2026高考总复习优化设计二轮物理（人教版）课件第16讲　力学实验(含解析)

这是一份2026高考总复习优化设计二轮物理（人教版）课件第16讲　力学实验(含解析)，共69页。PPT课件主要包含了贯通•知识脉络，研学•核心考点，目录索引，远大于，系统误差，考点三力学其他实验，如图所示，1×10-3，2均有可能等内容，欢迎下载使用。
考点一　纸带类和光电门类实验
命题角度1小车和长木板情境的两个探究实验
温馨提示常见的测速方法有:利用纸带打点计时器测速、光电门测速、传感器测速、动能定理计算法、平抛运动计算法等。
例1　(2024浙江1月选考)图甲是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。(1)该实验中同时研究三个物理量间关系是很困难的,因此我们采用的研究方法是　　　　。 A.放大法B.控制变量法C.补偿法(2)该实验过程中操作正确的是　　　　。 A.平衡阻力时小车未连接纸带B.先接通打点计时器电源,后释放小车C.调节滑轮高度使细绳与水平桌面平行
(3)在小车质量　　　　(选填“远大于”或“远小于”)槽码质量时,可以认为细绳拉力近似等于槽码的重力。上述做法引起的误差为____________　　　　　　　(选填“偶然误差”或“系统误差”)。为减小此误差,下列可行的方案是　　　　。 A.用气垫导轨代替普通导轨,滑块代替小车B.在小车上加装遮光条,用光电计时系统代替打点计时器C.在小车与细绳之间加装力传感器,测出小车所受拉力大小
解析 (1)该实验中同时研究三个物理量间关系是很困难的,因此我们可以控制其中一个物理量不变,研究另外两个物理量之间的关系,即采用了控制变量法,故选B。(2)平衡阻力时小车需要连接纸带,一方面是需要连同纸带所受的阻力一并平衡,另外一方面是通过纸带上的点间距判断小车是否在长木板上做匀速直线运动,A错误;由于小车速度较快,且运动距离有限,打出的纸带长度也有限,为了能在长度有限的纸带上尽可能多地获取间距适当的数据点,实验时应先接通打点计时器电源,后释放小车,B正确;为使小车所受拉力与速度同向,应调节滑轮高度使细绳与长木板平行,C错误。
命题角度2验证机械能守恒定律
例2　(2024浙江6月选考)在“验证机械能守恒定律”的实验中(1)下列操作正确的是　　　　。
(2)实验获得一条纸带,截取点迹清晰的一段并测得数据如图所示,已知打点的频率为50 Hz,则打点“13”时,重锤下落的速度大小为　　　　 m/s(保留3位有效数字)。
(3)某同学用纸带的数据求出重力加速度g=9.77 m/s2,并用此g值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力势能减小值为5.09m,另计算得动能增加值为5.08m(m为重锤质量),则该结果　　　　(选填“能”或“不能”)验证机械能守恒定律,理由是　　　　。 A.在误差允许范围内B.没有用当地的重力加速度g
命题角度3验证动量守恒定律
例3　(2024北京卷)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。(1)关于本实验,下列做法正确的是　　　　(填选项前的字母)。 A.实验前,调节装置,使斜槽末端水平B.选用两个半径不同的小球进行实验C.用质量大的小球碰撞质量小的小球
(2)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)。a.图乙为实验的落点记录,简要说明如何确定平均落点:________________　　　　　　　 　　　　　; b.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。
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
(3)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。
ml1=-ml2+m'l3
考点二　弹簧类和橡皮条类实验
命题角度1探究弹簧弹力与形变量的关系
例4　(2025四川卷)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中直线的纵截距为0.005 6 m,可得所用小桶质量为　　　　 kg(结果保留2位有效数字)。
命题角度2探究两个互成角度的力的合成规律
例5　(2025黑吉辽蒙卷)某兴趣小组设计了一个可以测量质量的装置。如图(a)所示,细绳1、2和橡皮筋相连于一点,细绳1上端固定在A点,细绳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,使细绳1每次与竖直方向夹角均为30°且橡皮筋与细绳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)将一芒果放入此空水杯,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,细绳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　　　　(选填“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　　　 　　　　　　　　　　。
减小细绳1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106 g;若杯中放入芒果后,细绳1与竖直方向夹角为30°,但与橡皮筋不垂直,对细绳与橡皮筋结点受力分析,如图所示,根据共点力平衡可知橡皮筋的拉力变大,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其弹性限度,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,当减小细绳1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,故对于相同的橡皮筋,可减小细绳1与竖直方向的夹角来增大该装置测量质量的范围。
