第16讲 力学实验(复习讲义)-【优化探究】2026年高考物理二轮专题复习配套课件（广东专版）

专题七　实验 第16讲　力学实验 [高考素养]　1.会使用刻度尺、秒表、打点计时器、游标卡尺、螺旋测微器测量有关数据。2.熟悉教材中的力学实验原理、实验过程,会操作有关实验,会进行数据处理、误差分析,并会借助基本实验分析创新实验。 课堂巩固　强化关键能力 考点一　纸带类（频闪照片）和光电门类实验 考点二　“橡皮条、弹簧”类实验 考点三　“小球”类实验 内容索引 考点四　创新力学实验 考点一　纸带类（频闪照片）和光电门类实验 一 5 1.数据的处理方法 (1)纸带(频闪照片) 注:频闪照片中物体的像与纸带上的点类似,频闪照片数据的处理方法与纸带的处理方法一样。 名师点拨:处理纸带问题的要点是打点的时间间隔相同,打点距离与运动情况有关。如果是匀变速直线运动,则可以根据其规律求出对应物理量。注意纸带运动方向的判断。 (2)光电门 2.教材原型实验汇总 实验 装置图 实验操作 数据处理 探究小车速度随时间变化的规律 (1)细绳与长木板平行 (2)释放前小车应靠近打点计时器 (3)先接通电源,再释放小车,打点结束后先切断电源,再取下纸带 (4)槽码质量适当 (1)判断物体是否做匀变速直线运动 (2)利用一段时间内的平均速度求中间时刻的瞬时速度 (3)利用逐差法求平均加速度 (4)作出速度—时间图像,通过图像的斜率求加速度 实验 装置图 实验操作 数据处理 探究加速度与物体受力、物体质量的关系 (1)平衡阻力,垫高长木板一端使小车能匀速下滑 (2)在平衡阻力时,不要把悬挂槽码的细绳系在小车上,实验过程中不用重复平衡阻力 (3)实验必须保证的条件:小车的质量m≫槽码的质量m' (4)释放前小车要靠近打点计时器,应先接通电源,后释放小车 (1)利用逐差法或v-t图像法求加速度a (2)作出a-F图像和a-图像,确定a与F、m的关系 实验 装置图 实验操作 数据处理 验证机 械能守 恒定律 (1)竖直安装打点计时器,以减小摩擦阻力 (2)选用质量大、体积小、密度大的重物 (3)若选第1点到下落到某一点的过程,应选取第1、2两点间距离接近2 mm的纸带,用mgh=mv2进行验证 (1)应用vn=计算某时刻的瞬时速度 (2)判断mghAB与m-m是否在误差允许的范围内相等 (3)作出v2-h图像,求g的大小 实验 装置图 实验操作 数据处理 验证 动量 守恒 定律 (1)开始前调节导轨水平 (2)用天平测出两滑块的质量 (3)用光电门测量碰前和碰后的速度 (1)滑块速度的测量: v=(d为遮光片宽度) (2)验证的表达式: m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2' [例1]　(2025·北京卷)利用打点计时器研究匀变速直线运动的规律,实验装置如图1所示。 (1)按照图1安装好器材,下列实验步骤正确的操作顺序为______(填各实验步骤前的字母)。  A.释放小车 B.接通打点计时器的电源 C.调整滑轮位置,使细线与木板平行 [解析]　实验步骤中,首先调整滑轮位置使细线与木板平行,使小车所受的拉力不变;接着接通打点计时器的电源,待打点稳定后释放小车。故顺序为CBA。 CBA (2)实验中打出的一条纸带如图2所示,A、B、C为依次 选取的三个计数点(相邻计数点间有4个点未画出),可 以判断纸带的　　　(选填“左端”或“右端”)与小车相连。  [解析]　小车做匀加速直线运动时,速度越来越大,纸带上相邻两点间距离逐渐增大。结合题图2可知纸带左端与小车相连。 左端 (3)图2中相邻计数点间的时间间隔为T, 则打B点时小车的速度v=　　　　。  [解析]　根据匀变速直线运动中,中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度可知v=。 (4)某同学用打点计时器来研究圆周运动。如图3所示,将纸带的一 端固定在圆盘边缘处的M点,另一端穿过打点计时器。实验时圆盘 从静止开始转动,选取部分纸带如图4所示,相邻计数点间的时间间 隔为0.10 s,圆盘半径R=0.10 m,则这部分纸带通过打点计 时器的加速度大小为　　　　m/s2;打点计时器打B点时 圆盘上M点的向心加速度大小为　　　　m/s2。(结果 均保留两位有效数字)  [解析]　根据逐差法可知a== m/s2=0.81 m/s2;打点计时器打B点时圆盘上M点的速度vB== m/s=0.4 m/s,此时M点的向心加速度a向= = m/s2=1.6 m/s2。 