专题12 力学创新型实验题——【备考2023】高考物理实验题专题精讲精练学案（原卷版+解析版）

专题12 力学创新型实验题

1.力学发展型实验以教材原实验为背景，稍微改变原有的实验目的，或测量与原实验密切关联的新物理量(如摩擦力Ff、空气阻力、动摩擦因数μ等)，或探究与原实验密切相关的新关系（如滑动摩擦力与斜面倾角的关系等）。

2.创新型实验的解答有三个要点

①充分参考教材原实验的原理、器材、步骤及数据处理方法，遵循正确、安全、准确的基本实验原则。

②立足实验要求、选用相关力学规律分析原理，如力的合成与分解、直线运动、平抛运动或圆周运动规律、牛顿运动定律、功能关系等。

③加强探究性思考，运用物理方法科学设计。

典例1：（2022·河北·高考真题）某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图1所示。弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m。已知弹簧的弹性势能表达式为，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g。

（1）在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置，测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源。从静止释放钩码，弹簧收缩，得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图2所示，纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T（在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点）。从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为______，钩码的动能增加量为______，钩码的重力势能增加量为______。

（2）利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系，如图3所示。由图3可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是______。

典例2：（2021·福建·高考真题）某实验小组利用图（a）所示的实验装置探究空气阻力与速度的关系，实验过程如下：

（1）首先将未安装薄板的小车置于带有定滑轮的木板上，然后将纸带穿过打点计时器与小车相连。

（2）用垫块将木板一端垫高，调整垫块位置，平衡小车所受摩擦力及其他阻力。若某次调整过程中打出的纸带如图（b）所示（纸带上的点由左至右依次打出），则垫块应该___________（填“往左移”“往右移”或“固定不动”）。

（3）在细绳一端挂上钩码，另一端通过定滑轮系在小车前端。

（4）把小车靠近打点计时器，接通电源，将小车由静止释放。小车拖动纸带下滑，打出的纸带一部分如图（c）所示。已知打点计时器所用交流电的频率为，纸带上标出的每两个相邻计数点之间还有4个打出的点未画出。打出F点时小车的速度大小为___________（结果保留2位小数）。

（5）保持小车和钩码的质量不变，在小车上安装一薄板。实验近似得到的某时刻起小车v-t图像如图（d）所示，由图像可知小车加速度大小___________（填“逐渐变大”“逐渐变小”或“保持不变”）。据此可以得到的实验结论是___________。

1．（2022·四川· 模拟）某学习小组用如图甲所示的装置测量砝码盘的质量。左、右两个相同的砝码盘中各装有5个质量相同的砝码，砝码的质量为50g，装置中左端砝码盘的下端连接纸带。现将左端砝码盘中的砝码逐一地放到右端砝码盘中，并将两砝码盘由静止释放，运动过程两盘一直保持水平，通过纸带计算出与转移的砝码个数n相对应的加速度a，已知交流电的频率为f=50Hz。

（1）某次实验，该组同学得到了如图乙所示的一条纸带，每5个计时点取1个计数点。所有测量数据如图乙所示，则（本问中计算结果保留两位有效数字）

①打下C点时纸带的速度为_______m/s；

②纸带的加速度大小为______m/s2。

（2）若该组同学得到的n-a图像如图丙所示，重力加速度g=10m/s2，则每个砝码盘的质量为_______ g。

2．（2022·湖南衡阳·三模）小明同学在用下面装置做力学实验时发现，这个装置也可以用来测量当地的重力加速度g。实验器材有小车，一端带有定滑轮的平直轨道，垫块，细线，打点计时器，纸带，频率为50Hz的交流电源，刻度尺，6个槽码，每个槽码的质量均为m。

（1）实验步骤如下：

①按图甲安装好实验器材，跨过定滑轮的细线一端连接在小车上，另一端悬挂着6个槽码，改变轨道的倾角，用手轻推小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列等间距的点，表明小车沿倾斜轨道匀速下滑；

②保持轨道倾角不变，取下1个槽码（即细线下端还悬挂5个槽码），让小车拖着纸带沿轨道下滑，根据纸带上打的点迹测出加速度a；

③减少细线下端悬挂的槽码数量，重复步骤②；

④以取下槽码的总个数n（1≤n≤6）的倒数为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上作关系图线。

（2）在进行步骤①时，需要将平直轨道左侧用垫块垫高，若某次调整过程中打出的纸带如图乙所示（纸带上的点由左至右依次打出），则垫块应该_________（填“往左移”“往右移”或“固定不动”）；

（3）某次实验获得如图所示的纸带，相邻计数点间均有4个点未画出，则加速度大小a=______m/s2（保留三位有效数字）；

（4）测得上关系图线的斜率为k，纵轴截距为b，当地的重力加速度g=________。

3．（2022·山东青岛·二模）某同学利用智能手机和无人机测量当地的重力加速度值。经查阅资料发现在地面附近高度变化较小时，可以近似将大气作为等密度、等温气体，实验地空气密度约为。实验步骤如下：

