2025-2026学年高中物理竞赛课件：第十六课 实验专题（实验1-9）

物理清北班——筑基阶段 教师：林志敏 第十六课：实验专题（实验1-9） 1 实验1 测量做直线运动物体的瞬时速度 一、实验设备及装置图   如图乙所示,将纸带跟小车连接在一起,并穿过打点计时器,纸带上的点记录了小车的运 动时间和在不同时刻的位置信息。   二、操作要领及注意事项 1.操作要领 (1)平行:细绳、纸带与长木板平行。 (2)靠近:小车释放前,应靠近打点计时器的位置。 (3)先后:实验时先接通电源,后释放小车;实验后先断开电源,后取下纸带。 (4)防撞:小车到达滑轮前让其停止运动,防止与滑轮相撞或掉下桌面摔坏。 (5)适当:悬挂槽码要适当,避免纸带打出的点太少或过于密集。 2.注意事项 (1)不需要平衡摩擦力。 (2)不需要满足悬挂槽码质量远小于小车质量。 (3)区分计时点和计数点:计时点是指打点计时器在纸带上打下的点。计数点是指测量 和计算时在纸带上人为所选取的点。 点拨提醒       三、数据处理 1.由纸带判断物体做匀变速直线运动的方法 如图所示,0、1、2、…为时间间隔相等的各计数点,x1、x2、x3、…为相邻两计数点间 的距离,若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=C(常量),则说明与纸带相连的物体的运动为匀变速直线 运动。   2.由纸带求物体速度的方法 匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度,即vn=  。 3.利用纸带求物体加速度的两种方法 (1)用逐差法求加速度   a1= ,a2= ,a3= ,则a= = 。 (2)用图像法求加速度 即先根据公式vn= 求出所选的各计数点对应的瞬时速度,后作出v-t图像,图线的 斜率等于物体的加速度。 四、误差分析及改进措施 1.利用平均速度来代替运动物体在某计数点对应的瞬时速度会带来系统误差。为了减 小误差,应取以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度。 2.分段测量计数点间的距离会带来误差。减小此误差的方法:一次测出各计数点到起 始计数点的距离,再分别计算出各计数点间的距离。 3.为减小作图时产生的偶然误差,应选取合适的坐标单位,利用坐标纸作图。 实验2 探究弹簧弹力与形变量的关系 返回目录 一、实验原理和装置图   在弹簧下端悬挂钩码,平衡时记下弹簧的总长度和钩码重力。改变钩码的个数,重复上 述实验过程,将数据填入表格,分析弹力大小与弹簧的形变量之间的关系。 返回目录 二、操作要领及注意事项 1.如何控制钩码质量:所挂钩码不要过重,以免弹簧被过度拉伸,超出弹簧的弹性限度。 2.如何测量弹簧的原长:考虑弹簧自身受重力的影响,实验时要将弹簧竖直悬挂测量原 长,不可以将弹簧放置在水平桌面上测量原长。 3.如何测量弹簧的长度:一定要在弹簧竖直悬挂且处于稳定状态时测量弹簧的长度,刻 度尺要保持竖直并靠近弹簧,以免增大读数误差。 4.如何作图:坐标轴标度要适中,单位要标注。(横坐标x是指形变量,不是长度)描点画线 时,所描的点不一定都落在一条直线上,但应注意一定要使各点均匀分布在直线的两 侧。 返回目录 三、数据处理方法 图像法 根据测量数据,在建好直角坐标系的坐标纸上描 点。以弹簧的弹力F为纵轴,弹簧的形变量x为横 轴,根据描点的情况,作出一条直线 列表法 将实验数据填入表中,研究测量的数据,可发现在 实验误差允许的范围内,弹力与弹簧形变量的比值 不变 函数法 根据实验数据,找出弹力与弹簧形变量的函数关系 返回目录 四、误差分析 1.钩码标值不准确、弹簧长度测量不准确及画图时描点连线不准确等都会引起实验误 差。 2.悬挂钩码数量过多,导致弹簧的形变过大,超出其弹性限度,不再符合胡克定律(F=kx), 故图像发生弯曲,如图甲所示。        3.水平放置弹簧测量其原长,由于弹簧有自重,将其悬挂起来后会有一定的伸长量,故图 返回目录 像横轴截距不为0,如图乙所示。 