查补易混易错16 力学实验-【查漏补缺】2022年高考物理三轮冲刺过关（解析版）

查补易混易错16  力学实验

近几年高考实验题基本上是“一力一电”的模式，题型多样，考查内容广阔，教法灵活，注重考查物理实验的基本技能、知识的应用和拓展能力，更加注重考查考生的理解能力、实验探究能力和创新能力。

对力学实验的考查规律大致体现在以下两个方面：⑴仪器计数、匀变速直线运动的规律（利用纸带求速度、加速度）、验证牛顿第二定律[2021湖南卷、全国卷]、机械能守恒[2021山东卷]或者机械能能量损失考查频次较高；探究弹簧弹力与形变量的关系[2021广东卷]、探究平抛运动的特点、验证动量守恒定律考查较少；探究互成角度的力的合成，探究向心力的大小与半径、角速度、质量的关系、单摆测量重力加速度的大小等实验基本没有考查。⑵力学实验对应的高考试题看似熟悉但不拘泥于教材实验的传统实验方案，注重创新与实践，常以教材实验的实验器材改变、实验目的改变、实验原理改变、处理数据方法改变为素材创设问题情境。

【真题示例·2021·河北卷·12】 12. 某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系，所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块（质量为，其上可放钩码）、刻度尺，当地重力加速度为，实验操作步骤如下：

①安装器材，调整两个光电门距离为，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；

②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；

③保持最下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；

④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量及系统总机械能的减少量，结果如下表所示：

回答下列问题：

（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为______J（保留三位有效数字）；

（2）步骤④中的数据所缺数据为______；

（3）若M为横轴，为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出图像______；

若系统总机械能的减少量等于克服摩擦力做功，则物块与木板之间的摩擦因数为______（保留两位有效数字）

【答案】    ①. 0.980    ②. 0.588    ③. 见解析    ④. 0.40（0.38~0.42）

【解析】

（1）四个钩码重力势能的减少量为

（2）对滑块和钩码构成的系统，由能量守恒定律可知

其中系统减少的重力势能为

系统增加动能为

系统减少的机械能为，则代入数据可得表格中减少的机械能为

（3）根据表格数据描点得的图像为

[4]根据做功关系可知

则图像的斜率为

解得动摩擦因数为

（0.38~0.42）

【易错分析】①钩码下落的高度找不到，不能结合具体实验过程分析两光电门之间的距离；②没有注意有效数字位数；③g的大小没有按照题目给的数据，而是错误地代入了10m/s2；④无法判断动能增量是系统的动能增量，机械能的减少量是因为摩擦力做功引起的。

【易错01】实验器材的计数

1. 毫米刻度尺的读数，要精确到毫米，需估读一位，弹簧测力计的读数方法也如此．

2. 游标卡尺的读数

游标卡尺不估读，以毫米为单位，10分度卡尺小数点后只有一位，20分度和50分度卡尺小数点后有两位．要注意题目要求的单位是否为mm，若不是则要先以mm为单位读数，然后再换算为题目要求的单位．

3. 螺旋测微器的读数：测量值＝固定刻度整毫米数＋半毫米数＋可动刻度读数(含估读)×0.01 mm.

读数时要估读，以毫米为单位，小数点后应为三位，同时注意固定刻度上的半刻度是否露出．

4. 时间类测量仪器的读数

(1) 打点计时器：每打两个点的时间间隔为0.02 s，一般每五个点取一个计数点，则时间间隔Δt＝0.02×5 s＝0.1 s.

(2) 频闪照相机：用等时间间隔获取图像信息的方法将物体在不同时刻的位置记录下来，时间间隔Δt＝.(f为频闪照相机的频率)

(3) 光电计时器：记录遮光时间，时间间隔Δt＝(d为遮光板宽度，v为平均速度)

【易错02】验证性实验处理方法

解决验证性实验相关问题应根据题目给定的实验条件、实验过程、实验情景领会命题意图，找出实验中应测定的物理量，明确在误差允许的范围内通过怎样的定量关系能达到实验目的．比如：在验证平行四边形定则的实验中要抓住分力和合力的测量及等效关系，在验证机械能守恒定律的实验中先要注意明确研究的是何系统，再明确系统势能和动能的具体测量原理，最后寻找定量或定性关系．

【易错03】探究性实验的处理方法

探究型实验需要将已掌握的物理知识和实验技能创造性地运用到新的实验情景中，由题给条件思考实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律．本题考查了速度与时间的关系，速度没有办法直接测量，所以要利用物理关系转化，转换成能够测量的量，然后再来研究速度与时间的关系．

