高考物理二轮复习专题七物理实验第15讲力学实验课件（93页PPT）

(共93张PPT)
专题七　物理实验
第15讲　力学实验
1.会使用刻度尺、秒表、打点计时器测量有关数据。
2．熟悉教材中的力学实验原理、实验过程，会操作有关实验，进行数据处理、误差分析，并会借助基本实验分析创新实验。
目标
要求
考点1
“纸带”“光电门”类实验
(2025·山东卷，13)某小组采用如图甲所示的装置验证牛顿第二定律，部分实验步骤如下：
(1)将两光电门安装在长直轨道上，选择宽度为d的遮光片固定在小车上，调整轨道倾角，用跨过定滑轮的细线将小车与托盘及砝码相连。选用d＝__________cm(选填“5.00”或“1.00”)的遮光片，可以较准确地测量遮光片运动到光电门时小车的瞬时速度。
(2)将小车自轨道右端由静止释放，从数字毫秒计分别读取遮光片经过光电门1、光电门2时的速度v1＝0.40 m/s、v2＝0.81 m/s，以及从遮光片开始遮住光电门1到开始遮住光电门2的时间t＝1.00 s，计算小车的加速度a＝__________m/s2(结果保留2位有效数字)。
(3)将托盘及砝码的重力视为小车受到的合力F，改变砝码质量，重复上述步骤，根据数据拟合出a-F图像，如图乙所示。若要得到一条过原点的直线，实验中应__________(选填“增大”或“减小”)轨道的倾角。
(4)图乙中直线斜率的单位为__________(选填“kg”或“kg-1”)。
(2025·河南卷，12)实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源(频率50 Hz)、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。
(1)下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列：__________。(填步骤前面的序号)
①先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带
②先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点
③用电子天平称量重锤的质量
④将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端
⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据
⑥关闭电源，取下纸带
(2)图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为__________ m/s(保留3位有效数字)。
(3)纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图3所示的v2-h关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应__________(选填“通过”或“不通过”)原点且斜率为__________(用重力加速度大小g表示)。由图3得直线的斜率k＝__________(保留3位有效数字)。
(2025·广东卷，11)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，示数如图甲所示，读数为________mm。
(2)实验小组利用小车碰撞实验测量吸能材料的性能，装置如图乙所示，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________，表明已平衡小车在轨道甲上所受摩擦力及其他阻力。
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。
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2位有效数字)。
“纸带”“光电门”类实验几点注意
(1)凡是应用打点计时器的实验，都必须先接通电源，等打点稳定后，再释放纸带。
(2)不同的实验，平衡摩擦力的目的也不相同
①在探究做功与动能变化的关系时，为了使橡皮筋对小车所做的功为总功，应平衡小车的摩擦力。
②在探究a与F、m的定量关系的实验中，平衡摩擦力的目的是为使细线的拉力作为小车的合外力。
③在验证动量守恒定律的实验中，平衡摩擦力的目的是使小车碰前、碰后均做匀速直线运动，便于测量速度，小车碰撞过程中满足动量守恒条件。
?总结提升?