0.81 1.6 [例2]　(2025·广东卷)请完成下列实验操作和计算。 (1)在“长度的测量及其测量工具的选用”实验中,用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图所示,读数　 　　　mm。  [解析]　根据题意,由图可知,小球的直径为d=8 mm+26.0×0.01 mm=8.260 mm。 8.260(8.261或8.259均可) (2)实验小组利用小车碰撞实验测量吸能材料的性能,装置如图所示,图中轨道由轨道甲和乙平滑拼接而成,且轨道乙倾角较大。 ①选取相同的两辆小车,分别安装宽度为1.00 cm的遮光条。 ②轨道调节 调节螺母使轨道甲、乙连接处适当升高,将 小车在轨道乙上释放,若测得小车通过光电 门A和B的　 　　　,则证明已平衡小车在轨道甲上所受摩擦力及其他阻力。  [解析]　若已平衡小车在轨道甲上所受摩擦力及其他阻力,小车将在轨道甲上做匀速直线运动,通过两个光电门的速度相等,即通过光电门A和B的时间相等。 时间相等 ③碰撞测试 先将小车1静置于光电门A和B中间,再将小车2在M点由静止释放,测得小车2通过光电门A的时间为t2,碰撞后小车1通过光电门B的时间为t1。若t2　　　　t1,可将两小车的碰撞视为弹性碰撞。  [解析]　若两个小车发生弹性碰撞,由于两个小车的质量相等,则碰撞后两个小车的速度互换,即碰撞后小车1的速度等于碰撞前小车2的速度,则有t2 = t1。 = ④吸能材料性能测试 将吸能材料紧贴于小车2的前端,重复步骤③。测得小车2通过光电门A的时间为10.00 ms,两车碰撞后,依次测得小车1和2通过光电门B的时间分别为15.00 ms、30.00 ms,不计吸能材料的质量,计算可得碰撞后两小车总动能与碰撞前小车2动能的比值为　　　　(结果保留两位有效数字)。  [解析]　根据题意可知,碰撞前小车2的速度为v0== m/s=1 m/s; 碰撞后,小车1和小车2的速度分别为v1== m/s,v2== m/s; 则碰撞后两小车总动能与碰撞前小车2动能的比值为==≈0.56。 0.56 二 考点二　 “橡皮条、弹簧” 类实验 22 教材原型实验汇总 实验 装置图 实验操作 数据处理 探究弹簧弹力与形变量的关系 (1)应在弹簧自然下垂时,测量弹簧原长l0 (2)水平放置时测原长,根据实验数据画出的图线不过原点的原因是弹簧自身有重力 (1)作出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线,斜率表示弹簧的劲度系数 (2)超过弹簧的弹性限度,图线会发生弯曲 实验 装置图 实验操作 数据处理 探究两个互成角度的力的合成规律 (1)正确使用弹簧测力计 (2)同一次实验中,橡皮条结点的位置一定要相同 (3)细绳套应适当长一些,互成角度地拉橡皮条时,夹角大小应适当 (1)按力的图示作平行四边形 (2)求合力大小 [例3]　(2025·重庆卷)弹簧是熄火保护装置中的一个元件,其劲度系数会影响装置的性能。小组设计了如图1所示的实验装置测量弹簧的劲度系数,其中压力传感器水平放置,弹簧竖直 放在传感器上,螺旋测微器竖直安装,测微螺 杆正对弹簧。 (1)某次测量时,螺旋测微器的示数如图2所示, 此时读数为　 　　mm。  [解析]　螺旋测微器的读数为7 mm+41.5×0.01 mm=7.415 mm。 7.415(±0.002均可) (2)对测得的数据进行处理后得到弹簧弹 力F与弹簧长度l的关系如图3所示,由图可 得弹簧的劲度系数为　　　 N/m, 弹簧原长为　　　　mm。(均保留三位有 效数字)  [解析]　当弹力为零时弹簧处于原长,由题图3可知,弹簧原长为17.6 mm;将题图3中图线反向延长与纵坐标的交点为2.50 N,则根据胡克定律可知弹簧的劲度系数为k=≈184 N/m。 184(±1均可) 17.6 [例4]　(2025·广东广州二模)如图甲,用量程为5 N的弹簧测力计,测量一个超出其量程的物体的重力: (1)将表面印有等距圆环的白纸固定在竖直放置的木板上。 (2)三根细线分别与弹簧测力计一端、一个图钉、待测重物相连,弹簧测力计的另一端固定,通过改变图钉在木板的位置调节细线OB,使细线的结点O与圆环的圆心位置重合。 (3)标出OA、OB、OC的拉力方向,记录弹簧测力计的读数,如图甲所示,为　　　　　N。  [解析]　弹簧测力计的最小分度为0.1 N,读数时需要估读到0.01 N,所以其读数为3.00 N。 3.00 (4)①根据共点力平衡条件和平行四边形定则,用“力的图示”在 图乙中作出OA、OB拉力的合力。 ②由作图结果可得物体的重力为　　　　 N (结果保留一位小数)。   [解析]　①作出力的图示,如图所示。 ②由作图结果可得物体的重力为7.0 N。 7.0(6.8、6.9、7.1、7.2均可) [答案]　①图见解析 三 考点三　 “小球”类实验 30 教材原型实验汇总 实验 装置图 实验操作 数据处理 探究平 抛运动 的特点 (1)保证斜槽末端水平 (2)每次让小球从倾斜轨道的同一位置由静止释放 (3)坐标原点应是小球出槽口时球心在纸板上的投影点 (1)用代入法或图像法判断运动轨迹是不是抛物线 (2)由x=v0t和y=gt2,求得初速度v0=x 实验 装置图 实验操作 数据处理 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 (1)放球找点:不放被撞小球,每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下,重复10次。用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面,圆心P就是小球落点的平均位置 (2)碰撞找点:把被撞小球放在斜槽末端,每次让入射小球从斜槽上同一高度[同步骤(1)中的高度]自由滚下,使它们发生碰撞,重复实验10次。用步骤(1)的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N,如图乙所示 连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中,最后代入m1·OP=m1·OM+m2·ON中,看在误差允许的范围内是否成立 实验 装置图 实验操作 数据处理 探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 (1)弹力大小关系可以通过标尺上刻度读出,该读数显示了向心力大小关系 (2)采用了控制变量法,探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 作出F-ω2、F-r、F-m图像,分析向心力与角速度、半径、质量之间的关系 实验 装置图 实验操作 数据处理 用单摆测量重力加速度的大小 (1)保证悬点固定 (2)单摆必须在同一平面内振动,且摆角小于5° (3)摆长l=悬线长l'+小球的半径r (4)用T=计算单摆的周期 (1)利用公式g=求重力加速度 (2)可作出l-T2图像,利用斜率求重力加速度 [例5]　(2025·海南卷)某小组用如图所示单摆测量当地的重力加速度。 (1)用游标卡尺测得小球直径d=20 mm,用刻度尺测得摆线长l=79 cm,则单摆的摆长L=　　　　cm(保留四位有效数字)。  [解析]　单摆的摆长为L=l+=80.00 cm。 80.00 (2)拉动小球,使摆线伸直且与竖直方向的夹角为θ(θ<5°),无初速度地释放小球,小球经过　　　　(选填“最高”或“最低”)点时开始计时,记录小球做了30次全振动用时t=54.00 s,则单摆周期T=　　　　s,由此可得当地的重力加速度g=　　　　m/s2(π2≈10)。  [解析]　为减小实验计时误差,当小球经过最低点时开始计时;单摆周期T== s=1.8 s;根据单摆周期公式T=2π 可得g=,代入数值得g≈9.88 m/s2。 最低 1.8 9.88 [例6]　(2025·广东汕头二模)乔乔同学用平抛运动规律来测量木制小球从玩具轨道顶部滚落到水平底部时的速度。装置图如图甲所示,需要用到的器材有:新买的学习桌、配送的气泡水平仪、包装用的快递盒(瓦楞纸板)和刻度尺。实验步骤如下: (1)将桌子边缘与地板纹路平行,轨道底部与桌子边缘对齐。 (2)利用气泡水平仪将桌面调至水平。通过查阅说明书,乔乔知道气泡在水平仪中总保持在最高位置,当气泡处于参考线内时,安装面达到水平。将水平仪贴近桌子边缘,俯视图如图乙,右侧气泡不在参考线内,此时应该将 　　　、　　　 (均选填“1号”“2号”“3号”或“4号”)两个桌脚适当垫高。   [解析]　由题图乙可知气泡偏右,说明桌子左侧低,应该将1、4号桌脚适当垫高。 