新高考物理二轮复习——验证类实验学案

这是一份新高考物理二轮复习——验证类实验学案，共14页。

热点突破
命题点1 验证力的平行四边形定则
考题示例1
（2025·贵州·模拟题）某同学学习了“力的合成”以后，用竖直固定且贴有白纸的木板和两只完全相同的轻弹簧甲和乙来验证力的平行四边形定则。实验步骤如下：
将甲的一端挂在木板上的P点，用刻度尺测得弹簧原长为l0，如图（a）。
将三段轻质细线OA、OB、OC结于O点，C端挂一重物M，并将A端挂在甲的下端，静止时，测得弹簧的长度为l1，如图（b）。
用乙钩挂细线B端，使结点O到达某一位置后，OB与OA互成一定的角度，静止时，测得甲和乙此时的长度分别为l2、l3，如图（c）。为了完成实验，除了要在白纸上标记结点O的位置和细线OC的方向外，还应标出细线OA、OB的__________（选填“方向”“长度”或“方向和长度”）。
以O为作用点，在白纸上沿CO延长线方向作力F1的图示。上述测量中，测得：l0＝12.50 cm，l1＝18.50 cm，l2＝16.46 cm，l3＝15.80 cm，如果用6.00 cm长度的线段表示F1的大小，则在沿OA方向作力F2的图示时，应用__________ cm长度的线段表示F2的大小，再按同样的方法沿OB方向作力F3的图示。
按平行四边形定则作出F2和F3的合力F1′，若F1′与F1的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则。
改变乙的拉力F3，重复实验，再次验证力的平行四边形定则时，__________（选填“需要”或“不需要”）保证结点O的位置不变。
答案：（3）方向 （4）3.96 （6）不需要
解析：（3）根据实验原理可知，除了要在白纸上标记结点O的位置和细线OC的方向外，还应标出细线OA、OB的方向；
由于l1－l0＝18.50 cm－12.50 cm＝6.00 cm；l2－l0＝16.46 cm－12.50 cm＝3.96 cm
用6.00 cm长度的线段表示F1的大小，根据胡克定律可知，应用3.90 cm长度的线段表示F2的大小；
由于每次实验受力都平衡，则再次验证力的平行四边形定则时，不需要保证结点O的位置不变。
跟踪训练1
（2023·湖南·模拟题）“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳，图乙是白纸上根据实验结果画出的图。
本实验中“等效代替”的含义是______。
橡皮筋可以用细绳替代
左侧弹簧测力计的作用效果可以替代右侧弹簧测力计的作用效果
右侧弹簧测力计的作用效果可以替代左侧弹簧测力计的作用效果
两弹簧测力计共同作用的效果可以用一个弹簧测力计的作用效果替代
如果没有操作失误，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是______。
如图2所示，用a、b弹簧秤拉橡皮条使结点到O点，当保持弹簧秤a的示数不变，而在角α逐渐减小到0的过程中，要使结点始终在O点，可以______。
增大b的示数，减小β角度
减小b的示数，增大β角度
减小b的示数，先增大β角度，后减小β角度
增大b的示数，先减小β角度，后增大β角度
答案：（1）D；（2）F′；（3）BC
解析：（1）本实验中“等效代替”的含义是两弹簧测力计共同作用的效果可以用一个弹簧测力计的作用效果替代，来验证力的平行四边形定则，故ABC错误，D正确；
经平行四边形作出的合力理论值不一定沿AO方向，而合力的实验值由实验直接测得，故一定沿AO方向，故填：F′。
由题意可知：保持O点位置不动，即合力大小方向不变，弹簧测力计a的读数不变，因此根据要求作出力的平行四边形定则，画出受力分析图如下：
情况，原来α、β的值较小
所以由图可知α角逐渐变小时，b的示数减小，同时β角减小；
情况，原来α、β值较大
由图可以看出α角逐渐变小时，b的示数减小，同时β角增大；
或者
由图可以看出α角逐渐变小时，b的示数减小，同时β角先增大，后减小；
故选：BC。
反思提升
验证力的平行四边形定则的两个基本实验原理
等效替代法：需要保证两个力的作用效果与一个力的作用效果是相同的，故需要保证两次力的作用点O点的位置相同；
力的平衡法：只需要保证力的作用点处于平衡状态即可，故两次力的作用点O点的位置可以不同；
本实验操作中的关键点是如何准确地记录力的大小和方向，从这个关键点出发去确定实验操作中一些需要注意的事项；