1．探究弹力和弹簧伸长量的关系的操作关键
(1)实验中不能挂过多的钩码，防止弹簧超过弹性限度。
(2)画图像时，不要连成折线，而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在直线两侧。
考点2
“弹簧”“橡皮条”类实验
2．验证力的平行四边形定则的操作关键
(1)每次拉伸橡皮条时，结点位置O必须保持不变。
(2)记下每次各弹簧拉力的大小和方向。
(3)画力的图示时应选择适当的标度。
(4)在验证力的平行四边形定则的实验中，利用平行四边形定则求得的合力与测得的合力一般不完全重合，但测得的合力与实际的合力方向必须一致。
3．弹簧测力计的读数
先看清弹簧测力计的量程和分度值，然后再根据指针所指的位置(一定要看指针末端所指的位置)读出所测力的大小。
(1)若分度值为0.1，则读数时在精确度后加一估读数即可(即有两位小数)。
(2)若分度值为0.2，则所读数值小数点后只能有一位小数。
(2025·广东深圳一模)某实验小组做“验证力的平行四边形法则”实验。把坐标纸固定在平板上，橡皮条的一端固定在木板上。
(1)用两只弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点，并记录两测力计的示数及拉力方向如图。其中F1的大小为________N。
(2)请根据F1的读数及坐标纸上记录的信息，在坐标纸上作出F1的图示，并结合F2的图示作平行四边形，如果平行四边形定则成立，可得出F1和F2合力的大小为________N。
解析：(1)图中弹簧测力计的分度值为0.1 N，由图可知F1的大小为2.10 N。
(2)在坐标纸上作出F1的图示，并结合F2的图示作平行四边形，如图所示
由图可知F1和F2合力的大小为F合＝3.62 N。
答案：(1)2.10　(2)3.62(3.61～3.63均可)
(2025·四川卷，11)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：
(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。
(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2位有效数字)。
(5)图3中直线的截距为0.0056 m，可得所用小桶质量为________kg(结果保留2位有效数字)。
考点3
力学其他实验
1．平抛运动类实验的操作关键
(1)应保持斜槽末端的切线水平。
(2)小钢球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下。
(3)抛体法验证动量守恒定律的两点注意
①测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球。
②找点：用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心就是小球落点的平均位置。
(2024·河北卷，11(2))图1为探究平抛运动特点的装置，其斜槽位置固定且末端水平，固定坐标纸的背板处于竖直面内，钢球在斜槽中从某一高度滚下，从末端飞出，落在倾斜的挡板上挤压复写纸，在坐标纸上留下印迹。某同学利用此装置通过多次释放钢球，得到了如图2所示的印迹，坐标纸的y轴对应竖直方向，坐标原点对应平抛起点。
(1)每次由静止释放钢球时，钢球在斜槽上的高度________(选填“相同”或“不同”)。
(2)在坐标纸中描绘出钢球做平抛运动的轨迹。
(3)根据轨迹，求得钢球做平抛运动的初速度大小为______m/s(当地重力加速度g为9.8 m/s2，保留2位有效数字)。
解析：(1)探究平抛运动特点的实验中，要使钢球到达斜槽末端的速度相同，则每次由静止释放钢球时，钢球在斜槽上的高度相同。
(2)用平滑曲线连接坐标纸上的点，即为钢球做平抛运动的轨迹，作图时应使尽可能多的点在图线上，不在图线上的点均匀分布在图线两侧，如图所示。
(2025·广东广州二模)某小组用图(a)装置探究“向心力大小与半径、周期的关系”。通过紧固螺钉(图中未画出)可在竖直方向调整水平横梁位置，位移传感器、力传感器均固定在横梁上，两传感器和光电门都与计算机相连；小球放在一端有挡光片的水平横槽上，细绳一端p连接小球，另一端q绕过转向轮后连接力传感器，力传感器可测量细绳拉力，位移传感器可测量横梁与底座之间的距离。小球和细绳所受摩擦力可忽略，细绳q端与直流电机转轴在同一竖直线上。光电门未被挡光时输出低电压，被挡光时输出高电压。实验步骤如下：
(1)如图(b)，用螺旋测微器测量小球直径d＝________mm，若测得直流电机转轴到小球之间绳长为L，则小球做圆周运动的半径r＝________(用d，L表示)。
(2)探究向心力大小与半径的关系：启动直流电机，横槽带动小球做匀速圆周运动，保持______不变，记录力传感器读数F0，位移传感器读数H0，小球做圆周运动半径r0。降低横梁高度，当位移传感器读数为H1时，小球做圆周运动半径r1＝________(用r0，H0，H1表示)，待电机转动稳定后再次记录力传感器读数F1，重复多次实验得到多组数据，通过计算机拟合F-r图，可得线性图像。
