2025年高考物理二轮专题复习课件 21 第一阶段 专题六 第15讲 力学实验

这是一份2025年高考物理二轮专题复习课件 21 第一阶段 专题六 第15讲 力学实验，共60页。PPT课件主要包含了第15讲力学实验，专题限时集训十五等内容，欢迎下载使用。
【备考指南】　预计2025年高考实验命题的命题思路会延续原型实验的拓展和创新，通过选择、填空、连线、问答等形式全面考查考生的实验探究能力和创新能力。基本仪器的工作原理及使用方法、纸带类问题、弹簧类实验、测量工具的使用和读数问题、气垫导轨的使用、电阻的测量、电源的电动势和内阻的测量、有关热敏电阻和光敏电阻等传感器有关的实验，仍是今后高考实验的命题重点。备考过程中要立足教材中的基本实验，加强对实验原理的理解与实验的变式训练，加强实践和科学探究素养的训练，同时要关注热学及光学实验。
突破点一　“纸带、光电门及频闪照相”类实验
突破点二　“弹簧、橡皮筋”类实验
随堂练 临考预测 名师押题
突破点三　“碰撞”“平抛”类实验
突破点四　“单摆”“圆周”类实验
1．应用实例(1)探究小车速度随时间变化的规律①根据一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，测出不同时刻的瞬时速度，然后绘制v-t图像，分析运动规律。②根据纸带用逐差法直接测量加速度或由v-t图像斜率求加速度。
(2)探究加速度与物体受力、物体质量的关系①平衡阻力，垫高长木板使不挂槽码的小车能匀速下滑，不用重复平衡阻力。②实验必须保证的条件：小车质量m≫槽码质量m′。
特别提醒　一定理解实验原理，有些创新实验方案中不需要满足以上两条。
(4)验证动量守恒定律①利用气垫导轨和光电门测出物体碰撞前后的速度，验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2或m1v1＝(m1＋m2)v2。②利用等长摆球完成一维碰撞，测出摆球速度，验证的表达式：m1v1＝m1v′1＋m2v′2。
2．速度和加速度的测量
[典例1]　(利用“光电门”探究F、m、a的关系)(2024·江西卷)某小组探究物体加速度与其所受合外力的关系。实验装置如图(a)所示，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定一遮光片，细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上钩码。
(1)实验前调节轨道右端滑轮高度，使细线与轨道平行，再适当垫高轨道左端以平衡小车所受阻力。(2)小车的质量为M1＝320 g。利用光电门系统测出不同钩码质量m所对应小车的加速度a。钩码所受重力记为F，作出a-F图像，如图(b)中图线甲所示。
(3)由图线甲可知，F较小时，a与F成正比；F较大时，a与F不成正比。为了进一步探究，将小车的质量增加至M2＝470 g，重复步骤(2)的测量过程，作出a-F图像，如图(b)中图线乙所示。(4)与图线甲相比，图线乙的线性区间________，非线性区间________。再将小车的质量增加至M3＝720 g，重复步骤(2)的测量过程，记录钩码所受重力F与小车加速度a，如表所示(表中第9～14组数据未列出)。
(5)请在图(b)中补充描出第6至8三个数据点，并补充完成图线丙。
(6)根据以上实验结果猜想和推断：小车的质量________________时，a与F成正比。结合所学知识对上述推断进行解释：________。
[典例2]　(利用“纸带”探究F、m、a的关系)(2024·广东六校联考)一同学设计了一个实验探究木块与木板间的动摩擦因数μ。如图甲所示，在水平放置的带滑轮的长木板上静置一个带有砝码的木块，最初木块与砝码总质量为M，木块的左端通过细绳连接一小托盘，木块右端连接纸带。该同学的实验方案如下：
(1)将木块中放置的砝码取出一个并轻放在小托盘上，接通打点计时器电源，释放木块，木块开始加速运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点；(2)继续将木块中放置的砝码取出并放在小托盘中，测量木块运动的加速度；