根据平行四边形定则确定的两个分力的合力为理论值。
命题点2 验证机械能守恒定律
考题示例2
（2025·河南·历年真题）实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源（频率50 Hz）、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。
下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列：__________（填步骤前面的序号）
先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带
先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点
用电子天平称量重锤的质量
将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端
在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据
关闭电源，取下纸带
图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为__________ m/s（保留3位有效数字）．
纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图3所示的v2－h关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应__________（填“通过”或“不通过”）原点且斜率为__________（用重力加速度大小g表示）。由图3得直线的斜率k＝__________（保留3位有效数字）。
定义单次测量的相对误差η＝×100%，其中Ep是重锤重力势能的减小量，Ek是其动能增加量，则实验相对误差为η＝__________×100%（用字母k和g表示）；当地重力加速度大小取g＝9.80 m/s2，则η＝__________%（保留2位有效数字），若η＜5%，可认为在实验误差允许的范围内机械能守恒。
答案：（1）④①⑥⑤ （2）1.79 （3）通过 2g 18.8 （4） 4.1
解析：（1）①②应先先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再释放纸带，故②错误；
由mgh＝可知，质量m可以约掉，故不需要称量重锤的质量；
此步骤正确且为实验必需，应作为第一步；
此步骤正确且为实验必需，处理数据应在步骤⑥之后；
此步骤正确且为实验必需，应在步骤①后及时关闭电源、取下纸带。
故实验步骤排序为：④①⑥⑤。
由题意，纸带上相邻计数点时间间隔T＝＝0.02 s，对于匀变速直线运动，中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度，故vB＝＝1.785 m/s≈1.79 m/s。
若机械能守恒，由mgh＝可得v2＝2gh，故理论上v2－h图线应通过原点，且斜率k＝2g；
由图可知，斜率k＝＝18.75≈18.8。
η＝×100%＝×100%；
当地重力加速度大小取g＝9.80 m/s2，则η≈4.1%。
跟踪训练2
（2025·江苏·历年真题）小明同学探究机械能守恒定律，实验装置如图。实验时，将小钢球在斜槽上某位置A由静止释放，钢球沿斜槽通过末端O处的光电门，光电门记录下钢球的遮光时间t。用游标卡尺测出钢球的直径d，由v＝得出其通过光电门的速度v，再计算出动能增加量ΔEk＝。用刻度尺测得钢球下降的高度h，计算出重力势能减少量ΔEp。
安装实验装置的操作有：
在斜槽末端安装光电门 ②调节斜槽在竖直平面内
调节斜槽末端水平 ④将斜槽安装到底座上
其合理的顺序是__________（选填“A”“B”或“C”）。
A．①②③④ B．④②③① C．④①②③
测量钢球直径的正确操作是图中__________（选填“甲”或“乙”）所示的方式。
在斜槽上5个不同的位置由静止释放钢球。测量得出的实验数据见表1。已知钢球的质量m＝0.02 kg，重力加速度g＝9.80 m/s2。请将下表的数据补充完整。
表1
实验数据表明，ΔEk明显小于ΔEp，钢球在下降过程中发生机械能的损失。小明认为，机械能的损失主要是由于钢球受到的摩擦力做功造成的。