(2025·广东深圳二调)(1)用单摆测量重力加速度，图甲所示的各项实验操作中合理的是________。
A．采用如图a所示的悬挂方式
B．如图b，在小球摆到最高点时开始计时
C．如图c，用竖直放置的直尺和三角板测量球心到悬点间距离，作为摆长
(2)采用如图乙所示的实验装置继续探究，取一根棉线从金属戒指中穿过，两端悬于细杆上。实验步骤如下：
①用刻度尺测得两个悬点距离为x，两悬点间棉线总长为s。
②轻敲戒指使之在垂直于纸面的竖直平面内摆动，摆角小于5°。
③记录摆动30个周期的总时间，计算周期数值。多次测量，得到周期的平均值T。
⑥改变棉线长度，多次重复上述实验步骤。
⑦将数据绘制成T2-L图像，如图戊所示，请将图中数据点进行拟合。
⑧经计算得到重力加速度的测量值为________m/s2(π2取9.87，保留3位有效数字)。
解析：(1)为防止实验过程摆长发生变化，单摆上端应固定，故A错误；如图b，在小球摆到最低点时开始计时，故B错误；如图c，用竖直放置的直尺和三角板测量球心到悬点间距离，作为摆长，故C正确。故选C。
答案：(1)C　(2)④B　16.0　⑤C　
⑦见解析图　⑧9.87
(2024·北京卷，16)如图甲所示，让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。
(1)关于本实验，下列做法正确的是________(填选项前的字母，多选)。
A．实验前，调节装置，使斜槽末端水平
B．选用两个半径不同的小球进行实验
C．用质量大的小球碰撞质量小的小球
(2)图甲中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。首先，将质量为m1的小球从斜槽上的S位置由静止释放，小球落到复写纸上，重复多次。然后，把质量为m2的被碰小球置于斜槽末端，再将质量为m1的小球从S位置由静止释放，两球相碰，重复多次。分别确定平均落点，记为M、N和P(P为m1单独滑落时的平均落点)。
a．图乙为实验的落点记录，简要说明如何确定平均落点；
答：_____________________________________。
b．分别测出O点到平均落点的距离，记为OP、OM和ON。在误差允许范围内，若关系式______________________成立，即可验证碰撞前后动量守恒。
(3)受上述实验的启发，某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示，用两根不可伸长的等长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O点和O′点，两点间距等于小球的直径。将质量较小的小球1向左拉起至A点由静止释放，在最低点B与静止于C点的小球2发生正碰。碰后小球1向左反弹至最高点A′，小球2向右摆动至最高点D。测得小球1、2的质量分别为m和M，弦长AB＝l1、A′B＝l2、CD＝l3。
推导说明，m、M、l1、l2、l3满足什么关系即可验证碰撞前后动量守恒。
答：__________________________。
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(建议用时：60分钟　满分：78分)
1．(10分)(2025·广东广州毕业班综合测试)光电门是一种可精确记录物体运动时间的装置。
(1)工作原理
光电门的光照孔面积有一定大小，遮光片经过光照孔，当遮光面积增大到某一阈值时，光电门开始计时；反之，当遮光面积减小到同一阈值时，光电门停止计时，从而得到遮光时间。在遮光时间内，遮光片移动的距离称为有效遮光宽度。
如图(a)，宽为L的遮光片经过圆形光照孔，若遮光面积的阈值为光照孔面积的一半，则该遮光片的有效遮光宽度________L(选填“大于”“小于”或“等于”)。
限时规范
训练(十七)
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(3)误差分析
结合(1)工作原理，对比L0与D可知，此光电门的光照孔遮光面积的阈值________(选填“大于”“小于”或“等于”)光照孔面积的一半。
由此可知，该阈值会导致遮光片的有效遮光宽度与其实际宽度有差异。当使用一块宽度为L1(L1>D)的遮光片时，其有效遮光宽度应为________(用D、L0、L1表示)。
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(3)若光电门的光照孔遮光面积的阈值小于光照孔面积的一半，则光电门开始计时和停止计时的情形可用图2表示，可知遮光片的有效遮光宽度大于遮光片的实际宽度；若光电门的光照孔遮光面积的阈值大于光照孔面积的一半，则光电门开始计时和停止计时的情形可用图3表示，可知遮光片的有效遮光宽度小于遮光片的实际宽度，由(2)问分析可知L03
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2．(10分)(2025·广东学业水平模拟)用图甲所示的装置“验证动量守恒定律”，主要步骤如下：
(ⅰ)利用重垂线，记录水平槽末端在白纸上的投影点O。
(ⅱ)取两个大小相同、质量不同的小球1和2，并测出其质量分别为m1＝30 g和m2＝20 g。
