实验专题（必修第二册）（word版）-【精英1号】2025年高中物理学考笔记·知识梳理手册

必修第二册实验 　 探究平抛运动的特点 1.实验思路 化曲为直：分别研究竖直方向和水平方向分运动的规律。 2.实验过程 (1)探究竖直方向分运动特点(实验装置如图所示) ①实验目的：探究竖直方向分运动特点。 ②实验原理：对比平抛运动与自由落体运动。 ③实验器材：平抛竖落仪、2个相同的钢球。 ④实验步骤：观察对比平抛小球与自由落体小球从等高位置同时开始运动到落地时的先后情况；多次改变高度重复观察。 ⑤数据记录：用耳朵听落地时间的先后。 ⑥数据处理：如果两小球同时落地，则说明平抛运动在竖直方向上为自由落体运动。 (2)探究水平方向分运动特点(实验装置如图所示) ①实验目的：探究水平方向分运动特点。 ②实验原理：根据描绘的平抛运动轨迹和竖直方向分运动规律确定相等时间内水平方向的位移。 ③实验器材：斜槽、钢球、白纸、复写纸、刻度尺、重垂线、背板和挡板。 ④实验步骤：安装好实验装置(背板竖直、斜槽末端切线水平)；将小球多次从倾斜轨道上同一位置无初速度释放，向下平移挡板，记录下小球平抛运动时球心经过的多个位置；确定坐标原点位置，建立平面直角坐标系。 ⑤数据记录：用平滑曲线连接平抛小球经过的多个位置，得到平抛运动轨迹；从坐标原点沿y轴向下依次取y0、4y0、9y0、16y0、25y0，分别作出各点对应在水平方向x轴上的点；测量x轴上相邻各点间的距离。 ⑥数据处理：经过(1)的探究可知竖直方向为自由落体运动，通过测出的数据可知竖直方向相邻两位置位移之比为1∶3∶5∶7∶9，所以，小球在轨迹上相邻两位置运动的时间相等。如果相邻各点间的水平距离相等，则可以判断小球在水平方向上做匀速直线运动。 3.注意事项 (1)实验中必须保证通过斜槽末端点的切线水平，背板必须处在竖直面内且与小球运动轨迹所在竖直平面平行，并使小球的运动靠近背板但不接触。 (2)小球每次必须从斜槽上同一位置由静止滚下。 (3)坐标原点(小球做平抛运动的起点)不是槽口的端点，应是小球在槽口时球的球心在木板上的水平投影点。 【典例1】　[2023·浙江台州·联考]三个同学根据不同的实验装置，验证“平抛运动的规律”。 (1)甲同学采用如图甲所示的装置，用小锤击打弹性金属片，金属片把A球沿水平方向弹出，同时B球被松开自由下落，观察到两球同时落地，改变小锤打击的力度，即改变A球被弹出时的速度，两球仍然同时落地，这说明________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)乙同学采用频闪摄影的方法拍摄到如图乙所示的小球做平抛运动的照片，小球在平抛运动中的几个位置如图中的a、b、c、d所示，图中每个小方格的边长为L＝2.5 cm，则该小球经过b点时的速度大小vb＝________ m/s。(结果保留三位有效数字，g取10 m/s2) (3)丙同学采用如图丙所示的装置，安装设备和实验过程中，下列操作正确的是________。 A.槽末端必须调节为水平 B.面直角坐标系的原点建立在斜槽的末端 C.次释放小球时挡板在斜槽上的位置可任意调节 D.球上沾上墨水，让小球和纸面接触直接画出抛物线 【答案】(1)平抛运动在竖直方向上是自由落体运动　(2)1.25　(3)A 【解析】(1)在同一高度、同一时刻开始做平抛运动的小球与自由落体的小球总是同时落地，说明平抛运动在竖直方向上是自由落体运动。 (2)取a、b、c三点分析，水平方向间隔均为2L，所以小球从a点到b点、从b点到c点的时间相同，设均为T，根据匀变速直线运动规律之一，任意连续相等时间间隔位移之差为一定值，可知在竖直方向上Δy＝gT2，解得T＝0.05 s，根据水平方向为匀速运动有2L＝v0T，解得v0＝1.0 m/s，根据匀变速直线运动平均速度等于中间时刻瞬时速度可得，小球经过b点时竖直方向上的速度为vyb＝＝0.75 m/s。所以小球经过b点时的速度大小vb＝＝1.25 m/s。 (3)斜槽末端必须调节为水平，确保小球平抛运动的初速度为水平方向，故A正确；坐标系应建立在小球刚飞出时球心的位置，故B错误；由于同一个平抛运动需要多次重复实验，因此每次实验时都必须让小球在同一位置释放，确保小球运动轨迹一样，故C错误；平抛运动小球应只受重力，如果让小球上沾上墨水，小球和纸面接触后会产生摩擦力，就不是平抛运动了，故D错误。故选A。 探究向心力大小与物体的质量、角速度和轨道半径的关系 1.实验装置：如图所示的向心力演示器。 匀速转动手柄1，可以使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球也随着做匀速圆周运动。使小球做匀速圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供。球对挡板的反作用力，通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8。根据标尺8上露出的红白相间等分标记，可以粗略计算出两个球所受向心力的比值。 2.验思路：采用控制变量法 (1)在小球的质量和圆周运动的半径不变的条件下，改变小球的角速度。 (2)在小球的质量和角速度不变的条件下，改变小球做圆周运动的半径。 (3)在角速度和半径不变的条件下，换用不同质量的小球。 3.据处理 分别作出Fn­ω2、Fn­r、Fn­m的图像。 4.验结论 (1)在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度的二次方成正比。 (2)在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与半径成正比。 (3)在半径和角速度一定的情况下，向心力的大小与质量成正比。 【典例2】　[2023·浙江金华·联考]小吴同学用如图甲所示的实验装置来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，塔轮自上而下有三层，每层左右半径之比由上至下分别是1∶1、2∶1和3∶1(如图乙所示)。左右塔轮通过不打滑的传动皮带连接，并可通过改变传动皮带所处的层来改变左右塔轮的角速度之比，实验时，将两个小球分别放在短槽的C处和长槽的A(或B)处，A、C分别到左右塔轮中心的距离相等，B到左塔轮中心的距离是A到左塔轮中心距离的2倍，转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮一起匀速转动，槽内的球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对球的压力提供了向心力，球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格显示出两个小球所受向心力的比值。