人教版高考物理专题复习微专题19　力学实验与创新 二轮专题(共50张PPT)

(共50张PPT)
大单元六　实验技能与创新
微专题19　力学实验与创新
一图通·构建知识图谱
[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。
题点通·突破高频考点
测速度、加速度类实验
(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
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。
(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＝________。
左端
(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)
0.81
1.6
[解析]　(1)实验步骤中，首先调整滑轮位置使细线与木板平行，确保力的方向正确；接着接通打点计时器电源，让计时器先正常工作；最后释放小车。故顺序为CBA。
(2)小车做匀加速直线运动，速度越来越大，纸带上点间距逐渐增大。题图2中纸带左端间距小，右端间距大，说明纸带左端与小车相连。
(3)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。B点为A、C的中间时刻，AC间位移为x2，时间间隔为2T，则v＝。
(4)根据逐差法可知a＝＝ m/s2＝0.81 m/s2。
B点是A、C的中间时刻点，则有vB＝＝ m/s＝0.4 m/s，此时向心加速度大小an＝＝ m/s2＝1.6 m/s2。
[例2]　(2025·湖北卷)某同学利用如图(a)所示的实验装置来测量重力加速度大小g，细绳跨过固定在铁架台上不可转动的小圆柱体，两端各悬挂一个重锤。实验步骤如下：
①用游标卡尺测量遮光片的宽度d。
②将遮光片固定在重锤1上，用天平测量重锤1和遮光片的总质量m、重锤2的质量M(M>m)。
③将光电门安装在铁架台上，将重锤1压在桌面上，保持系统静止，重锤2离地面足够高。用刻度尺测量出遮光片中心到光电门的竖直距离H。
④启动光电门，释放重锤2，用数字毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t。
⑤根据上述数据求出重力加速度大小g。
⑥多次改变光电门高度，重复步骤③④⑤，求出g的平均值。
回答下列问题：
(1)测量d时，游标卡尺的示数如图(b)所示，可知d＝________ cm。
(2)重锤1通过光电门时的速度大小为v＝______(用d、t表示)。若不
计摩擦，g与m、M、d、t、H的关系式为g＝____________。
0.515
(3)实验发现，当M和m之比接近于1时，g的测量值明显小于真实值。主要原因是圆柱体表面不光滑，导致跨过圆柱体的绳两端拉力不相等。理论分析表明，圆柱体与绳之间的动摩擦因数很小时，跨过圆柱体的绳两端拉力差ΔT＝4γg，其中γ是只与圆柱体表面动摩擦因数有关的常数。保持M＋m＝2m0不变，其中M＝(1＋β)m0，m＝(1－β)m0。β足够小时，重锤运动的加速度大小可近似表示为a＝(β－γ)g。调整两重锤的质量，测得不同β时重锤的加速度大小a，结果如表。根据表格数据，采用逐差法得到重力加速度大小g＝__________m/s2(保留三位有效数字)。
9.81
β 0.04 0.06 0.08 0.10
a/(m·s-2) 0.084 0.281 0.477 0.673
[解析]　(1)由游标卡尺的读数规则可知遮光片的宽度d＝0.5 cm＋3× cm＝0.515 cm。
(2)重锤1通过光电门时的速度大小为v＝。对两个重锤分别列牛顿第二定律关系式并联立可得(M－m)g＝(M＋m)a，对重锤1由速度位移公式有v2＝2aH，联立可得g＝。
(3)由a＝(β－γ)g可得Δa＝gΔβ，所以由逐差法有g＝
＝ m/s2≈9.81 m/s2。
[例3]　(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)。
2.205
1.0×10-2
(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”)。