(ⅲ)使小球1从斜槽上某一位置由静止释放，落在垫有复写纸的白纸上留下痕迹，重复本操作多次。
(ⅳ)把小球2放在水平槽的末端，小球1从原位置由静止释放，与小球2碰撞后，落在白纸上留下各自的落点痕迹，重复本操作多次。
(ⅴ)在白纸上确定平均落点的位置M、N、P。
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请完成下列内容。
(1)用“画圆法”确定小球1在没有与小球2发生碰撞时的平均落点N，则图乙中圆________(填“a”或“b”)更合理。
(2)本实验中用于验证动量守恒定律的表达式应为：m1·ON＝________(用m1、m2、OP、OM表示)。
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(4)如图甲，若实验小组在记录投影点O后，由于失误将白纸水平向右移动了一段距离，再进行步骤(ⅲ)(ⅳ)(ⅴ)，则计算得到的碰撞前系统的总动量________(选填“大于”“等于”或“小于”)碰撞后的总动量。
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解析：(1)用“画圆法”确定小球落地点时，个别偏离较远的点舍去，然后画出尽量小的圆将剩余的落点圈起来，该圆的圆心即为小球的平均落点，则图乙中圆a更合理。
(2)小球离开水平槽后做平抛运动，不放小球2时，小球1平抛运动初速度为v0，放小球2后，碰后小球1、2的速度分别为v1、v2，若碰撞过程动量守恒，有m1v0＝m1v1＋m2v2，又小球每次做平抛运动在空中运动的时间相同，则有m1v0t＝m1v1t＋m2v2t，整理得m1·ON＝m1·OM＋m2·OP。
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3．(10分)(2025·广东六校联考)某实验小组利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。轻绳两端分别系着质量为m的物块A(含挡光片)和质量为M的物块B，将挡光片的中心位置固定在物块A的中间位置。实验时，由静止释放物块B，B向下运动。为了减小实验误差进行多次实验，改变物块A的初始位置，使物块B从不同的高度由静止释放，记录每次释放前挡光片的中心位置到光电门的高度差h以及挡光片穿过光电门的时间Δt，已知重力加速度为g。
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(3)(多选)请你选出可减小本实验误差的方案________。
A．选用质量大体积小的物块
B．选用质量小体积大的物块
C．选用质量小的滑轮
D．选用质量大的滑轮
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4．(8分)(2025·广东三校联考)某同学用如图(a)所示的装置验证机械能守恒定律。用细线把钢制的圆柱挂在架子上，架子下部固定一个小电动机，电动机轴上装一支软笔。电动机转动时，软笔尖每转一周就在钢柱表面画上一条痕迹(时间间隔为T)。如图(b)，在钢柱上从痕迹O开始选取5条连续的痕迹A、B、C、D、E，测得它们到痕迹O的距离分别为hA、hB、hC、hD、hE。已知当地重力加速度为g。
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(1)实验操作时，应该________。(填正确答案字母)
A．先打开电源使电动机转动，后烧断细线使钢柱自由下落
B．先烧断细线使钢柱自由下落，后打开电源使电动机转动
(2)画出痕迹D时，钢柱下落的速度vD＝____________。(用题中所给物理量的字母表示)
(3)设各条痕迹到O的距离为h，对应钢柱的下落速度为v，画出v2-h图像，发现图线接近一条倾斜的直线，若该直线的斜率近似等于________，则可认为钢柱下落过程中机械能守恒。
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5．(10分)(2025·广东深圳一模)(1)“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”的实验装置如图甲所示。
在“探究向心力与半径之间的关系”过程中，将皮带绕在左右塔轮上，并选择左右塔轮半径________(填“相同”或“不同”)，将质量相同的两个小球分别放在________(填“A、B”“A、C”或“B、C”)位置，然后摇动手柄进行观察和记录。
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(2)用如图乙实验装置进行“探究平抛运动的特点”实验，步骤如下。
①按照图乙安装实验装置，调节斜槽末端水平，并将一张白纸和复写纸固定在背板上。斜槽末端下方用细线悬挂重锤的作用是________。
A．判断仪器背板是否竖直
B．确定白纸上y轴的方向
C．利用重锤的惯性来保证实验装置稳定
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6．(10分)(2025·广东佛山模拟)某学习小组利用多种方法测量重力加速度。
