5）步骤；（6）不考虑遮光条宽度的影响，滑块动能的增量为△Ek1；考虑遮光条宽度的影响，滑块动能的增量为△Ek2，则△Ek1△Ek2（填“>”“=”或“<”）。