五、改进方案 方案一　横向测量   弹簧水平放置,消除弹簧自身重力对原长测量的影响,减小测量误差。 返回目录 方案二　实验仪器的改进 返回目录   实验3 探究两个互成角度的力的合成规律 返回目录 一、实验原理及装置图 互成角度的两个力F1和F2共同作用的效果与一个力F'单独作用的效果相同。若用平行 四边形定则将F1和F2合成后的力F与F'相差不大,则说明力的平行四边形定则成立。        返回目录 二、操作步骤 1.等效:同一次实验中两次把橡皮条拉长后的结点(小圆环)所处的位置O点必须保持不 变。 2.拉力:沿弹簧测力计轴线方向拉(与板面平行),两分力F1、F2的夹角不要太大或太小。 3.记录:记下每次各力的大小和方向,标记方向的两点离O点尽量远些。 4.作图:按力的图示的要求作出平行四边形。注意同一标度。 三、数据处理 1.用铅笔和刻度尺从O点沿两个细绳套方向画直线,按选定的标度作出这两个弹簧测力 计的拉力F1和F2的图示,作平行四边形,过O点画对角线,即合力F的图示。 2.用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出只用一个弹簧测力计时拉力F'的图 返回目录 示。 四、注意事项 1.弹簧相同:使用弹簧测力计前,要先调整指针使其指在零刻度线处,再将两个弹簧测力 计的挂钩钩在一起,向相反方向拉,示数相同方可使用。 2.长度合适:实验中的两个细绳套不要太短。 3.位置不变:在同一次实验中,橡皮条拉长时结点到达的位置一定要相同。 4.角度合适:用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时,其夹角不宜太小,也 不宜太大,以60°~120°为宜。 5.同一平面:在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。弹簧测力计中 返回目录 弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内。 6.统一标度:画力的图示选定的标度要相同,要恰当选定标度,使力的图示稍大一些。 五、误差分析 1.弹簧测力计使用前没调零会造成误差。 2.使用中,弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧测力计外壳和纸面 之间有摩擦存在会造成误差。 3.两次测量拉力时,橡皮条的结点没有拉到同一点会造成误差。 4.读数时眼睛一定要正视,要按有效数字的保留规则正确读数和记录,否则会造成误 差。 返回目录 5.在应用平行四边形定则作图时,F1、F2及F作图不准确造成误差。 六、改进方案 方案一　如图甲所示,使用汇力圆环,每次将汇力圆环拉至定位圆,方便确定力的方向, 作图更直观。 返回目录 方案二　如图乙所示,通过改变钩码个数来改变力,力的大小可以通过计算钩码个数得 到,无需用弹簧测力计测量,也无需保证每次结点位置相同。   返回目录 实验4 探究加速度与物体受力、物体质量的关系 返回目录 一、实验原理及装置图 实验装置如图所示,用控制变量法先保持F不变,探究a和M的关系,再保持M不变,探究a 返回目录 和F的关系。加速度可以根据纸带上打出的点测量,拉力近似等于槽码的重力。 二、操作要领及注意事项 1.如何平衡阻力:按图安装实验器材,先不要悬挂槽码,给小车一初速度,若小车恰好能做 匀速直线运动(纸带点迹分布均匀),则说明平衡了小车受的阻力。实验过程中要求细 线与长木板平行,不用重复进行平衡阻力。 2.槽码和小车的质量应满足什么关系:由于本实验中把槽码的总重力大小mg看成小车 受到的拉力大小F,所以需要使槽码的质量远小于小车的质量(若使用力传感器测拉力F 或以小车和槽码整体为研究对象,则无需满足此要求)。 3.实验操作时需要注意哪些细节:改变拉力或小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近 返回目录 打点计时器,先接通电源,后释放小车,且在小车到达滑轮前按住小车。 三、数据处理(如图所示)  　      1.利用Δx=aT2求加速度。 