【易错04】创新型实验的处理方法

创新设计性实验解题时应该抓住“理解实验原理和实验仪器的工作原理”，寻求解题突破口．应注意常见量的测量方法，比如：“瞬时速度的测量”可采用光电门、纸带留迹平均速度法及间接测量法；“力的测量”可采用测力计、力传感器及类似于“近似等于悬挂钩码重力”的间接测量法．

1.（2021·广东卷） 某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数，缓冲装置如图所示，固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°，弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下：先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺，再将单个质量为200g的钢球（直径略小于玻璃管内径）逐个从管口滑进，每滑进一个钢球，待弹簧静止，记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数，数据如表所示。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量，进而计算其劲度系数。

（1）利用计算弹簧的压缩量：，，______cm，压缩量的平均值______cm；

（2）上述是管中增加______个钢球时产生的弹簧平均压缩量；

（3）忽略摩擦，重力加速度g取，该弹簧的劲度系数为______N/m。（结果保留3位有效数字）

【答案】    ①. 6.04    ②. 6.05    ③. 3    ④. 48.6

【解析】（1）[1]根据压缩量的变化量为

[2]压缩量的平均值为

（2）[3]因三个是相差3个钢球的压缩量之差，则所求平均值为管中增加3个钢球时产生的弹簧平均压缩量；

（3）[4]根据钢球的平衡条件有

解得

【易错分析】①考生误将放第一个钢球时刻度尺的示数当作弹簧的形变量；②考生不能通过逐差法求出形变量；③考生数据计算没有保留3位有效数字。

2.（2021·山东卷）某乒乓球爱好者，利用手机研究乒乓球与球台碰撞过程中能量损失的情况。实验步骤如下：

①固定好手机，打开录音功能；

②从一定高度由静止释放乒乓球；

③手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，其随时间（单位：s）的变化图像如图所示。

根据声音图像记录的碰撞次序及相应碰撞时刻，如下表所示。

根据实验数据，回答下列问题：

（1）利用碰撞时间间隔，计算出第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为___________m（保留2位有效数字，当地重力加速度）。

（2）设碰撞后弹起瞬间与该次碰撞前瞬间速度大小的比值为k，则每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的___________倍（用k表示），第3次碰撞过程中___________（保留2位有效数字）。

（3）由于存在空气阻力，第（1）问中计算的弹起高度___________（填“高于”或“低于”）实际弹起高度。

【答案】    ①. 0.20    ②.     ③. 0.95    ④. 高于

【解析】（1）[1]第3次碰撞到第4次碰撞用时，根据竖直上抛和自由落体运动的对称性可知第3次碰撞后乒乓球弹起的高度为

（2）[2]碰撞后弹起瞬间速度为，碰撞前瞬间速度为，根据题意可知

则每次碰撞损失的动能与碰撞前动能的比值为

[3]第2次碰后从最高点落地瞬间的速度

第3次碰撞后瞬间速度为

则第3次碰撞过程中

【易错分析】①考生无法看懂题目中给出的信息，不能使题目信息与实验目的进行有效结合；②考生不能根据录音记录的信息分析出乒乓球碰撞时间间隔越来越短，以及时间与弹起高度的关系；③存在空气阻力时，无法准确找到计算的弹起高度与实际弹起高度的关系。

 3.（2021·全国甲卷）为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为的斜面（已知sin=0.34，cos=0.94），小铜块可在斜面上加速下滑，如图所示。该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得5个连续相等时间间隔（每个时间间隔∆T=0.20s）内小铜块沿斜面下滑的距离si（i=1，2，3，4，5），如下表所示。

由表中数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为___________m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为___________。（结果均保留2位有效数字，重力加速度大小取9.80m/s2）

【答案】    ①. 0.43    ②. 0.32

【解析】[1]根据逐差法有

[2]对小铜块受力分析根据牛顿第二定律有

代入数据解得

【易错分析】①考生不能准确判断加速度与动摩擦因数的关系；②考生对有效数字的理解不到位，数据保留2位有效数据不是2位小数；③重力加速度按通常的习惯取10m/s2导致运算结果出错。

 4.（2021·全国乙卷）某同学利用图（a）所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图（b）所示（图中未包括小球刚离开轨道的影像）。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图（b）中标出。

