重难点14 力学实验-2024年高考物理【热点·重难点】专练（新高考专用）

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1.命题情境具有一定的问题性、真实性、探究性或开放性。试题的任务情境呈现出类型多样、、具有一定复杂程度和开放性等特点的真实情境。
2. 命题中实验资源不仅限于实验室的现有仪器和设备，日常用品、废旧材料也是重要的实验室资源。实验考查经常利用日常用品和材料来替代实验材料，其实验现象更明显、直观，或者利用这些材料创新物理实验，引导学生有更多动手做实验的机会，更多亲历实验演示的机会。
3. 命题中更多出现数字实验，创新实验方式等数字实验室系统，它们利用传感数据采集器等收集实验数据，用计算机软件分析实验数据、得出实验结论。试题经常出现利用数字实验或云技术平挥决一些用常规方法难以实现的疑难实验，或利用手机等信息技术工具捷地解决某些物理学习问题。
4.依据全国范围真题特点，实验考查的知识范围为课标要求必做的 21个实验，同时结合创新情境或装置注重考查实验方法的迁移和灵活运用。复习期间，除了需要巩固对实验基本能力点(器材基本使用、仪器读数、数据原理分析)外，还需要对创新实验进一步练习，达到知识灵活迁移的目标。试题命题还呈现出实验目的的生活化，实验器材的生活化等特点。
一、速度与加速度的测量
①利用平均速度求瞬时速度：vn＝eq \f(xn＋xn＋1,2T)＝eq \f(dn＋1－dn－1,2T).
②利用逐差法求解平均加速度
a1＝eq \f(x4－x1,3T2)，a2＝eq \f(x5－x2,3T2)，a3＝eq \f(x6－x3,3T2)⇒a＝eq \f(a1＋a2＋a3,3)＝eq \f(x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3,9T2).
③利用速度—时间图像求加速度
a．作出速度—时间图像，通过图像的斜率求解物体的加速度；
b．剪下相邻计数点的纸带紧排在一起求解加速度．
二、胡克定律实验原理
(1)如图所示，弹簧下端悬挂钩码时会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等．
(2)用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力下的伸长量x，建立直角坐标系，以纵坐标表示弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验所测得的各组(x，F)对应的点，用平滑的曲线连接起来，根据实验所得的图线，就可探知弹力大小与形变量间的关系．
三、平行四边形定则实验原理
(1)等效法：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以一个力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的图示，如图所示．
(2)平行四边形定则：根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示．
(3)验证：比较F和F′的大小和方向，若在误差允许的范围内相等，则验证了力的平行四边形定则．
四、牛顿第二定律实验原理
(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系．
(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系．
(3)作出a－F图像和a－eq \f(1,m)图像，确定a与F、m的关系．
五、平抛运动实验原理
计算平抛物体的初速度
情景1：若原点O为抛出点，利用公式x＝v0t和y＝eq \f(1,2)gt2即可求出多个初速度v0＝xeq \r(\f(g,2y))，最后求出初速度的平均值，这就是做平抛运动的物体的初速度．
情景2：若原点O不是抛出点
①在轨迹曲线上取三点A、B、C，使xAB＝xBC＝x，如图所示．A到B与B到C的时间相等，设为T.
②用刻度尺分别测出yA、yB、yC，则有yAB＝yB－yA，yBC＝yC－yB.
③yBC－yAB＝gT2，且v0T＝x，由以上两式得v0＝xeq \r(\f(g,yBC－yAB)).