2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点连线,如果图线为一条过原点的倾斜直 线,说明a与F成正比。 3.以a为纵坐标, 为横坐标,描点连线,如果图线为过原点的倾斜直线,就能判定a与M成 返回目录 反比。 4.a-F、a- 图像的可能情形及对应原因  　      (1)若平衡阻力时木板垫起的倾角过小,则a-F、a- 图像如图甲、乙中①②所示。 (2)若平衡阻力时木板垫起的倾角过大,则a-F、a- 图像如图甲、乙中③④所示。 返回目录 (3)若实验中没有满足M远大于m,则a-F、a- 图像如图丙、丁所示。  　      四、误差分析 1.拉力数据误差:由于将槽码的重力mg当作细线的拉力,而实际重力mg大于拉力F。 2.阻力补偿误差:若长木板坡度调节不合理,可能导致作出的图线不经过坐标原点。 返回目录 五、改进方案 1.实验器材的创新   2.测量拉力的创新 返回目录 弹簧测力计(或力传感器)可直接测量绳的拉力,不必保证小车质量远大于钩码的总质 量。 3.减小测量误差的创新   位移传感器、光电门和速度传感器可以更加精确地测出小车的位移或瞬时速度。 返回目录 实验5 探究平抛运动的特点 返回目录 一、实验原理及装置图   把钢球从同一位置由静止释放,钢球沿着斜槽滚下并被水平抛出,落在挡板上,通过复写 纸在竖直的坐标纸上留下印迹,逐次下调挡板,重复以上操作得到钢球的一系列运动点 迹。 返回目录 二、操作要领及注意事项 1.装置调节有什么要求:平板必须处于竖直面内;斜槽末端的切线必须水平。 2.如何进行实验操作:小球每次必须从斜槽上同一位置由静止释放;开始滚下的位置高 度要适中,以使小球做平抛运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角为宜。 3.如何进行作图:坐标原点不是槽口的端点,应是小球出槽口时小球球心在平板上的投 影点;点迹要用平滑曲线连接(不能用折线)。 三、数据处理 1.判断是否为抛物线:在轨迹曲线上取几点,读出各点坐标值,若各点坐标满足y=ax2,a为 一特定值,说明轨迹为抛物线。 返回目录 2.计算平抛运动的初速度 (1)平抛轨迹完整(即含有抛出点) 在轨迹上任取一点,测出该点与坐标原点的水平距离x及竖直距离y,就可求出初速度v 0。x=v0t,y= gt2,故v0=x 。 (2)平抛轨迹残缺(即无抛出点) 在轨迹上任取三点A、B、C(如图所示),使A、B间及B、C间的水平距离相等,设为x,由 平抛运动的规律可知,在A、B间运动与在B、C间运动所用时间相等,设为t,重力加速度 为g,则Δh=hBC-hAB=gt2,所以t= ,初速度v0= =x 。 返回目录   四、误差分析及改进措施 1.钢球做平抛运动时受空气阻力影响。选用质量大、体积小、表面光滑的钢球可以减 小因此产生的误差。 2.钢球每次滚下的初位置不完全相同;斜槽末端切线不完全水平;建立坐标系时,坐标原 点的选取有些许偏差。规范进行实验操作,可以减小因此产生的误差。 返回目录 五、其他实验方案 方案一　对比实验法  　      1.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 球被松开而自由下落,判断相同的两球是否同时落地(听声音判断)。若两球同时落地, 说明平抛运动的竖直分运动为自由落体运动。 2.采用如图乙所示的装置,两个相同的弧形轨道M、N,其中N的末端可看成与光滑的水 返回目录 平板相切,使相同的两小球以相同的初速度v0同时分别从轨道M、N的末端射出。若两 球在P球落地时相碰,说明平抛运动的水平分运动为匀速直线运动。 方案二　通过频闪照相(或视频录制)记录轨迹 如图丙所示,通过频闪照片得到小球经过相等时间间隔所到达的位置,测量出经过T,2T, 3T,…时间小球做平抛运动的水平位移和竖直位移,分析数据得出小球水平分运动和竖 直分运动的特点。 返回目录 方案三　通过传感器探究平抛运动的特点 如图丁所示,物体A在做平抛运动,向各个方向同时发射超声波脉冲和红外线脉冲。