（1）将手机固定在无人机上，打开其内置压力传感器和高度传感器的记录功能；

（2）操控无人机从地面上升，手机传感器将记录压强、上升高度随时间变化的情况，完成实验后降落无人机；

无人机上升过程中起步阶段可以看作匀加速直线运动，上升高度与其对应时刻如下表所示：

根据上表信息，无人机在时的速度大小为________，在加速过程中的加速度大小为________；（结果均保留2位小数）

（3）导出手机传感器记录的数据，得到不同高度的大气压值，选取传感器的部分数据，作出图像如图所示。根据图像可得到当地重力加速度值为__________（结果保留2位有效数字）。

4．（2022·湖南·长郡中学模拟）阿特伍德机是著名的力学实验装置。绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的重锤A和B，在B下面再挂重物C时，由于速度变化不太快，测量运动学物理量更加方便。

（1）如图所示，在重锤A下方固定打点计时器，用纸带连接A，测量A的运动情况。下列操作过程正确的是_________；

A．固定打点计器时应将定位轴置于系重锤A的细线的正下方

B．开始时纸带应竖直下垂并与系重锤A的细线在同一竖直线上

C．应先松开重锤让A向上运动，然后再接通打点计时器电源打点

D．打点结束后先将纸带取下，再关闭打点计时器电源

（2）某次实验结束后，打出的纸带如图所示，已知打点计时器所用交流电源的频率为，则重锤A运动拖动纸带打出H点时的瞬时速度为______；（结果保留三位有效数字）

（3）如果本实验室电源频率不足50Hz，则瞬时速度的测量值_______（填“增大”或“减小”）；

（4）已知重锤A和B的质量均为M，某小组在重锤壁下面挂质量为m的重物C由静止释放验证系统运动过程中的机械能守恒，某次实验中从纸带上测量A由静止上升h高度时对应计时点的速度为v，则验证系统机械能守恒定律的表达式是___________；

（5）为了测定当地的重力加速度，另一小组改变重物C的质量m，测得多组m和测量对应的加速度a，在坐标上作图如图所示，图线与纵轴截距为b，则当地的重力加速度为_________。

5．（2022·山东济南·二模）某物理小组通过查阅资料得知，弹性材料的弹性系数，其中是弹性材料未受力时的长度，是横截面积，是由材料决定的一个常数，材料力学上称之为杨氏模量，在国际单位制中单位为。该物理小组通过如图甲所示的实验装置测量橡皮绳的杨氏模量，同学们将橡皮绳上端固定，刻度尺贴近橡皮绳竖直放置。在橡皮绳下端逐一增挂钩（质量均为），每增挂一只钩码均记下对应的橡皮绳伸长量，同时根据平衡条件计算出橡皮绳的拉力，实验数据如下：

（1）小李同学通过观察实验数据，发现前四次实验中拉力每增加，橡皮绳伸长量的变化量几乎不变，为减小实验误差，小李同学利用“测量匀变速直线运动的加速度”时用过的“逐差法”来计算的平均值，并得出弹性系数的表达式为________。（用前四次实验橡皮绳的伸长量、、、以及表示）

（2）小赵同学利用图像法处理数据，请根据表格中的实验数据在图乙的坐标系中标出后3组数据对应的坐标点并画出图像。(      )

（3）测得实验所用橡皮绳未受力时的长度为，直径为。橡皮绳在伸长量较小时，横截面积变化很小，近似满足胡克定律。根据乙图所绘图像计算橡皮绳在近似满足胡克定律时的杨氏模量为________。（结果保留一位有效数字）

6．（2022·广东·模拟）某同学用如图甲所示装置测小滑块与桌面间的动摩擦因数．实验过程如下：一轻质弹簧放置在粗糙水平固定桌面MN上，弹簧左端固定，弹簧处于原长时，弹簧右端恰好在桌面边缘处，现用一个小滑块压缩弹簧并用锁扣锁住．已知当地的重力加速度为g，弹簧的劲度系数为k。

（1）实验中涉及下列操作步骤：

①用天平测量出小滑块的质量m，查出劲度系数为k的弹簧的形变量为x时的弹性势能的大小为Ep＝kx2。

②测量桌面到地面的高度h和小滑块抛出点到落地点的水平距离s。

③测量弹簧压缩量x后解开锁扣；

④计算小滑块与水平桌面间的动摩擦因数；

Ⅰ.上述步骤正确的操作顺序是____________（填入代表步骤的序号）。

Ⅱ.上述实验测得小滑块与水平桌面间的动摩擦因数的大小为____________。

（2）再通过更换材料完全相同、但大小和质量不同的滑块重复操作，得出一系列滑块质量m与它抛出点到落地点的水平距离s。根据这些数值，作出s2－图象，如图乙所示．由图象可知，滑块与水平桌面之间的动摩擦因数μ＝__________；每次弹簧被压缩时具有的弹性势能大小是____________。（用b，a，x，h，g表示）