六、向心力实验原理
本实验探究了向心力与多个物理量之间的关系，因而实验方法采用了控制变量法，如图所示，匀速转动手柄，可以使塔轮、长槽和短槽匀速转动，槽内的小球也就随之做匀速圆周运动，此时小球向外挤压挡板，挡板对小球有一个向内的(指向圆周运动圆心)的弹力作为小球做匀速圆周运动的向心力，可以通过标尺上露出的红白相间等分标记，粗略计算出两球所需向心力的比值．
在实验过程中可以通过两个小球同时做圆周运动对照，分别分析下列情形：
(1)在质量、半径一定的情况下，探究向心力大小与角速度的关系．
(2)在质量、角速度一定的情况下，探究向心力大小与半径的关系．
(3)在半径、角速度一定的情况下，探究向心力大小与质量的关系．
七、机械能守恒定律实验原理
通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和对应过程动能的增加量，在实验误差允许范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律．
八、动量守恒定律实验原理
在一维碰撞中，测出相碰的两物体的质量m1、m2和碰撞前、后物体的速度v1、v2、v1′、v2′，算出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前、后动量是否相等．
九、单摆测重力加速度原理
当摆角较小时，单摆做简谐运动，其运动周期为T＝2πeq \r(\f(l,g))，由此得到g＝eq \f(4π2l,T2)，因此，只要测出摆长l和振动周期T，就可以求出当地的重力加速度g的值．
（建议用时：30分钟）
1．如图所示的实验装置可以用来验证机械能守恒定律，弹簧上端连接一个力传感器，力传感器固定在铁架台横梁上，弹簧下端连接一枚钢球。钢球上固定一个挡光片，钢球和挡光片总质量为m。调整两个光电门的位置，使得钢球由静止释放后能够通过光电门A和光电门B。测出光电门A、B与弹簧自然状态时最下端距离分别为、，重力加速度g。
（1）用螺旋测微器测量光电门挡光片厚度如图所示，则光电门挡光片厚度 ．
（2）实验过程中测得遮光片经过光电门A、B时力传感器的读数分别为、，遮光片经过光电门A、B时的挡光时间分别为、，若则表明小球从A到B过程动能 （填“增加”或“减少”）
（3）小球从光电门A运动到光电门B的过程中，由于弹簧弹力与伸长量成正比，可用平均力计算克服弹力所做的功 ；然后根据实验数据得出小球机械能减少量，比较W和，若两者在误差范围内近似相等，则小球和弹簧组成的系统机械能守恒。
【答案】 2.040/2.041 增加
【解析】（1）[1]螺旋测微器的分度值为，则遮光片厚度为
由于最后一位是估读，所以读数为或均可。
（2）[2]钢球经过光电门的速度
为挡光片的宽度，因为挡光时间，所以钢球经过A的速度小于经过B的速度，所以小球从A到B，动能增加了。
（3）[3]小球从光电门A运动到光电门B的过程中，弹性势能改变量
2．某同学为了测量小物块与木板间的动摩擦因数，就地取材设计了如下实验。

实验步骤：
（1）如图甲所示，选择合适高度的垫块，使木板的倾角为37°，在其上表面固定一把与小物块下滑路径平行的刻度尺（图中未画出）。
（2）调整手机使其摄像头正对木板表面，开启视频录像功能。将小物块从木板顶端释放，用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况。然后通过录像的回放，选择小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点，得到小物块相对于该点的运动距离L与运动时间t的数据。
（3）该同学选取部分实验数据，画出了图像，如图乙所示。由图像可得，物块过测量参考点时的速度大小为 m/s，小物块下滑的加速度大小为 m/s2。（结果均保留两位有效数字）

（4）根据上述数据，可得小物块与木板间的动摩擦因数为 。（结果保留两位有效数字，当地的重力加速度大小为9.8m/s2，sin37°=0.60，cs37°=0.80）