减小
[解析]　(1)由螺旋测微器的读数规则可知小球的直径D＝2 mm＋0.01×20.5 mm＝2.205 mm。
(3)由于小球在A、E两点间近似做匀速运动，则有v＝，由题图2可知xAE＝7.02 cm－5.00 cm＝2.02 cm＝2.02×10-2 m，A、E两点间有4个时间间隔，则tAE＝4Δt＝4×0.5 s＝2.0 s，代入可求得v≈1.0×10-2 m/s。
(4)由于小球在A、E两点间近似做匀速运动，则小球在A、E两点间运动时受力平衡，对在A、E两点间运动的小球受力分析可知，小球受竖直向下的重力、竖直向上的浮力和竖直向上的黏滞阻力，则由力的平衡条件可知m球g＝F浮＋f，其中m球＝ρV球＝ρ·π，F浮＝ρ0gV排＝ρ0gV球＝，f＝kDv，联立可得k＝。
(5)由于k为与液体有关的常量，所以换成直径更小的同种材质小球进行实验时k不变，又换成直径更小的同种材质小球进行实验时ρ、ρ0、g不变，D减小，则由k＝可知匀速运动时的速度v减小。
规律方法：
1．测速度的方法
(1)纸带数据处理法
利用平均速度求瞬时速度vn＝。
(2)光电门数据处理法
利用遮光片的宽度和遮光时间v＝。
(3)频闪照片数据处理法
利用平均速度求瞬时速度vn＝。
2．测加速度的方法
(1)纸带数据处理法
利用逐差法求平均加速度
a＝。
(2)利用一段时间Δt内的速度变化量Δv求a
a＝＝。
(3)利用匀变速直线运动公式求a
如＝2ax。
[例4]　(2025·全国卷)某探究小组利用橡皮筋完成下面实验。
测量作用力类实验
(1)将粘贴有坐标纸的木板竖直放置。橡皮筋的一端用图钉固定在木板上，另一端悬挂钩码。钩码质量分别为200 g、250 g、…、500 g，平衡时橡皮筋底端在坐标纸上对应的位置如图(a)中圆点所示(钩码的质量在图中用数字标出)。悬挂的钩码质量分别为200 g和300 g时，橡皮筋底端位置间的距离为________cm。
1.90
(2)根据图(a)中各点的位置可知，在所测范围内橡皮筋长度的增加量与所挂钩码的_______________(选填“质量”或“质量的增加量”)成正比，由此可求出橡皮筋的劲度系数为________N/m(保留两位有效数字，重力加速度取9.8 m/s2)。
(3)悬挂的钩码质量为m时，在橡皮筋底端施以水平向右的力F，平衡时橡皮筋方向如图(b)中虚线所示，图(b)中测力计的示数给出了力F的大小，则F＝________N，m＝________(选填“200”“300”或“400”)g。
质量的增加量
52
1.00
300
[解析]　(1)根据题图(a)可知悬挂的钩码质量分别为200 g和300 g时，橡皮筋底端位置间的距离为1.90 cm。
(2)根据题图(a)可知钩码每增加相同的质量橡皮筋增加大约相同的长度，故在所测范围内橡皮筋长度的增加量与所挂钩码的质量的增加量成正比。根据胡克定律得F＝kx；其中F＝mg，x为橡皮筋的伸长量。设悬挂质量为m1、m2的钩码时，橡皮筋的伸长量分别为x1、x2，则m1g＝kx1，m2g＝kx2
两式相减得(m2－m1)g＝k(x2－x1)
取m1＝200 g＝0.2 kg，m2＝300 g＝0.3 kg，Δx＝x2－x1＝1.9 cm＝1.9×10-2 m
根据(m2－m1)g＝k(x2－x1)，可得k＝＝ N/m≈
52 N/m。
(3)根据题图(b)可知F＝1.00 N；设橡皮筋与竖直方向夹角为θ，对橡皮筋下端点进行受力分析有tan θ＝；从题图(b)中可知tan θ
≈，结合F＝1.00 N
可得m≈0.31 kg，所以取m＝300 g。
[例5]　(2025·内蒙古赤峰·三模)如图是探究两个互成角度的力的合成规律的实验的过程示意图。
(1)图中由乙图到丙图的过程中主要应用了________。
A．理想实验法
B．等效替代法
C．控制变量法
(2)丙图中弹簧测力计的读数为________N。
B
5.80
(3)实验中，F1、F2表示两个互成角度的力，F′表示平行四边形作出的F1与F2的合力；F表示用一个弹簧测力计拉橡皮筋时的力，则下列选项中符合实验事实的是________。
D
[解析]　(1)本实验中两个拉力的作用效果和一个拉力的作用效果相同，采用的科学方法是等效替代法。故选B。