命题角度1探究平抛运动的特点
例6　(2024河北卷)图甲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,得到了如图乙所示的印迹,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　　　　　　(选填“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)
解析 (1)为保证钢球每次做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答案图所示。
命题角度2探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
例7　(2024海南卷)水平圆盘上紧贴边缘放置一密度均匀的小圆柱体,如图甲所示,图乙为俯视图,测得圆盘直径D=42.02 cm,圆柱体质量m=30.0 g,圆盘绕过盘心O的竖直轴匀速转动,转动时小圆柱体相对圆盘静止。
为了研究小圆柱体做匀速圆周运动时所需要的向心力情况,某同学设计了如下实验步骤:(1)用秒表测圆盘转动10周所用的时间t=62.8 s,则圆盘转动的角速度ω=　　　　 rad/s(π取3.14)。 (2)用游标卡尺测量小圆柱体不同位置的直径,某次测量的示数如图丙所示,该读数d=　　　 mm,多次测量后,得到平均值恰好与d相等。 (3)写出小圆柱体所需向心力表达式F=　　　　　　　(用D、m、ω、d表示),其大小为　　　　　 N(保留2位有效数字)。
命题角度3用单摆测量重力加速度的大小
例8　(2025福建龙岩二模)某同学用单摆测量重力加速度,装置如图甲所示。将装有磁感应强度传感器的手机固定于磁性小球正下方,测得摆线长L=80.47 cm,用20分度游标卡尺测摆球直径如图乙所示。将小球拉开一小角度释放后做简谐运动,通过手机记录如图丙所示的磁感应强度—时间曲线,图中A、B两点间时间间隔为10.80 s。回答下列问题:
(1)摆球直径d=　　　　 mm。 (2)单摆周期T=　　　　 s,重力加速度g=　　　　 m/s2(取π2=9.87,结果均保留3位有效数字)。 (3)实验时若找不到磁性小球,改用不规则小磁铁作摆球,通过测量多组摆线长L与周期T,作T2-L图像,通过图线斜率求g值,则不规则小磁铁的重心位置未知对结果　　　　(选填“有”或“无”)影响。
考点四　力学实验的拓展与创新
力学实验创新设计的形式有以下三种:1.实验器材的等效与替换。常见的考查模式主要有两大类:一是不变目的,变装置;二是不变装置,变目的。2.实验原理的拓展与延伸。该类实验的特点是题目来源于教材,但又高于教材,实验的基本原理和思想方法是考查的核心,要解决此类实验问题,应从背诵实验向分析理解实验转变。3.试题情境的设计与创新。不管试题情境的设计进行了怎样的创新,其考查的实验原理和实验处理方法仍然不变。
例9　(2025浙江温州三模)(1)某学习小组做“探究小车加速度与力、质量的关系”的实验,图甲是方案1,图乙是改进后的方案2,两方案中滑轮与细线间摩擦力,以及它们的质量均不计。下列说法正确的是　　　　。A.两种方案均需要平衡阻力B.两种方案均需要让牵引小车的细线跟轨道保持平行C.不断增加槽码质量,两种方案中小车的加速度大小均不可能超过重力加速度D.操作中,若有学生不小心先释放小车再接通电源,得到的纸带一定不可用
(2)正确操作情况下,得到了一条纸带如图丙所示,纸带上各相邻计数点间均有四个点迹,电源频率为50 Hz。①根据纸带上所给数据,计时器在打下计数点C时小车的速度大小vC=　　　　 m/s,小车的加速度大小a=　　　　 m/s2(以上结果均保留3位有效数字)。 ②可以判断,该纸带是由方案　　　 　(选填“1”“2”或“1、2均有可能”)得到。
例10　(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2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”)。
例11　(2025河南豫西名校联盟一模)利用如图甲所示的实验装置可以测量滑块与长木板之间的动摩擦因数,一块表面平整的长木板放在水平桌面上,然后把一根弹簧固定在木板左端O点。A与O的距离刚好等于弹簧的自然长度。滑块放在长木板上不与弹簧连接。
(1)利用手机端秒表功能,可以简易测量滑块与木板之间的动摩擦因数,让滑块压缩弹簧,然后释放滑块,运动到B点停下,测得由A到B的时间为t,用直尺测出A、B之间的距离为l,则动摩擦因数测量结果的表达式为μ=　　　　(用t、l、g表示)。
(2)由于滑块滑行时间较短,导致时间t测量误差较大,为了更精确测量动摩擦因数,在A位置放置一个光电门,同时在滑块上安装上遮光片,用20分度的游标卡尺测量遮光片宽度d,测量结果如图乙所示,则d=　　　　 mm。
例12　(2025湖南卷)某同学通过观察小球在黏性液体中的运动,探究其动力学规律,步骤如下:(1)用螺旋测微器测量小球直径D如图1所示,D=　　　　 mm。 (2)在液面处由静止释放小球,同时使用频闪摄影仪记录小球下落过程中不同时刻的位置,频闪摄影仪每隔0.5 s闪光一次。装置及所拍照片示意图如图2所示(图中的数字是小球到液面的测量距离,单位是cm)。
(3)根据照片分析,小球在A、E两点间近似做匀速运动,速度大小v=　　　　 m/s(保留2位有效数字)。 (4)小球在液体中运动时受到液体的黏滞阻力f=kDv(k为与液体有关的常量),已知小球密度为ρ,液体密度为ρ0,重力加速度大小为g,则k的表达式为k=　　 　　　(用题中给出的物理量表示)。 (5)为了进一步探究动力学规律,换成直径更小的同种材质小球,进行上述实验,匀速运动时的速度将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。