(3)重复以上操作，记录下每次托盘中砝码的重力mg，通过纸带计算每次木块的加速度a，数据表格如下；
第5次实验中得到的一条纸带如图乙所示，已知打点计时器工作频率为50 Hz，纸带上相邻两计数点间还有四个点未画出，由此可计算得出a5＝______ m/s2(结果保留两位小数)；
(4)如果以mg为横轴，以加速度a为纵轴，将表格中的数据描点并在图丙中画出a-mg图像；(5)若小托盘的质量忽略不计，且本实验中小托盘内质量为m的砝码取自于木块，故系统的总质量始终为M不变，于是可得系统加速度a、木块与木板间的动摩擦因数μ应满足的方程为：______________＝Ma；
(6)若根据数据画出a-mg图像为直线，其斜率为k，纵截距为－b，则μ可表示为________，总质量M可表示为______(用k、b和g表示)，并可得到测量值μ＝_____________________(g取9.8 m/s2，结果保留两位小数)。
0.22(0.21～0.23均可)
1．探究弹簧弹力与形变量的关系(1)安装：按照原理装置图安装实验仪器。(2)操作：弹簧竖直悬挂，待钩码静止时测出弹簧长度。(3)作图：坐标轴标度要适中，单位要标注，连线时要通过尽可能多的数据点，不能通过的数据点均匀分布在图线的两侧，明显偏离图线的点要舍去。
(4)两种非常规图像分析①图像发生弯曲：悬挂钩码数量过多，导致弹簧的形变量超出了其弹性限度，不再符合胡克定律(F＝kx)，故图像发生弯曲，如图所示。
②截距不为0：测量弹簧原长时弹簧是水平放置的，由于弹簧有自重，将其悬挂起来后会有一定的伸长量，故图像横轴截距不为0，如图所示。
2．探究两个互成角度的力的合成规律(1)等效：同一次实验中两次把橡皮条拉长后的结点O位置必须保持不变。(2)拉力：沿弹簧测力计轴线方向拉(与板面平行)，橡皮条、弹簧测力计和细绳套与纸面平行；两分力F1、F2的夹角不要太大或太小。(3)记录：记下每次各力的大小和方向，标记方向的两点适当远些。(4)作图：选定比例要相同，严格按力的图示要求作平行四边形求合力。
[典例3]　(探究互成角度的力的合成规律)某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验，他用两根自由长度为L0的完全相同的轻弹簧(弹簧始终处于弹性限度内)和重物进行了如下操作：(1)如图甲所示，把重物通过细绳连接在弹簧下端，稳定后测出弹簧的长度L1。
(2)如图乙所示，用两根弹簧挂起重物，稳定时两弹簧与水平方向的夹角均为53°，测出两弹簧的长度分别为L2、L3，若力的平行四边形定则成立，则L0、L1、L2、L3需满足的条件为_______________。(用题目所给字母表示，sin 53°＝0.8，cs 53°＝0.6)(3)本实验设计的误差来源可能是_____________(至少写出两条)。
(1)将弹簧竖直固定在水平桌面上，弹簧上端有一光电门(小球通过光电门后恰好落在弹簧上端)，左侧有一竖直固定的刻度尺。(2)用游标卡尺测量小球的直径d，示数如图乙所示，则d＝________ mm。(3)用天平测得小球的质量为m。(4)将小球从弹簧正上方由静止释放，记录小球经过光电门的挡光时间t，测出弹簧的最大压缩量x。
1．“碰撞”类实验主要是验证动量守恒定律，关注以下两点(1)可以直接测速度求动量。(2)可以用其他物理量代替，如平抛运动以水平位移代替速度表示动量。2．探究平抛运动的特点利用运动的分解，化曲为直，分别研究两个方向的分运动。
[典例5]　(验证动量守恒定律)(2024·山东卷)在第四次“天宫课堂”中，航天员演示了动量守恒实验。受此启发，某同学使用如图甲所示的装置进行了碰撞实验，气垫导轨两端分别安装a、b两个位移传感器，a测量滑块A与它的距离xA，b测量滑块B与它的距离xB。部分实验步骤如下：
①测量两个滑块的质量，分别为200.0 g和 400.0 g；②接通气源，调整气垫导轨水平；③拨动两滑块，使A、B均向右运动；④导出传感器记录的数据，绘制xA、xB随时间变化的图像，分别如图乙、图丙所示。