1号 4号 (3)把瓦楞纸板固定在架子上,调节好架子让瓦楞纸板正对 轨道固定在水平地面上;将小球沾上墨水,并记录小球在轨 道开始下滑的位置为O点,静止释放小球,小球飞出后在瓦 楞纸板上留下痕迹。 (4)将瓦楞纸板往远离桌子方向平行移动距离D,并固定, 　 　　　　　　　(填写操作步骤)。 重复此步骤4次,瓦楞纸板留下点迹如图丙所示。 [解析]　实验中应保持平抛运动的初速度不变,需要小球从O点由静止开始下滑。 小球从O点由静止开始下滑 (5)用刻度尺测量AB、BC、CD之间的距离y1=16.87 cm、y2=28.97 cm、y3=41.07 cm,重力加速度g取10 m/s2,则相邻两次实验小球在空中运动的时间之差为T=　　　　　(结果保留两位有效数字)。   [解析]　相邻两次实验小球在空中运动的时间之差为y2-y1=gT2,解得T=0.11 s。 0.11 s (6)用刻度尺测量瓦楞纸板每次平行移动的距离D=12.0 cm,则小球从轨道底部水平飞出的速度v0=　　　　m/s(结果保留三位有效数字)。   [解析]　小球从轨道底部水平飞出的速度为 v0== m/s≈1.09 m/s。 1.09 (7)完成实验后,乔乔同学对实验进行评价反思,可能引起误差的原因有 　　　　(填写字母)。   A.未测量水平轨道底部离桌面高度 B.瓦楞纸板厚度不可忽略 C.小球下落过程中有空气阻力 D.根据小球在瓦楞纸板上的痕迹,通过圆心确定其位置时存在误差 [解析]　未测量水平轨道底部离桌面高度,不影响小球竖直位移,故A错误;瓦楞纸板厚度不影响水平位移,故B错误;小球下落过程中有空气阻力,影响水平位移和竖直位移,故C正确;根据小球在瓦楞纸板上的痕迹,通过圆心确定其位置时存在误差,影响竖直位移,故D正确。 CD 四 考点四　创新力学实验 43 [例7]　(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。  [解析]　根据题图1可知小球直径D=2 mm+20.7×0.01 mm=2.207 mm。 2.207(±0.001均可) [解析]　由题图2可知A、E两点间的距离为x=(7.02-5.00)×10-2 m=2.02× 10-2 m,时间为t=4t0=4×0.5 s=2 s,所以速度为v== m/s≈0.010 m/s。 0.010 (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(保留两位有效数字)。  [解析]　小球匀速运动,根据平衡条件有ρgV=ρ0gV+f,小球体积为V=πR3=π()3=πD3, 整理可得k==。 (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)。  [解析]　根据(4)可知v∝D2,所以换成直径更小的同种材质小球,速度将减小。 减小 (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”)。  [例8]　(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),细绳1、2和橡皮筋相连于一点,绳1上端固定在A点,绳2下端与水杯相连,橡皮筋的另一端与绳套相连。 为确定杯中物体的质量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,使绳1每次与竖直方向的夹角均为30°且橡皮筋与绳1垂直,待装置稳定后测量对应的橡皮筋长度。根据测得的数据作出x-m关系图线,如图(b)所示。 [解析]　当橡皮筋长度x=11.60 cm时,由题图(b)可知,该芒果的质 量为106 g;若杯中放入芒果后,绳1与竖直方向夹角为30°但与 橡皮筋不垂直,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,则根据图像读出的芒果的质量与m0相比偏大。 回答下列问题: (1)将一芒果放入此空杯,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,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”)。  106(或107) 偏大 [解析]　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,超过了它的弹性限度,从而使橡皮筋弹力与其伸长量不成正比,故选C。 (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 C [解析]　根据共点力平衡条件可知,当减小细绳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,故使用相同的橡皮筋,减小细绳与竖直方向的夹角可增大质量测量范围。 (3)写出一条可以使上述装置测量质量范围增大的措施: 　。  减小细绳与竖直方向的夹角 五 课堂巩固 强化关键能力 1.(2025·广东汕头一模)有一款称为“一抽到底”的纸巾盒改进装置,如图甲所示,该装置由两块挡板和弹簧组成,弹簧连接两块挡板。该装置放在纸巾盒底部,可将整包纸巾顶起,以保持最上面的纸巾能够在纸巾盒取用口。科技实践小组的同学为了研究该装置中弹簧的特征, 设计如图乙所示。测量出数据记录见下表格: 实验次数 1 2 3 4 5 砝码质量m/g 10 20 30 40 50 弹簧长度l/cm 4.51 4.03 3.48 3.27 2.46 弹簧形变量Δl/cm 0.99 1.47 2.02 2.23 3.04 解析：由题图可知,第4次的描点不在线上,出现明显偏差,故第4次数据误差较大,应该剔除。 (1)依据测量数据画出m-Δl图像如图丙所示,观察图像可发现,其中第 　　　　次数据误差较大,应该剔除。  4 解析：根据胡克定律有mg=kΔl,可得m=Δl,由图像斜率可得= kg/m=2.0 kg/m,解得k=20 N/m。 (2)根据图像可得劲度系数k=　　　　N/m(结果保留两位有效数字,g取10 N/kg)。  20 解析：在使用过程中,盒子里的纸巾越来越少,纸巾的重力减少,弹簧的形变量减小,故弹簧的弹性势能逐渐变小。 (3)在使用过程中,盒子里的纸巾越来越少,弹簧的弹性势能___________ (选填“不变”“逐渐变大”或“逐渐变小”)。  逐渐变小 2.(2025·广东广州模拟预测)某小组利用气垫导轨装置探究滑块的加速度与所受合力、质量之间的关系。装置连接如图所示,两光电门之间的距离为L,滑块上遮光条的宽度为d。实验步骤如下: 解析：开始时,调整轨道高度,使滑块通过两光电门所用时间相同,说明滑块做匀速直线运动,当挂上钩码后,滑块和钩码一起做匀加速运动,对滑块受力分析有绳子的拉力等于滑块所受合力,对钩码受力分析有钩码的重力和绳子拉力的合力等于钩码所受合力,A正确。 (1)接通电源让气垫导轨正常工作,调整导轨高度,轻推滑块,让滑块通过两光电门时遮光条遮光时间相同。关于该实验步骤的目的,下列说法正确的是　　　　。  A.使挂上钩码后轻绳拉滑块的拉力等于滑块受到的合力 B.使挂上钩码后钩码的重力大小等于轻绳的拉力 C.使挂上钩码后钩码的重力大小近似等于轻绳的拉力 A (2)保持滑块质量不变,依次在轻绳套上挂上1、2、3、…个质量相等的钩码,将滑块从静止释放,光电门1记录的挡光时间为Δt1,光电门2记录的挡光时间为Δt2,根据运动学知识可求得滑块的加速度a。 (3)将六个钩码依次挂到轻绳套上,分别测出滑块获得的加速度如下表所示: 钩码个数N/个 1 2 3 4 5 6 滑块加速度/(m·s-2) 0.21 0.40 0.59 0.81 1.01 1.19 解析： ①描点作图时,需要让尽量多的点在直线上, 不在直线上的点均匀分布在直线的两侧,如图所示。 ②钩码的个数为N,设单个钩码的质量为m,则钩码的 重力为Nmg,当将钩码的重力近似为滑块所受拉力时, 描绘的a-N图像是过原点的倾斜直线,说明滑块的加速 度与滑块所受合力成正比。 ①在坐标纸上完成a-N图像; ②结合实验目的,通过图像说明了___________________ 　　　　　　　　。 滑块的加速度与滑块所受合力成正比 解析： ①绳子的拉力大小视为等于钩码的重力,则有Nmg=Ma, 变形a=N,则a-N图像的斜率k=,解得M=m。 ②若系统机械能守恒,则NmgL=(M+m)[()2-()2], 解得NgL=(+1)[()2-()2]。 (4)该小组得到a-N图像的斜率为k。已知重力加速度为g。 ①若绳子拉力大小视为等于钩码重力,可得滑块与遮光条总质量M与单个钩码的质量m的关系为M=　　　　m(用k与g表示);  ②该小组想验证钩码和滑块组成的系统机械能是否守恒,若守恒,则挂上N个钩码时,应满足的表达式为NgL=　　　　　　　　　　　　(用k、g、d、Δt1、Δt2表示)。  $