超 声-红外接收装置B与计算机相连,计算机可以即时给出A的位置坐标,分析坐标探究运 动特点。 返回目录 实验6 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 返回目录 一、实验原理及装置图 1.调整塔轮上的皮带,使其套到半径大小不同的塔轮上,改变长、短槽旋转角速度之 返回目录 比。 2.将小球放在长槽不同的卡位上,改变小球做圆周运动的半径。 3.小球对挡板的作用力通过杠杆结构使弹簧测力套筒下降,露出标尺。通过标尺上等 分格的数量,可以粗略计算出两个小球所需向心力的比值。 二、操作要领及注意事项 1.控制变量法探究 (1)使两小球的质量、转动的半径相同,探究向心力的大小跟转动的角速度的定量关 系。 (2)使两小球的质量、转动的角速度相同,探究向心力的大小跟转动半径的定量关系。 返回目录 (3)使两小球的转动半径、转动的角速度相同,探究向心力的大小跟质量的定量关系。 2.转速控制:摇动手柄时应缓慢加速,注意观察标尺的格数。达到预定格数时,保持转速 恒定。 三、数据处理 分别作出Fn-ω2、Fn-r、Fn-m图像,分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系, 并得出结论。 四、其他实验方案 方案一　用绳和沙袋定性研究 如图所示,在绳子的一端拴一个小沙袋(或其他小物体),另一端握在手中。将手举过头 返回目录 顶,使沙袋在水平面内做匀速圆周运动,此时沙袋所需向心力近似等于绳对沙袋的拉 力。   方案二　用力传感器和光电门传感器探究 返回目录 使用光电门传感器和力传感器,并将其接入数据采集器,根据单位时间挡光杆通过光电 门传感器的次数得到角速度,系统将自动记录砝码向心力的大小F,从而分析出向心力 与质量、转动半径、角速度的关系。 返回目录   实验7 验证机械能守恒定律 返回目录 一、实验原理及装置图        求出重物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。 二、操作要领及注意事项 1.如何安装打点计时器和纸带:使两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦力;纸带沿竖直 方向拉直。 返回目录 2.如何选择重物:选用密度大、体积小的重物。 3.实验操作时应注意哪些细节:实验时,应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开 纸带,让重物从靠近打点计时器处下落。 4.如何进行速度的计算:速度不能用v=gt或v= 计算,应根据纸带上测得的数据,利用 vn= 计算。 三、数据处理 1.方法一　利用起始点和第n个点 返回目录 选择开始的两点间距接近2 mm的一条纸带,选取打的第一个点为起始点,在实验误差允 许范围内若满足mghn= m ,则机械能守恒定律得到验证。 2.方法二　任取两点A、B 如果在实验误差允许范围内满足mghAB= m - m ,则机械能守恒定律得到验证。 3.方法三　图像法 在实验误差允许范围内若 v2-h图线是一条过原点且斜率为g的倾斜直线,则机械能守 恒定律得到验证。 返回目录 四、误差分析 1.系统误差 (1)产生原因:本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计 时器阻力)做功,故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp。 (2)改进的方法:调整器材的安装,尽可能地减小阻力等。 2.偶然误差 (1)产生原因:本实验在长度测量时会产生误差。 (2)减小误差的方法:测下落距离时都从起始点量起,一次将各点对应的下落高度测量 完,或者多次测量取平均值来减小误差。 返回目录 五、其他方案 方案一　利用数据采集器研究动能和重力势能转化所遵循的规律 转换测量物理量:改变θ角,通过细线拉力最大值和最小值的关系图像验证机械能守恒 定律。 