回答以下问题：(1)从图像可知两滑块在t＝______s时发生碰撞；(2)滑块B碰撞前的速度大小v＝________m/s(保留两位有效数字)；(3)通过分析，得出质量为200.0 g的滑块是______(选填“A”或“B”)。
[典例6]　(验证动量守恒定律)物理探究小组用如图甲所示装置研究小钢球的平抛运动。回答下列问题：(1)下列实验条件必须满足的是________。A．斜槽轨道光滑B．保证小钢球每次从斜槽轨道上同一位置无初速度释放C．必须调节斜槽轨道末端水平D．每次调节水平挡板的高度相同
(2)小组同学在坐标纸上建立了坐标轴，记录了小钢球运动通过的三个位置A、B、C，如图乙所示，重力加速度取g＝10 m/s2，则小钢球做平抛运动的初速度大小为________ m/s(保留两位有效数字)。(3)根据图乙可知，小钢球做平抛运动抛出点O′的坐标是________________。
(－5 cm，5 cm)
[解析]　(1)实验研究小钢球的平抛运动，初速度必须沿水平方向，所以斜槽轨道末端必须调节水平，故C正确；实验时每次小钢球飞出时的初速度必须相同，所以应保证小钢球每次从斜槽轨道上同一位置无初速度释放，故B正确；斜槽轨道光滑与否和挡板MN每次调节高度相同与否，对实验没有影响，故A、D错误。
(2)由题图乙可知A、B、C三点水平距离相等，为L＝15 cm＝0.15 m，说明时间间隔相同，设为T，在竖直方向小钢球做自由落体运动，AB、BC间高度的差值为Δh＝10 cm＝0.1 m，由Δh＝gT2，L＝v0T，联立解得v0＝1.5 m/s。(3)由题图乙可知在竖直方向hAB∶hBC＝3∶5，根据竖直方向自由落体运动的规律，可得抛出点O′到A点的水平距离为15 cm，竖直距离为5 cm，故抛出点O′的坐标为(－5 cm，5 cm)。
(2)创新拓展以原型实验为基础，注重考查实验仪器的等效与替换、实验原理的拓展与延伸、实验方法的求新等。解决这类试题的方法是把实验的本质从新情境中分离出来，找出与常规实验的相同之处，运用类似的方法进行处理。
2．探究向心力与半径、质量、角速度的关系(1)实验方法：控制变量法。(2)实验原理：Fn＝mrω2。(3)数据处理：作出Fn-ω2，Fn-r，Fn-m的图像，分析向心力与角速度、半径、质量之间的关系。
[典例7]　(利用“类单摆”测周期)(2024·吉林卷)图(a)为一套半圆拱形七色彩虹积木示意图，不同颜色的积木直径不同。某同学通过实验探究这套积木小幅摆动时周期T与外径D之间的关系。(1)用刻度尺测量不同颜色积木的外径D，其中对蓝色积木的某次测量如图(b)所示，从图中读出D＝______________________cm。
7.54(7.53～7.55均可)
(2)将一块积木静置于硬质水平桌面上，设置积木左端平衡位置的参考点O，将积木的右端按下后释放，如图(c)所示。当积木左端某次与O点等高时记为第0次并开始计时，第20次时停止计时，这一过程中积木摆动了________个周期。
(3)换用其他积木重复上述操作，测得多组数据。为了探究T与D之间的函数关系，可用它们的自然对数作为横、纵坐标绘制图像进行研究，数据如下表所示：
(4)请写出一条提高该实验精度的改进措施：____________________________________________________________________________。
多次测量同一颜色的积木的周期求平均值(合理即可)
[典例8]　(探究影响向心力的因素)如图甲所示为向心力演示仪，可探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。长槽的A、B处和短槽的C处分别到各自转轴中心距离之比为2∶1∶1。变速塔轮自上而下有三种组合方式，左右每层半径之比由上至下分别为1∶1、2∶1 和3∶1，如图乙所示。
(1)本实验的目的是探究向心力的大小与小球质量m、角速度ω和半径r之间的关系，下列实验中采用的实验方法与本实验相同的是________。A．用油膜法估测油酸分子的大小B．用单摆测量重力加速度的大小C．探究加速度与物体受力、物体质量的关系