完成下列填空：（结果均保留2位有效数字）

（1）小球运动到图（b）中位置A时，其速度的水平分量大小为___________，竖直分量大小为___________；

（2）根据图（b）中数据可得，当地重力加速度大小为___________。

【答案】    ①. 1.0    ②. 1.96    ③. 9.7

【解析】（1）[1]因小球水平方向做匀速直线运动，因此速度为

[2]竖直方向做自由落体运动，因此A点的竖直速度可由平均速度等于时间中点的瞬时速度求得

（2）[3]由竖直方向的自由落体运动可得

代入数据可得

【易错分析】①考生的主要失分点在审题上，最后结果均保留2位有效数字，不是2位小数；②考生答卷时竖直方向的分速度易错写为1.96m/s。

5.（2021·海南卷）为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。

（1）某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是___________；

①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；

②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；

③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；

④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l；

⑤调整好气垫导轨的倾斜状态；

⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，由静止开始释放，从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间、；

⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面高度、；

⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。

（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图所示，则___________；某次实验中，测得，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度___________（保留3位有效数字）；

（3）在误差允许范围内，若___________（用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g），则认为滑块下滑过程中机械能守恒；

（4）写出两点产生误差的主要原因：___________。

【答案】    ①. ②④    ②.     ③.     ④.     ⑤. 滑块在下滑过程中受到空气阻力作用，产生误差；遮光条宽度不够窄，测量速度不准确，产生误差

【解析】（1）[1]滑块沿光滑的斜面下滑过程机械能守恒，需要通过光电门测量通过滑块运动的速度

滑块下滑过程中机械能守恒，减少的重力势能转化为动能

整理化简得

所以测量滑块和遮光条得总质量不必要，②满足题目要求，测量、之间的距离不必要，④满足题目要求。

故选②④。

（2）[2]游标卡尺的读数为

[3]滑块通过光电门的速度

（3）[4]根据（1）问可知

在误差允许的范围内，满足该等式可认滑块下滑过程中机械能守恒。

（4）[5]滑块在下滑过程中受到空气阻力作用，产生误差；遮光条宽度不够窄，测量速度不准确，产生误差。

6.（2021·北京卷）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据分析等。例如：

（1）实验仪器。用游标卡尺测某金属管的内径，示数如图1所示。则该金属管的内径为_______mm。

（2）数据分析。打点计时器在随物体做匀变速直线运动的纸带上打点，其中一部分如图2所示，B、C、D为纸带上标出的连续3个计数点，相邻计数点之间还有4个计时点没有标出。打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。则打C点时，纸带运动的速度vC = ________m/s（结果保留小数点后两位）。

（3）实验原理。图3为“探究加速度与力的关系”的实验装置示意图。认为桶和砂所受的重力等于使小车做匀加速直线运动的合力。实验中平衡了摩擦力后，要求桶和砂的总质量m比小车质量M小得多。请分析说明这个要求的理由。（       ）

【答案】    ①. 31.4    ②. 0.44    ③. 见解析

【解析】（1）[1]根据游标卡尺的读数规则有

（2）[2]每隔4个点取一个点作为计数点，故两计数点间有5个间隔；故两点间的时间间隔为

匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度，则有

（3）[3]设绳的拉力为T，小车运动的加速度为a。对桶和砂，有

对小车，有

得

小车受到细绳的拉力T等于小车受到的合力F，即

可见，只有桶和砂的总质量m比小车质量M小得多时，才能认为桶和砂所受的重力mg等于使小车做匀加速直线运动的合力F。

7．（2021·天津高三模拟）在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，桌上放一块方木板，用图钉把一张白纸钉在方木板上。再用图钉把橡皮条一端固定在板上的A点。在橡皮条另一端拄上两条细绳形成结点，细绳的另一端系着绳套。先用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条；再用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮条。

（1）判断力F单独作用与力F1、F2共同作用效果相同的依据是 ___________

A．F的大小等于F1与F2的大小之和

B．使橡皮条伸长相同的长度

C．使橡皮条上的结点到达同一位置

（2）实验中需要标记或者记录的信息有 ___________

A．橡皮条的原长

B．橡皮条原长时结点的位置

C．力F的大小和方向

D．力F1、F2的大小和方向

（3）下列措施可以减小实验误差的是 ___________

A．橡皮条应与两绳套夹角的平分线在同一直线上

B．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，两个绳套的夹角必须等于90°

C．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，弹簧测力计尽量与木板平行

D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些

【答案】C    CD    CD   

【解析】（1）[1]判断力F单独作用与力F1、F2共同作用效果相同的依据是使橡皮条上的结点到达同一位置，表示力的大小与方向都是相同的，选项C正确；

（2）[2]实验中需要标记或者记录的信息有力F的大小和方向及力F1、F2的大小和方向，以便于画出它们的力的图示并加以比较，选项CD正确；

（3）[3]C．可以减小实验误差的是用两个弹簧测力计拉橡皮条时，弹簧测力计尽量与木板平行，选项C正确；D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，以便于标出拉力的方向来，选项D正确；A．而橡皮条不一定要与两绳套夹角的平分线在同一直线上，选项A错误；B．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，两个绳套的夹角不必要等于90°，选项B错误。故选CD。

