新高考物理二轮复习——探究类实验学案

这是一份新高考物理二轮复习——探究类实验学案，共10页。

热点突破
命题点1 探究弹簧弹力与形变量的关系
考题示例1 [生产生活类]
（2025·四川·历年真题）某学习小组利用生活中常见物品开展“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验。已知水的密度为1.0×103 kg/m3，当地重力加速度为9.8 m/s2。实验过程如下：
（1）将两根细绳分别系在弹簧两端，将其平放在较光滑的水平桌面上，让其中一个系绳点与刻度尺零刻度线对齐，另一个系绳点对应的刻度如图1所示，可得弹簧原长为__________ cm。
（2）将弹簧一端细绳系到墙上挂钩，另一端细绳跨过固定在桌面边缘的光滑金属杆后，系一个空的小桶。使弹簧和桌面上方的细绳均与桌面平行，如图2所示。
（3）用带有刻度的杯子量取50 mL水，缓慢加到小桶里，待弹簧稳定后，测量两系绳点之间的弹簧长度并记录数据。按此步骤操作6次。
（4）以小桶中水的体积V为横坐标，弹簧伸长量x为纵坐标，根据实验数据拟合成如图3所示直线，其斜率为200 m－2。由此可得该弹簧的劲度系数为__________ N/m（结果保留2位有效数字）。
（5）图3中直线的截距为0.0056 m，可得所用小桶质量为__________ kg（结果保留2位有效数字）。
答案：（1）13.14/13.15 （4）49 （5）0.028
解析：（1）该刻度尺的分度值为0.1 cm， 应估读到分度值的后一位，故弹簧原长为13.14 cm。
（4）由胡克定律可知mg＋ρVg＝kx，化简可得x＝
由图像可知＝200 m－2，代入数据解得该弹簧的劲度系数为k＝49 N/m
（5）由图可知＝0.0056 m，代入数据可得所用小桶质量为m＝0.028 kg
跟踪训练1 [生产生活类]
（2025·内蒙古·历年真题）某兴趣小组设计了一个可以测量质量的装置。如图（a），细绳1、2和橡皮筋相连于一点，绳1上端固定在A点，绳2下端与水杯相连，橡皮筋的另一端与绳套相连。为确定杯中物体质量m与橡皮筋长度x的关系，该小组逐次加入等质量的水，拉动绳套，使绳1每次与竖直方向夹角均为30°且橡皮筋与绳1垂直，待装置稳定后测量对应的橡皮筋长度。根据测得数据作出x－m关系图线，如图（b）所示。
回答下列问题：
（1）将一芒果放入此空杯，按上述操作测得x＝11.60 cm，由图（b）可知，该芒果的质量m0＝__________ g（结果保留到个位）。若杯中放入芒果后，绳1与竖直方向夹角为30°但与橡皮筋不垂直，由图像读出的芒果质量与m0相比__________（填“偏大”或“偏小”）。
（2）另一组同学利用同样方法得到的x－m图像在后半部分弯曲，下列原因可能的是__________。
A．水杯质量过小
B．绳套长度过大
C．橡皮筋伸长量过大，弹力与其伸长量不成正比
（3）写出一条可以使上述装置测量质量范围增大的措施__________。
答案：（1）106 偏大 （2）C （3）减小细线与竖直方向的夹角
解析：（1）操作测得x＝11.60 cm，由图（b）的图像坐标可知，该芒果的质量为106g；
若杯中放入芒果后，绳1与竖直方向夹角为30°但与橡皮筋不垂直，根据共点力平衡可知橡皮条的拉力变大，导致橡皮筋的长度偏大，若仍然根据图像读出芒果的质量与m0相比偏大。
（2）另一组同学利用同样方法得到的x－m图像在后半部分弯曲，可能是所测物体的质量过大，导致橡皮筋所受的弹力过大超过了弹簧的弹性限度，从而使橡皮筋弹力与其伸长量不成正比。
故选C。
（3）根据共点力平衡条件可知，当减小绳子与竖直方向的夹角时，相同的物体质量对应橡皮筋的拉力较小，故相同的橡皮筋，可减小细线与竖直方向的夹角可增大质量测量范围。
反思提升
1．处理数据应注意的问题
（1）读数时，注意仪器精确度和有效数字位数。
（2）计算时，注意单位换算。
（3）建坐标系时，注意两轴单位长度要适当。
（4）描线时，注意作出直线，不能是折线（有些情况需顺势平滑拟合各点）。
2．分析误差
（1）系统误差：主要是弹簧自身重力的影响，使得弹簧不加外力就有形变量，造成F－x图线不过原点。
（2）偶然误差：弹簧长度的测量造成偶然误差。
3．处理数据的常用方法有列表法、图像法、函数法，其中用图像法处理实验数据可以减小偶然误差，是物理实验中常用的方法之一，应用图像法处理问题时注意：