(2)在某次实验中，把两个质量相等的钢球放在A、C位置，探究向心力的大小与半径的关系，则需要将传动皮带调至第________(选填“一”“二”或“三”)层塔轮。(3)在另一次实验中，把两个质量相等的钢球放在B、C位置，传动皮带位于第二层，转动手柄，则当塔轮匀速转动时，左右两标尺露出的格子数之比为________。A．1∶2 B．1∶4 C．2∶1 D．4∶1
[解析]　(1)探究向心力的大小与小球质量m、角速度ω和半径r之间的关系，采用的实验方法是控制变量法。用油膜法估测油酸分子的大小，采用的实验方法是通过测量宏观量来测量微观量的方法，故A错误；用单摆测量重力加速度的大小原理是分别测量出摆长和周期，通过单摆周期公式计算得到重力加速度大小，不是采用控制变量法，故B错误；探究加速度与物体受力、物体质量的关系，采用的实验方法是控制变量法，故C正确。
1．(数据处理方法的创新——a与F、m图像)某课外研究性学习小组的同学设计了如图甲所示装置来研究物体的加速度a与力F和质量m的关系。水平桌面上固定一带有刻度尺的倾斜轨道，导轨上A点处有一带遮光片的小车，用天平测得小车及遮光片总质量为m，另外可以在车上增加质量为m0的砝码，定滑轮与弹簧测力计间的细绳是竖直的，定滑轮与小车之间的细绳平行于倾斜轨道，在轨道下端固定有光电门。实验步骤如下：
(1)用图乙所示的游标卡尺测出遮光片的宽度d＝_____________m。
(3)研究小车的加速度与质量的关系：①安装好实验器材，记录小车质量m，调整倾斜轨道的倾角θ，记录弹簧测力计的示数F0，测量出遮光片到光电门的距离L；②松开弹簧测力计上的细绳，让小车从静止开始下滑，并记录遮光片通过光电门的时间t，则可求出小车的加速度a；
③第n次在小车上添加砝码的质量为nm0，调整倾斜轨道的倾角θ，使弹簧测力计的示数仍为F0，松开弹簧测力计上的细绳，让小车从静止开始下滑，并记录遮光片通过光电门的时间tn；④以遮光片通过光电门的时间平方t2为纵轴，以n为横轴，用描点法作出一条倾斜的直线，则图像的纵截距b＝________，斜率k＝________(用m、m0、F0、d和L表示)。
2．(实验方法创新)某研究小组利用DIS实验装置验证机械能守恒定律。如图(a)为装置图，内置有光电门的摆锤通过轻杆与转轴O相连，摆锤通过遮光片时可记录遮光时间。实验时，摆锤从M点由静止释放，依次记录其通过每个遮光片所对应的时间t。用刻度尺测出每个遮光片距最低点N的竖直高度h，摆锤质量为m，重力加速度为g。
(2)若以最低点N所处水平面为零势能面，选用字母m、h、d、t、g表示相应物理量，则摆锤经过某个遮光片时，摆锤的重力势能Ep＝____________，动能Ek＝________；对比通过各遮光片处摆锤的机械能E(E＝Ep＋Ek)是否相等，可判断机械能守恒与否。
(1)实验前，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，其示数如图(b)，则d＝________ mm。
(3)为了更直观地处理数据，研究小组绘制了摆锤摆下过程中动能、重力势能及机械能随高度变化的图像如图(c)所示，其中重力势能Ep的图线应为________(选填“A”“B”或“C”)；仔细比对数据发现，摆锤摆下过程中，重力势能减少量________(选填“大于”或“小于”)动能增加量。
1．(2024·重庆市质量调研)如图甲是研究小组用智能手机某软件的“磁力计”功能测量小车在斜面上运动的加速度的示意图。将手机的感应端紧贴斜面放置，圆柱形磁粒分别固定在小车的前后端，两磁粒中心之间的距离为d。当小车前后端磁粒依次经过手机时，“磁力计”记录下前后磁粒经过手机的时间间隔Δt，如图乙。
(1)由图乙可知，前后端磁粒依次经过手机的时间间隔Δt＝________ s。(2)某次实验时，第一次手机置于位置1，小车由静止释放，读取时间间隔为Δt1，第二次将手机沿小车运动方向移动距离L(L≫d)，置于位置2，再次由静止释放小车，读取时间间隔为Δt2，则加速度的表达式a＝_____________________。(用题中所给物理量的字母表示)(3)对本次实验的理解，下列说法正确的是________。A．第二次小车可以从不同位置由静止释放B．若增加小车的长度不会影响初、末速度的测量值C．若实验操作都准确无误，加速度的测量值仍偏大