8．（2021·浙江绍兴市高三二模）（1）某实验小组用如图1装置做“探究加速度与力、质量的关系”实验。

①在平衡阻力时，小车拖着的纸带打出的点如图2所示，则需要把图1中垫块向______（填“左”或“右”）移动；

②在正确操作后打出了一条纸带，实际点迹如图3。已知交流电频率为50Hz，打下纸带中P点的速度是______m/s（保留三位有效数字），该纸带的运动方向是向______（填“左”或“右”）。

（2）在用气垫导轨装置做“探究碰撞中的不变量”实验时，若要探究两滑块做反冲运动时的物理规律，应选用______（填“甲”、“乙”或“丙”）结构的滑块。

【答案】右    1.76    左    甲   

【解析】(1)[1]由纸带可知，小车向左做加速运动，为进一步平衡摩擦力，图2中垫块应向右移一些；

[2]打下纸带中P点的速度是

[3]由图可知，小车拖着纸带向左运动，则该纸带的运动方向是向左；

(2)[4]若要探究两滑块做反冲运动时的物理规律，即两滑块应向两个相反方向弹开，则应选甲图。

9．（2021·辽宁朝阳市高三一模）老师要求同学设计一个实验来验证机械能守恒定律，要求用自己学过的知识，原理简了，具有可操作性，尽量不用复杂的仪器。小明同学经过认真思考，认为这个实验最关键的是测速度，他用如图所示的装置来验证机械能守恒定律，物体A（可视为质点）拴在长为L的轻绳一端，轻绳另一端固定在O点，在A的前端放一个质量较小的小金属块。现将物体A拉起，使绳与竖直方向成角，由静止开始释放物体A，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P的阻挡而停止运动，之后小金属块将飞离物体A做平抛运动。测得小金属块的水平位移s和竖直下落高度h，重力加速度为g。

（1）用测得的物理量表示物体A在最低点的速度______；

（2）用已知的和测得的物理量表示物体A在运动过程中机械能守恒的关系式为______；

（3）写出一条减小实验误差的建议：______。

【答案】        对于要测量的数据多次测量取平均值（选取受力后相对伸长量尽量小的绳等）   

【解析】(1)[1]设物体A质量为m，重力对物体A做功为

物体A在最低点的速度可以用平抛运动的知识求解，在竖直方向

在水平方向

解得

(2)[2]根据动能定理可知表示物体A在运动过程中机械能守恒的关系式为

(3)[3]减小系统误差或偶然误差的建议：对于要测量的数据多次测量取平均值（选取受力后相对伸长量尽量小的绳等）。

10．（2021·湖南邵阳市高三一模）某同学想测量某地重力加速度g的大小和圆弧轨道的半径R。所用装置如图甲所示，一个倾角为37°的固定斜面与竖直放置的光滑圆弧轨道相切，一个可以看做质点、质量为m的滑块从斜面上某处由静止滑下，滑块上有一个宽度为d的遮光条，在圆弧轨道的最低点有一光电门和一压力传感器（没有画出），可以记录挡光时间t和传感器受到的压力F，己知重力加速度为g。

（1）若某次挡光时间为t0，则此时遮光条速度v=_________；

（2）实验过程中从斜面的不同位置释放滑块，然后记录尉应的遮光时间t和压力传感器的示数F，得到多组数据，该同学通过图像法来处理数据，得到如图乙所示的图像，但忘记标横轴表示的物理量，请通过推理科充，横轴表示的物理量为_________（填“t”、“ ”、“ t2”或“”）；

（3）已知图乙中图线的斜率为k，纵截距为b，则可知某地重力加速度g=_________；圆弧轨道的半径R=__________。（用已知物理量符号表示）

【答案】               

【解析】(1)[1]利用极短时间内的平均速度表示瞬时速度，则遮光条通过光电门的速度

(2)[2]由牛顿第二定律有，在最低点。由牛顿第三定律有FN=F，解得，所以横轴表示。

(3)[3][4]由表达式可知，b=mg，解得；。