【答案】 0.25 2.9 0.39
【解析】（3）[1]物块匀加速下滑，经过参考点开始计时，由运动学公式有
变形得
即题图乙中图线的纵截距表示通过参考点时速度的2倍，则
[2]图线的斜率表示物块的加速度，则加速度大小为
（4）[3]物块沿斜面下滑过程中，由牛顿第二定律有
代入数据解得
3．某小组同学用如图甲所示的DIS二维运动实验系统研究单摆在运动过程中机械能的转化和守恒（忽略空气阻力），实验时，使发射器（相当于摆球）偏离平衡位置后由静止释放，使其在竖直平面内摆动，系统每隔0.02s记录一次发射器的位置，多次往复运动后，在计算机屏幕上得到的发射器在竖直平面内的运动轨迹如图乙所示，在运动轨迹上选取适当区域后，点击“计算数据”，系统即可计算出摆球在所选区域内各点的重力势能、动能，并绘出对应的图线，如图丙所示。（当地的重力加速度g=10m/s2）
（1）此单摆的周期为 s；
（2）在图丙中画出0~0.50s内摆球机械能的变化关系图线 ；
（3）发射器的质量为 kg（此结果保留两位有效数字）。
【答案】 1.12 0.058/0.059/0.060#0.061/0.062
【解析】（1）[1]从平衡位置出发，一个周期内，两次通过平衡位置，由图丙可知，此单摆周期为
（2）[2]摆球摆动过程中只有重力做功，其机械能守恒，则机械能不变，如图所示
（3）[3]在丙图取0.3s时刻可得
解得
m=0.060kg
由于读数误差可取范围为0.058~0.062。
4．传感器在现代生活中有着广泛的应用。某学习小组利用传感器研究“小车（含拉力传感器）质量一定时，加速度与合外力关系”，实验步骤如下：
①细绳一端绕在电动机上，另一端系在拉力传感器上。将小车放在长板的位置，调整细绳与长板平行，启动电动机，使小车沿长板向下做匀速运动，记录此时拉力传感器的示数；
②撤去细绳，让小车从位置由静止开始下滑，设此时小车受到的合外力为，通过位移传感器可得到小车与位移传感器的距离随时间变化的图像，并求出小车的加速度。
（1）某段时间内小车的图像如图乙，根据图像可得小车的加速度大小为 （计算结果保留两位小数）。
（2）实验中（不增加实验器材）只需要改变图甲中 ，重复步骤①②可得多组、的数据，就能完成相关实验内容。
（3）某次实验中步骤①拉力传感器的示数，小车（含拉力传感器）质量为，长板与水平面的夹角为，重力加速度为，则小车与斜面的动摩擦因数表达式为 。（用、、、表示）
【答案】 2.60 垫块的位置（或长板与水平面的夹角）
【解析】（1）[1]小车内的位移为
小车相邻相等时间内的位移差为
根据匀变速直线运动的推论
得小车的加速度大小为
（2）[2]垫块的位置（或长板与水平面的夹角）
（3）[3]由①中小车匀速下滑时，由平衡条件得
②中小车加速下滑时，由受力分析可得
联立可得
又
解得
5．（2023·四川泸州·统考一模）某实验小组利用无线力传感器和光电门传感器探究“动能定理”。将无线力传感器和挡光片固定在小车上，用不可伸长的细线通过一个定滑轮与重物相连，无线力传感器记录小车受到拉力的大小。在水平轨道上A、B两点各固定一个光电门传感器，用于测量小车的速度v1和v2，如图所示。在小车上放置砝码来改变小车质量，用不同的重物来改变拉力的大小。

实验主要步骤如下：
（1）测量小车和拉力传感器的总质量M1。正确连接所需电路，接下来 （填“需要”或“不需要”）平衡小车的摩擦力。
（2）按合理要求操作后，把细线的一端固定在力传感器上，另一端通过定滑轮与重物相连；将小车停在点C，由静止开始释放小车，小车在细线拉动下运动，除了光电门传感器测量速度和力传感器测量细线拉力的数据以外，还应该测量的数据是 ；
（3）改变小车的质量或重物的质量，重复（2）的操作。下表是实验所得的部分数据。
（4）表格中M是M1与小车中砝码质量之和，为小车、拉力传感器及车中砝码的动能变化量，F是拉力传感器的拉力，W是F在A、B间所做的功。表中的= J，W3= J（结果均保留三位有效数字）。
（5）该小组组员发现每组数据始终有W