为验证此猜想，小明另取一个完全相同的斜槽按下图平滑对接。若钢球从左侧斜槽上A点由静止释放，运动到右侧斜槽上，最高能到达B点，A、B两点高度差为H。则该过程中，摩擦力做功大小的理论值W理＝__________（用m、g、H表示）。
用上图的装置，按表1中所列部分高度h进行实验，测得摩擦力做功大小W测。由于观察到H值较小，小明认为，AO过程摩擦力做功近似等于AB过程的一半，即Wf＝。然后通过表1的实验数据，计算出AO过程损失的机械能ΔE＝ΔEp－ΔEk。整理相关数据，见表2。
表2
上表中ΔE与Wf相差明显。小明认为这是由于用近似计算Wf不合理。你是否同意他的观点？请根据表2数据简要说明理由。
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
答案：（1）B （2）甲 （3）15.7 （4）mgH
同意 小球减小的重力势能有一部分转化为小球的转动动能，相差很大的原因是小球的转动动能没有计入
解析：（1）正确步骤为将斜槽安置于底座，调节斜槽在竖直平面内，调节斜槽末端水平，安装光电门，序号为④②③①。
故选B。
测量小球直径的正确操作需要确保测量工具与小球接触良好，并且小球的位置不会导致测量误差。在图中的情形中，甲图显示出的卡尺测量方式更准确地使卡尺的两测量面与小球的表面垂直接触，适合测量直径。而乙图因为夹持不住小球，使得小球并没有夹在量爪之间，测量不准确。
故选甲。
根据ΔEp＝mgh
可知下降高度为8.0×10－2 m时减少的重力势能为下降高度为4.0×10－2 m的二倍，代入数据可得ΔEp≈15.7×10－3 J
根据动能定理可得mgH－W理＝0
可得W理＝mgH
同意，原因是小球减小的重力势能有一部分转化为小球的转动动能，相差很大的原因是小球的转动动能没有计入。
反思提升
在直接验证机械能守恒定律的实验中，首先需要确定验证的对象（系统或某个物体）及运动过程对应的初末位置；其次，求解在此过程中减小的能量和增加的能量；注意在求解动能改变量时要熟练应用打点计时器、光电门等仪器求解瞬时速度的方法；最后验证减小量与增加量是否相等；
通过实验数据绘制的图像来间接验证机械能守恒定律的实验中，往往需要结合机械能守恒定律、牛顿第二定律等知识写出图像对应的函数表达式，再通过验证图像的斜率、截距等是否与推导的理论值相等来验证。
命题点3 验证动量守恒定律
考题示例3
（2024·北京·历年真题）如图甲所示，让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。
关于本实验，下列做法正确的是__________（填选项前的字母）。
实验前，调节装置，使斜槽末端水平
选用两个半径不同的小球进行实验
用质量大的小球碰撞质量小的小球
图甲中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，首先，将质量为m1的小球从斜槽上的S位置由静止释放，小球落到复写纸上，重复多次。然后，把质量为m2的被碰小球置于斜槽末端，再将质量为m1的小球从S位置由静止释放，两球相碰，重复多次。分别确定平均落点，记为M、N和P（P为m1单独滑落时的平均落点）。
图乙为实验的落点记录，简要说明如何确定平均落点__________；
分别测出O点到平均落点的距离，记为OP、OM和ON。在误差允许范围内，若关系式____________________________成立，即可验证碰撞前后动量守恒。

受上述实验的启发，某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示，用两根不可伸长的等长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O点和O′点，两点间距等于小球的直径。将质量较小的小球1向左拉起至A点由静止释放，在最低点B与静止于C点的小球2发生正碰。碰后小球1向左反弹至最高点A′，小球2向右摆动至最高点D。测得小球1，2的质量分别为m和M，弦长AB＝l1、A′B＝l2、CD＝l3。
推导说明，m、M、l1、l2、l3满足____________________关系即可验证碰撞前后动量守恒。
答案：（1）AC
用圆规画圆，尽可能用最小的圆把各个落点圈住，这个圆的圆心位置代表平均落点
m1OP＝m1OM＋m2ON
ml1＝－ml2＋Ml3
解析：（1）A．实验中若使小球碰撞前、后的水平位移与其碰撞前、后速度成正比，需要确保小球做平抛运动，即实验前，调节装置，使斜槽末端水平，故A正确；