7．（2022·山东·模拟）某实验小组用橡皮筋探究影响其伸长量的因素。探究方案如下：

（i）取4根材料、粗细相同的橡皮筋，其中3根等长，另一根的长度只有前三根长度的一半，将它们按图示方式悬挂（其中第1组是两根并用）；

（ii）在每组下端扎线的地方各拴一个红色塑料签，并在支架衬贴的白纸上标出签的原始位置O（即橡皮筋的原长）；

（iii）先分别悬挂50克钩码，然后在橡皮筋“2”下加挂50克钩码，记下各次标签的位置，测量结果如下表：

回答下列问题：

（1）以上探究过程使用了___________的实验方法。

（2）根据上述探究过程，橡皮筋的伸长量与相关因素可能的关系为___________。

（3）将一原长为L的橡皮筋，两端施加大小为F的拉力时，橡皮筋伸长了；把它从中央剪断，取其中的一段，给两端施加2F的拉力，此时这段橡皮筋的长度为___________（不超过弹性限度）。

8．（2022·辽宁·二模）碰撞的恢复系数的定义为，其中和分别是碰撞前两物体的速度，和分别是碰撞后两物体的速度，弹性碰撞的恢复系数e=1，非弹性碰撞的e<1。某同学借用验证动量守恒定律的实验装置（如图所示）验证弹性碰撞的恢复系数是否为1，安装好实验装置，做好测量前的准备，并记下重垂线在地面所指的位置O。

第一步，不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上，重复多次。用尽可能小的圆把小球的所有落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置。

第二步，把小球2放在斜槽前端边缘处的C点，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞，重复多次，并使用与第一步同样的方法分别标出碰撞后小球落点的平均位置。

第三步，用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置离O点的距离，即OM=2.68cm，OP=8.83cm，ON=11.50cm。

回答下列问题：

（1）实验中使用小球1的半径___________小球2的半径，且小球1的质量___________小球2的质量；（均填“大于”等于”或“小于”）

（2）小球1和小球2碰撞时的恢复系数为___________（结果保留2位有效数字）；

（3）根据（2）可知，在误差允许的范围内，小球1和小球2的碰撞为___________（填“弹性”或“非弹性”）碰撞。

9．（2022·辽宁大连·一模）如图甲所示是一个物理兴趣小组设计的实验装置，能够测量当地的重力加速度并验证机械能守恒定律。先将力的传感器固定在天花板上，再用一条细线，一端系住一个小球，另一端系在传感器上，传感器可以显示出拉力的大小。

（1）实验开始前，用游标卡尺测出小球的直径，示数如图乙所示，则小球的直径D=_______mm。让小球处于自然悬挂状态，此时传感器显示的拉力大小为F1，测出悬线的长为L；

（2）将小球拉离平衡位置使细线与竖直方向成一定的张角θ（未知但小于5°），由静止释放小球，使小球在竖直面内做往复运动，力传感器测出悬线的拉力随时间变化的关系如图丙所示，其中拉力的最小值与最大值分别为F2、F3，拉力变化周期为T0，则当地的重力加速度g=_______；（均用已知和测量物理量的符号表示）

（3）验证机械能守恒定律成立的表达式_______。（用已知和测量物理量的符号表示）

10．（2022·湖北·三模）某研究性学习小组设计测量弹簧弹性势能的实验装置如图甲所示。实验器材有：上端带有挡板的斜面体、轻质弹簧。带有遮光片的滑块（总质量为m）、光电门、数字计时器、游标卡尺、毫米刻度尺。

实验步骤如下：

①用游标卡尺测得遮光片的宽度为d；

②弹簧上端固定在挡板P上，下端与滑块不拴接，当弹簧为原长时，遮光片中心线通过斜面上的M点；

③光电门固定在斜面上的N点，并与数字计时器相连；

④压缩弹簧，然后用销钉把滑块锁定，此时遮光片中心线通过斜面上的O点；

⑤用刻度尺分别测量出O、M两点间的距离x和M、N两点间的距离l；

⑥拔去锁定滑块的销钉，记录滑块经过光电门时数字计时器显示的时间；

⑦保持x不变，移动光电门位置，多次重复步骤④⑤⑥。

根据实验数据做出的图像为图乙所示的一条倾斜直线，求得图像的斜率为k、纵轴截距为b。

（1）下列做法中，有利于减小实验误差的有______

A．选择宽度较小的遮光片     B．选择质量很大的滑块

C．减小斜面倾角           D．增大光电门和M点距离

（2）滑块在MN段运动的加速度______，滑块在M点的动能______，弹簧的弹性势能______。（用“m、d、x、k、b”表示）