Tmax-mg= 、Tmin=mg cos θ,若机械能守恒,则有mg(l-l cos θ)= mv2,从而得到Tmax=3mg-2 Tmin。 返回目录 方案二　用定滑轮验证系统机械能守恒   返回目录 方案三    研究弹性势能与动能变化量之间的关系   返回目录 实验8 验证动量守恒定律 返回目录 一、实验原理及装置图   在一维碰撞中,测出相碰的两球的质量m1、m2和碰撞前后球的速度,计算得出碰撞前的 返回目录 动量p=m1v0及碰撞后的动量p'=m1v1+m2v2,验证碰撞前后的动量是否相同。 如图所示,在此实验装置图中,由于平抛运动时间相等,有碰撞前的动量与时间的乘积pt =m1v0t及碰撞后的动量与时间的乘积p't=m1v1t+m2v2t,因此只要验证m1sOP=m1sOM+m2sO'N,即 可验证动量守恒定律。 二、操作要领及注意事项 1.需要测量哪些物理量:两小球质量以及水平位移。 2.如何选择小球:本实验方案不需要两球大小相同,但需要调节支球柱的高度,以保证两 球能发生正碰。若不使用支球柱,则需要两球大小相同。为使入射球碰撞不被弹回且 不静止,需要入射球质量大于靶球质量。 返回目录 3.如何安装斜槽:斜槽不要求光滑,但斜槽末端必须水平。 4.如何控制起点位置:每次让入射球从斜槽上同一位置由静止滚下。 三、数据处理 让入射球从同一位置释放,测出不发生碰撞时入射球飞出的水平距离sOP,再测出入射 球、靶球碰撞后分别飞出的水平距离sOM、sO'N,只要验证m1sOP=m1sOM+m2sO'N,即可验证动 量守恒定律。若m1 =m1 +m2 也成立,说明两球的碰撞是弹性碰撞。 四、减小误差的方法 1.小球落点的确定:画尽量小的圆把尽可能多的小球落点圈在里面,圆心就是小球落点 的平均位置。 返回目录 2.水平位移的测量:本实验中的O点和O'点分别为斜槽末端的正下方和靶球球心的正下 方,O点可通过铅垂线在白纸上直接画出,而O'点不可以直接画出,需通过测量确定,O、 O'两点间距离为两小球半径之和,而半径的测量存在误差,同时水平位移的测量也会存 在误差,测量半径和水平位移时可通过多次测量取平均值的方法减小误差。 五、其他实验方案 方案一　利用滑块和气垫导轨完成实验(如图所示)   本方案在气垫导轨上进行,阻力小,测量速度时产生的误差小。 返回目录 方案二　利用斜槽末端小球的碰撞在斜面上完成实验(如图所示)   本方案小球抛出点相同,无须使用铅垂线确定O点的位置。 返回目录 实验9 用单摆测量重力加速度 返回目录 一、实验原理及装置图   当摆角较小时,单摆做简谐运动,其运动周期T=2π ,由此得到g= 。 二、操作要领及注意事项 1.如何制作单摆:摆线顶端不能晃动,需用夹子夹住;摆线不可伸缩;摆球应选用质量 返回目录 大、体积小的金属球。 2.如何测量摆长:应在摆球自然下垂时用毫米刻度尺测量摆线长,摆长为摆线长与摆球 半径之和。 3.如何计时并计算周期:单摆必须在同一竖直平面内摆动,且摆角小于5°;当摆球摆到平 衡位置处开始计时,记录N次全振动的时间t,周期T= 。 三、数据处理 1.公式法:利用T= 求出周期,然后利用公式g= 求出一次实验的重力加速度,再求多 次实验的重力加速度,然后取平均值。 返回目录 2.图像法:根据测出的一系列摆长l对应的周期T,作l-T2图像,由单摆周期公式得l= T2, 图线应是一条过原点的倾斜直线,如图所示,求出图线的斜率k,即可利用g=4π2k求重力 加速度。   返回目录 四、误差分析 项目 产生原因 减小方法 偶然 误差 测量时间(单摆周期)及摆长时产 生误差 (1)多次测量取平均值 (2)从单摆经过平衡位置时开始 计时 系统 误差 主要来源于单摆模型本身 (1)摆球要选体积小、密度大的 金属球 (2)最大摆角不超过5° 返回目录 五、其他方案 方案一    如图甲、乙所示,使用力传感器显示绳子拉力大小,根据拉力变化的周期性,可 以测出单摆周期,进而得到重力加速度大小。  　      方案二    如图丙所示,将小球磁化,使用智能手机感知磁性强弱,根据磁性强弱变化的周 期性测出单摆周期,进而得到重力加速度大小。 返回目录   丙 返回目录 $