(2)由题图丙可知弹簧测力计最小分度值为0.1 N，故读数为5.80 N。
(3)该实验中F′是由平行四边形定则得出的合力，即F′是平行四边形的对角线，而F是通过实际实验得出的，与F′有一定的偏差，且F与橡皮筋应在同一直线上，故D符合题意。故选D。
规律方法：　获得“作用力”的常用方法
1．用重物的重力替代，如“验证牛顿第二定律”实验中的拉力用悬挂物的重力替代。
2．用弹簧测力计测量。
3．用力的传感器直接读出。
[例6]　(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：
创新型实验
(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。
13.15(13.13～13.17均可)
(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(结果保留两位有效数字)。
49
(5)图3中直线的截距为0.005 6 m，可得所用小桶质量为__________kg(结果保留两位有效数字)。
0.028
[解析]　(1)由题图1读出刻度尺读数为13.15 cm。
(4)设小桶质量为m，当小桶中水的体积为V时，由平衡条件可知kx＝mg＋ρVg，可得x＝V＋，以桶中水的体积V为横坐标，弹簧伸长量x为纵坐标，则图线的斜率k′＝，代入数据解得k＝
49 N/m。
(5)由x＝V＋可知题图3中直线的截距b＝，代入数据解得m＝0.028 kg。
[例7]　(2024·辽宁卷)图(a)为一套半圆拱形七色彩虹积木示意图，不同颜色的积木直径不同。某同学通过实验探究这套积木小幅摆动时周期T与外径D之间的关系。
(1)用刻度尺测量不同颜色积木的外径D，其中对蓝色积木的某次测量如图(b)所示，从图中读出D＝_____________________cm。
7.54(7.53～7.55均可)
(2)将一块积木静置于硬质水平桌面上，设置积木左端平衡位置的参考点O，将积木的右端按下后释放，如图(c)所示。当积木左端某次与O点等高时记为第0次并开始计时，第20次时停止计时，这一过程中积木摆动了________个周期。
10
(3)换用其他积木重复上述操作，测得多组数据。为了探究T与D之间的函数关系，可用它们的自然对数作为横、纵坐标绘制图像进行研究，数据如下表所示：
颜色 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
ln D 2.939 2 2.788 1 2.595 3 2.484 9 2.197 …… 1.792
ln T －0.45 －0.53 －0.56 －0.65 －0.78 －0.92 －1.02
根据表中数据绘制出ln T-ln D图像如图(d)所示，则T与D的近似关系为________。
A．T∝ B．T∝D2
C．T∝ D．T∝
(4)请写出一条提高该实验精度的改进措施：________________________________________________。
A
多次测量同一颜色的
积木的周期求平均值(合理即可)
[解析]　(1)根据刻度尺的读数规则可知D＝7.54 cm。
(2)结合单摆的运动分析可知，积木左端与O点等高后，向下(向上)运动后再次与O点等高，之后向上(向下)运动后又一次与O点等高，此过程为一个周期，则题述过程中积木摆动了10个周期。
(3)根据题图(d)有ln T＝k ln D＋b，其中k＝＝，则有ln T＝ln D＋b＝ln ＋b，根据数学知识可得T与D的近似关系为T∝，A正确。
(4)可以多次测量同一颜色的积木的周期求平均值，从而减小实验误差。
规律方法：
1．力学创新型实验的特点
(1)以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和牛顿运动定律设计实验。
(2)将实验的基本方法(控制变量法)和处理数据的基本方法(图像法、逐差法)融入实验的综合分析之中。
2．创新实验题的解法
(1)根据题目情境，提取相应的力学模型，明确实验的理论依据和实验目的，设计实验方案。
(2)进行实验，记录数据，应用原理公式或图像法处理实验数据，结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。
谢 谢！