(1)甲同学利用打点计时器、重锤等器材测量重力加速度。实验获得的纸带如图甲所示，已知每相邻两计数点间还有四个点未画出，电源频率为50 Hz，则该地的重力加速度为________m/s2(结果保留3位有效数字)。
(2)乙同学利用双线摆测重力加速度，如图乙所示，双线摆上端系在间距为D，等高的两螺钉上，长均为L的两细绳下端悬挂磁性小铁球，手机置于磁性小铁球正下方。
①用螺旋测微器测量磁性小铁球的直径，其读数如图丙所示，直径d＝________mm。
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②开启手机磁力计，使双线摆前后摆动起来(最大摆角不超过5°)，测得磁感应强度随时间的变化如图丁所示，发现磁性小铁球摆动过程中，磁感应强度的最小值在逐渐增大，其原因是________________________；该同学测出图丁中第1至第11个峰值之间的时间间隔为t，则当地重力加速度的大小g＝________(用d、D、L、t表示)。
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7．(10分)(2025·广东茂名一模)小明想测量新买的鞋子鞋底与木板间的动摩擦因数μ，他设计了如下实验。已知每个砝码的质量m0＝20 g，鞋子和重物的质量分别为mA和mB，不考虑绳子与滑轮的摩擦。
(1)小明练习使用螺旋测微器测量木板的厚度，示数如图甲所示，则木板厚度为________mm。
(2)如图乙所示，把鞋子放置在木板上，并用一根细绳跨过定滑轮连接鞋子和电子秤上的重物，调节滑轮位置，使鞋子与滑轮间的细绳保持水平，重物与滑轮间的细绳保持竖直。
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(3)在鞋子上放置砝码，向左拉动木板的同时，在表中记录电子秤示数m和砝码个数n。此过程拉动木板时________(选填“必须”或“不必”)保持匀速。
n(个) 0 1 2 3 4 5
m(g) 60 51 43 35 27 18
(4)图丙中有两个点尚未描出，请根据(3)中表格数据描出，并绘制m-n图像。
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(5)分析实验过程，m和μ、n、m0、mA、mB所满足的关系式为m＝________________。
(6)根据(4)绘制出的m-n图像，可得鞋子和木板间的动摩擦因数μ＝________________(保留2位有效数字)。
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解析：(1)木板的厚度测量值为d＝6.5 mm＋36.5×0.01 mm＝6.865 mm。
(3)鞋子与木板之间的滑动摩擦力大小与两者的相对速度无关，因此拉动木板时，木板不必做匀速运动。
(4)如图所示。
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8．(10分)(2025·广东韶关模拟)下列是《普通高中物理课程标准》中列出的两个必做实验，请按要求作答。
(1)在“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”实验中：
①本实验所采用的主要探究方法与下列哪个实验是相同的________。
A．探究弹簧弹力与形变量的关系
B．探究加速度与物体受力、物体质量的关系
C．探究两个互成角度的力的合成规律
D．卡文迪什的扭秤实验
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②如图甲所示，在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的黑白相间等分标记的比值等于两个小球的________________之比。(选填“线速度大小”“角速度平方”或“周期平方”)
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(2)在“用单摆测量重力加速度的大小”实验中，实验装置如图乙所示。
①如图丙，用螺旋测微器测量摆球的直径，其读数为________mm。
②实验操作过程中，改变摆长，测量出多组周期T、摆长L数值后，绘制出T2-L图像如图丁所示；利用T2-L图像可求得重力加速度g＝________m/s2。(取π＝3.14，保留3位有效数字)
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解析：(1)①探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系，采用的是控制变量法。探究弹簧弹力和形变量的关系，采用的是图像法，A错误。探究加速度与物体受力、物体质量的关系，采用的是控制变量法，B正确。探究两个互成角度的力的合成规律，采用的是等效替代法，C错误。卡文迪什的扭秤实验，采用的是放大的思维方法，D错误。②根据公式F＝mω2r可知，在小球质量和转动半径相同的情况下，左右标尺露出的黑白相间等分标记的比值等于两个小球的角速度平方之比。
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