2．(2024·河北统考一模)小明同学用如图1所示的装置来完成探究“加速度与力、质量的关系”实验。
(1)用该装置进行实验，________(选填“需要”或“不需要”)平衡阻力。
(2)根据实验要求进行实验，实验得到如图2所示的一条纸带，已知电源的频率为50 Hz，每两个相邻计数点间还有四个计时点没有画出，则小车运动的加速度大小为________ m/s2(保留两位有效数字)。
(3)改变钩码的质量，根据得到的多条纸带得到小车运动的加速度大小a并记录对应的力传感器的示数F，则根据实验数据得到的a-F关系可能是________。
A　　　　 　B　　　　　　C
3．(2024·辽宁校联考一模)某同学利用图(a)所示的装置验证碰撞过程中的动量守恒定律。A、B两滑块均带有弹簧片和宽度相同的遮光片，测得滑块A、B(包含弹簧片和遮光片)的质量分别为m1和m2。将两滑块放在气垫导轨上，气垫导轨右侧两支点高度固定，左侧支点高度可调。
(1)实验前，该同学用游标卡尺测量遮光片的宽度d，结果如图(b)所示，则d＝________ mm。
(2)该同学在调节气垫导轨水平时，开启充气泵，将一个滑块轻放在导轨中部后，发现它向右加速运动。此时，应调节左支点使其高度________(选填“升高”或“降低”)。
(3)将气垫导轨调节水平后，给滑块A一向右的初速度，使它与滑块B发生正碰。碰前滑块A通过光电门1的遮光时间为t0，A、B碰后分别通过光电门1和光电门2，遮光时间分别为t1和t2，则该同学所要验证的动量守恒定律的表达式为________________(用m1、m2、t0、t1和t2表示)。
[解析]　(1)由题图(b)可知，遮光片的宽度为d＝2 mm＋5×0.05 mm＝2.25 mm。(2)开启充气泵，将一个滑块轻放在导轨中部后，发现它向右加速运动，说明左高右低，则应调节左支点使其高度降低。
4．(2024·河南省部分重点高中10月大联考)如图(a)，两组同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验。所用器材有：长木板、铁块、米尺、打点计时器、位移传感器等。
(1)甲组同学把木板一端固定在建筑物上，构成斜面结构。采用打点计时器并正确操作实验后得到一条纸带如图(b)所示，选择一个恰当点作为计时起点O，其余计数点到O点距离分别为x1、x2、x3、…、x6。已知打点计时器的打点周期为T。则打计数点2时铁块速度的表达式为v＝________；铁块加速度的表达式为a＝________。
(2)乙组同学把木板一端固定在建筑物上，构成斜面结构。使用位移传感器得到物块位移随时间变化的图像如图(c)所示。
根据x-t图像可得该斜面上的铁块加速度大小为_______ m/s2(保留两位有效数字)。
(3)假设某次实验中木板与水平面夹角为θ，铁块下滑的加速度大小为a，当地的重力加速度为g，则铁块与木板间的动摩擦因数μ＝___________(用θ、a和g表示)。
5．在探究平抛运动规律实验中，利用一管口直径略大于小球直径的直管来确定平抛小球的落点及速度方向(只有当小球速度方向沿直管方向才能飞入管中)，重力加速度为g。实验一：如图(a)所示，一倾角为θ的斜面AB，A点为斜面最低点，直管保持与斜面垂直，管口与斜面在同一平面内，平抛运动实验轨道抛出口位于A点正上方某处。为让小球能够落入直管，可以根据需要沿斜面移动直管。
(1)以下是实验中的一些做法，合理的是________。A．斜槽轨道必须光滑B．安装斜槽轨道，使其末端保持水平C．调整轨道角度平衡阻力D．选择密度更小的小球
(2)某次平抛运动中，直管移动至P点时小球恰好可以落入其中，测量出P点至A点距离为L，根据以上数据可以计算出小球此次平抛运动在空中的飞行时间t＝________，初速度v0＝____________(用L、g、θ表示)。
实验二：如图(b)所示，一半径为R的四分之一圆弧面AB，圆心为O，OA竖直，直管保持沿圆弧面的半径方向，管口在圆弧面内，直管可以根据需要沿圆弧面移动。平抛运动实验轨道抛出口位于OA线上，可以上下移动，抛出口至O点的距离为h。