为使两小球发生的碰撞为对心正碰，两小球半径需相同，故B错误；
为使碰后入射小球与被碰小球同时飞出，需要用质量大的小球碰撞质量小的小球，故C正确。
故选AC。
a．用圆规画圆，尽可能用最小的圆把各个落点圈住，这个圆的圆心位置代表平均落点。
b．碰撞前、后小球均做平抛运动，由h＝可知，小球的运动时间相同，所以水平位移与平抛初速度成正比，所以若m1OP＝m1OM＋m2ON，即可验证碰撞前后动量守恒。
设轻绳长为L，小球从偏角θ处静止摆下，摆到最低点时的速度为v，小球经过圆弧对应的弦长为l，则由动能定理有mgL(1－cs θ)＝，由数学知识可知
联立两式解得v＝
若两小球碰撞过程中动量守恒，则有mv1＝－mv2＋Mv3
又有v1＝，v2＝，v3＝
整理可得ml1＝－ml2＋Ml3。
跟踪训练3
（2025·江苏·模拟题）某实验小组利用气垫导轨验证动量守恒定律，实验装置如图所示。安装好器材后，进行了以下操作，完成下列填空：
用天平测得滑块a（含遮光条）、b（含橡皮泥）的质量分别为ma、mb；本实验中__________（填“需要”或“不需要”）ma＞mb。
打开气泵，待稳定后调节气垫导轨，直至轻推滑块a后，a上遮光条通过光电门1和2的时间__________（填“相等”或“不等”），说明气垫导轨已调至水平。
将滑块a推至光电门1的左侧，将滑块b放在光电门1和2之间。向右轻推一下a，滑块a通过光电门1后与静止的滑块b碰撞并粘在一起以共同速度通过光电门2。测得滑块a上的遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1和t2。
改变滑块a推出时的速度，重复步骤（3），作出以t1为纵坐标，以__________（填“t2”或“”）为横坐标的图线。若该图线为过原点的直线，且直线的斜率k＝__________，则证明碰撞过程中两滑块的总动量守恒。
答案：（1）不需要 （2）相等 （4）t2
解析：（1）因为该碰撞为完全非弹性碰撞，所以对两物体质量无要求。
轻推滑块a后，a上遮光条通过光电门1和2的时间相等，说明滑块匀速运动，即说明气垫导轨已调至水平。
设遮光条宽度为d，题意可知滑块a碰滑块b前速度大小v1＝，
滑块a碰滑块b后整体速度v2＝，
规定向右为正方向，由动量守恒有mav1＝(ma＋mb)v2，
联立解得＝，
整理得t1＝，
可知t1－t2图线为过原点的直线，且直线的斜率k＝，
则证明碰撞过程中两滑块的总动量守恒。
反思提升
验证动量守恒定律的实验中，关键是确定两物体碰撞前后的瞬时速度
应用平抛运动规律将速度的测量转化为长度的测量：
竖直方向：h＝ 水平方向：x＝vt→v＝
注意此类实验中，水平位移x和竖直位移h一定有一个是不变量
应用光电门等仪器结合瞬时速度的定义式直接测量瞬时速度的大小
光电门测速原理：v＝（d为遮光片宽度，Δt为遮光时间）
实验通常会结合碰撞的相关知识进行考查，注意碰撞过程中几个常见问题：
弹性碰撞中动能无损失，完全非弹性碰撞动能损失最大；
碰撞过程均满足动量守恒和能量守恒；
两物体碰撞后若同向，则前面物体的速度一定大于后面物体的速度。
命题点
考频统计
命题特点
核心素养
验证力的平行四边形定则
2025年：广东T11
江苏T11 湖北T12
河南T12
2024年：新课标T9
山东T13 浙江6月T16
北京T18
2023年：全国乙卷T9
天津T9 辽宁T11
本专题主要讲述高考中常见的三类验证类力学实验：验证力的平行四边形定则、验证机械能守恒定律以及验证动量守恒定律。考题主要从实验的原理、数据处理以及误差分析等方面全面考查学生的实验探究能力。
科学探究：
作为验证性实验，能够区分结论与证据，在对实验数据分析和推理过程中，获得结论，要考虑数据的可靠性，合理使用数据，会进行误差分析。
验证机械能守恒定律
验证动量守恒定律
h/(10－2 m)
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
ΔEk/(10－3) J)
4.90
6.25
7.45
8.78
10.0
ΔEp/(10－3 J)
7.84
9.80
11.8
13.7
________
h/(10－2 m)
4.00
5.00
6.00
7.00
ΔE/(10－3 J)
2.94
3.55
4.35
4.92
Wf/(10－2 J)
0.98
1.08
1.18
1.27