请回答相关问题。 (1)在某次实验中，小吴同学把两个质量相等的钢球放在B、C位置，将传动皮带调至第一层塔轮，转动手柄，观察左右标出的刻度，此时可研究向心力的大小与________的关系。 A.量m B.速度ω C.半径r (2)若传动皮带套在塔轮第三层，则塔轮转动时，A、C两处的角速度之比为________。 (3)在另一次实验中，小吴同学把两个质量相等的钢球放在A、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________。 【答案】(1)C　(2)1∶3　(3)1∶4 【解析】(1)第一层皮带传送时线速度相等且半径相等，则两盘转动的角速度相等，将质量相等的两个小球分别放置在挡板B和C处，就能保证有不同的半径，根据Fn＝mω2r，可知探究的是向心力和半径的关系。故选C。 (2)若传动皮带套在塔轮第三层，同一皮带的线速度相等，而两轮的半径之比为3∶1，由v＝ωR可知，两塔轮的角速度之比为1∶3。 (3)两个球的质量m相等，传动皮带位于第二层时因两轮的半径R之比为2∶1，则由v＝ωR可知，两塔轮的角速度之比为1∶2；A、C分别到左右塔轮中心的距离相等即转动时的半径r相等，根据Fn＝mω2r可知向心力之比为1∶4，左右两标尺露出的格子数可以表示向心力的大小，则格子数之比为1∶4。 验证机械能守恒 1.实验原理 (1)采用的运动形式：自由落体运动。 (2)验证的关系式：mgh1＋mv＝mgh2＋mv或mgΔh＝mv－mv。 (3)速度计算：vn＝。 2.实验器材 铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交变电源(约为8 V)等。 3.实验步骤 (1)安装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。 　 (2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后放手，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3～5条打好点的纸带。 (3)选纸带：从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2 mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3、… (4)测距离：用刻度尺测出0到1、2、3、…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3、…如图乙所示。 4.数据分析 根据选定的实验方案设计相应的表格记录实验数据。计算重力势能的减少是否等于动能的增加。 5.注意事项 (1)打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以减小摩擦阻力。 (2)重物密度大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 (3)一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带，让重物下落。 (4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来计算。 6．误差分析：下落过程中存在各种阻力(系统误差)；计数点之间的长度测量(偶然误差)。 【典例3】　[2023·浙江杭州·阶段练习]用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带通过打点计时器，打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。已知当地重力加速度为g。 (1)下面列举了该实验的几个操作步骤： A.按照图示安装好实验器材并连接好电源 B.先打开夹子释放纸带，再接通电源开关打出一条纸带 C.测量纸带上某些点间的距离 D.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能 其中操作不当的步骤是________(选填步骤前的字母)。 (2)如图所示，选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E，测量出点B距起始点O的距离为s0，点B、C间的距离为s1，点C、D间的距离为s2，若相邻两点的打点时间间隔为T，重锤质量为m，根据这些条件计算重锤从O下落到C时的重力势能减少量ΔEP＝________，动能增加量ΔEk＝________；在实际计算中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)某同学利用图中纸带，先分别测量出从A点到B、C、D、E、F、G点的距离h(其中F、G点为E点后连续打出的点，图中未画出)，再计算打出B、C、D、E、F各点时重锤下落的速度v和v2，绘制v2­h图像，并求得图线的斜率为k，如图所示。请说明如何根据图像验证重锤下落过程中机械能是否守恒？________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 【答案】(1)B　(2)mg(s0＋s1)　　 　由于空气阻力和摩擦阻力的存在，使得一部分重力势能转化为内能　(3)v2­h图像应为一条不过原点且斜率接近2g的直线 【解析】(1)其中操作不当的步骤是B，正确操作应该是先接通电源，再打开夹子释放纸带，打出一条纸带。 (2)重锤从O下落到C时的重力势能减少量为mg(s0＋s1)，根据匀变速直线运动中间时刻速度等于该段过程的平均速度，则有vC＝＝，重锤从O下落到C时的动能增加量为mv－0＝。 在实际计算中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是由于空气阻力和摩擦阻力的存在，使得一部分重力势能转化为内能。 (3)设A点的速度为vA，若重锤下落过程机械能守恒，则有mgh＝mv2－mv，可得v2＝2gh＋v。可知当v2­h图像为一条不过原点且斜率接近2g的直线，则可判断重锤下落过程机械能守恒。 学科网（北京）股份有限公司 $$