（1）连线时使尽可能多的点在所连的直线上，不在直线上的点要尽量分布在直线的两侧，且到直线的距离大致相等；
（2）图线斜率是纵轴物理量的变化量与横轴物理量的变化量的比值；
（3）要灵活应用数学知识，通过数形结合理解图线斜率和截距的物理意义。
命题点2 探究加速度与物体受力、物体质量的关系
考题示例2
（2025·山西·历年真题）下图为探究加速度与力、质量关系的部分实验装置。
（1）实验中应将木板__________（填“保持水平”或“一端垫高”）。
（2）为探究加速度a与质量m的关系，某小组依据实验数据绘制的a－m图像如图所示，很难直观看出图线是否为双曲线。如果采用作图法判断a与m是否成反比关系，以下选项可以直观判断的有__________。（多选，填正确答案标号）
A．a－图像 B．a－m2图像 C．am－m图像 D．a2－m图像
（3）为探究加速度与力的关系，在改变作用力时，甲同学将放置在实验桌上的槽码依次放在槽码盘上；乙同学将事先放置在小车上的槽码依次移到槽码盘上，在其他实验操作相同的情况下，__________（填“甲”或“乙”）同学的方法可以更好地减小误差。
答案：（1）一端垫高 （2）AC （3）乙
解析：（1）实验需补偿阻力，消除木板对小车的阻力的影响，应将木板一端垫高，使小车在无拉力时能匀速运动。
（2）A．作出a－图像，可以将a－m图像“化曲为直”，便于判断，a与m是否成反比关系，故A正确；
B．作出a－m2图像，无法体现a与m是否成反比关系，故B错误；
C．作出am－m图像，若a与m是成反比关系，有am为定值，则am－m图像是一条平行于横轴的直线，可间接判断a与m是否成反比关系，故C正确；
D．作出a2－m图像，无法体现a与m是否成反比关系，故D错误。
故选AC。
（3）甲同学的方法中，将槽码依次放在槽码盘上，小车质量M不变，拉力F＝≈mg（m为槽码总质量），但随着m增大，不满足m≪M条件，拉力与mg偏差增大，误差变大；乙同学的方法中，将小车上的槽码移到槽码盘上，总质量M＋m不变（M为小车质量，m为槽码质量），拉力F＝≈mg（当M≫m时近似，但实际总质量不变），拉力更接近理论值，系统误差更小，故乙同学方法更好。
跟踪训练2
（2024·江西·历年真题）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摩擦力。
（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时小车加速度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：______________________________。
答案：（4）较大 较小 （5）见解析 （6）远大于钩码质量 见解析
解析：（4）由题图（b）分析可知，与图线甲相比，图线乙的线性区间较大，非线性区间较小；
（5）在坐标系中进行描点，结合其他点用平滑的曲线拟合，使尽可能多的点在线上，不在线上的点均匀分布在线的两侧，如下图所示
（6）设绳子拉力为T，对钩码根据牛顿第二定律有F－T＝ma
对小车根据牛顿第二定律有T＝Ma，
联立解得F＝(M＋m)a，变形得a＝，
当m≪M时，可认为m＋M＝M，则a＝，即a与F成正比。
反思提升
1．当忘记平衡摩擦力或平衡摩擦力不足时，可能会出现图甲的情况；当平衡摩擦力时，木板倾角过大，即平衡摩擦力过度时，可能会出现图乙的情况。
2．实验中要求小车的质量M和小盘及砝码的总质量m满足M≫m的条件，一般M是m的几十倍，并且M比m大得越多误差越小。若绳子的拉力可以通过传感器测出，则不需要满足此条件。若该实验条件不满足，可能会出现图丙、丁所示的情况。
图丙中，因为F＝mg，当m增大到不满足M≫m时，实验会出现较大误差，图像发生弯曲；图丁中，逐渐增大，M逐渐减小，当M减小到不满足M≫m时，实验会出现较大误差，图像会发生弯曲。
3．在研究不同的实验装置问题时，要根据实际情况列牛顿第二定律方程，理解各物理量的物理意义，寻求符合问题需要的函数关系表达式。
命题点3 探究平抛运动的特点
考题示例3
（2023·浙江·历年真题）在“探究平抛运动的特点”实验中
（1）用图1装置进行探究，下列说法正确的是________。
A．只能探究平抛运动水平分运动的特点
B．需改变小锤击打的力度，多次重复实验
C．能同时探究平抛运动水平、竖直分运动的特点
（2）用图2装置进行实验，下列说法正确的是________。
A．斜槽轨道M必须光滑且其末端水平
B．上下调节挡板N时必须每次等间距移动
C．小钢球从斜槽M上同一位置静止滚下
（3）用图3装置进行实验，竖直挡板上附有复写纸和白纸，可以记下钢球撞击挡板时的点迹。实验时竖直挡板初始位置紧靠斜槽末端，钢球从斜槽上P点静止滚下，撞击挡板留下点迹0，将挡板依次水平向右移动x，重复实验，挡板上留下点迹1、2、3、4。以点迹0为坐标原点，竖直向下建立坐标轴y，各点迹坐标值分别为y1、y2、y3、y4。测得钢球直径为d，则钢球平抛初速度v0为________。
A． B．
C． D．
答案：（1）B （2）C （3）D
解析：（1）AC．用如图1所示的实验装置，只能探究平抛运动竖直分运动的特点，故AC错误；B．在实验过程中，需要改变小锤击打的力度，多次重复实验，故B正确。故选：B。
（2）AC．为了保证小球做平抛运动，需要斜槽末端水平，为了保证小球抛出时速度相等，每一次小球需要静止从同一位置释放，斜槽不需要光滑，故A错误，C正确；
B．上下调节挡板N时不必每次等间距移动，故B错误。
故选：C。
（3）A．竖直方向，根据y1＝，水平方向x－＝v0t，联立可得v0＝，故A错误；
B．竖直方向，根据Δy＝y2－2y1＝gt2，水平方向x＝v0t，联立可得v0＝，故B错误；
CD．竖直方向根据y4＝，水平方向4x－＝v0t，联立可得v0＝，故D正确，C错误。故选D。
跟踪训练3
（2024·河北·历年真题）图1为探究平抛运动特点的装置，其斜槽位置固定且末端水平，固定坐标纸的背板处于竖直面内，钢球在斜槽中从某一高度滚下，从末端飞出，落在倾斜的挡板上挤压复写纸，在坐标纸上留下印迹。某同学利用此装置通过多次释放钢球，得到了如图2所示的印迹，坐标纸的y轴对应竖直方向，坐标原点对应平抛起点。

①每次由静止释放钢球时，钢球在斜槽上的高度__________（填“相同”或“不同”）。
②在坐标纸中描绘出钢球做平抛运动的轨迹。
③根据轨迹，求得钢球做平抛运动的初速度大小为__________ m/s（当地重力加速度g为9.8 m/s2，保留2位有效数字）。
答案：（1）相同 （2）见解析图 （3）0.71
解析：①为保证钢球每次平抛运动的初速度相同，必须让钢球在斜槽上同一位置静止释放，故高度相同；
②描点连线用平滑曲线连接，钢球做平抛运动的轨迹如图所示
③因为抛出点在坐标原点，为方便计算，在图线上找到较远的点，坐标为（13.6 cm，17.5 cm），根据平抛运动规律x＝v0t，y＝
解得v0≈0.72 m/s
反思提升
对平抛实验的考查涉及四方面的能力：掌握实验原理和实验方法，知道平抛运动的轨迹是抛物线；能根据平抛运动规律，运用平抛运动轨迹求初速度；能对实验数据进行处理，分析和判断引起实验误差的因素，并提出减小误差的方法；能对实验原理和方法进行迁移与拓展，设计新的探究实验。
命题点
考频统计
命题特点
核心素养
探究弹簧弹力与形变量的关系
2025年：北京T16
浙江1月T14 山东T13
山西T11 安徽T11
四川T11 内蒙古T12
2024年：甘肃T11
江西T11 河北T12
全国甲T9 浙江1月T16
2023年：
浙江1月T16 T17
浙江6月T16 湖南T11
北京T17 全国甲卷T10
这类实验的考查往往涉及四个方面的内容：（1）掌握实验原理和实验操作方法；（2）能对实验数据进行处理；（3）分析和判断引起实验误差的因素，并提出减小误差的方法；（4）能对实验原理和方法进行迁移与拓展，设计新的探究实验。常规考点有：刻度尺的读数，打点计时器的使用，根据纸带求瞬时速度或加速度，作图法处理数据，光电门的应用等。
科学探究：
能根据实验原理正确分析数据，发现其中规律，形成合理的结论，并用已有的物理知识进行解释。
探究加速度与物体受力、物体质量的关系
探究平抛运动的特点
m/kg
0.2
0.33
0.40
0.50
1.00
a/(m·s－2)
0.618
0.482
0.403
0.317
0.152
序号
1
2
3
4
5
钩码所受重力F/(9.8 N)
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
小车加速度a/(m·s－2)
0.26
0.55
0.82
1.08
1.36
序号
6
7
8
9～14
15
钩码所受重力F/(9.8 N)
0.120
0.140
0.160
……
0.300
小车加速度a/(m·s－2)
1.67
1.95
2.20
……
3.92