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力学实验（2）——高考物理二轮复习实验清单大全
实验五：探究平抛运动的特点
考点平均卷面分：6；考查频次：中。
【知识梳理】
一、实验原理
1.利用追踪法逐点描出小球运动的轨迹。
2.建立坐标系，如果轨迹上各点的y坐标与x坐标间的关系具有y=ax2的形式（a是一个常量），则轨迹是一条抛物线。
3.测出轨迹上某点的坐标x、y，据x=v0t、y=gt2得初速度v0=x·。
二、实验器材
斜槽、小球、方木板、铁架台、坐标纸、图钉、重垂线、三角板、铅笔、刻度尺。
三、实验步骤
1.安装调整
（1）将带有斜槽轨道的木板固定在实验桌上，使其末端伸出桌面，轨道末端切线水平。
（2）用图钉将坐标纸固定于竖直木板的左上角，把木板调整到竖直位置，使板面与小球的运动轨迹所在平面平行且靠近。如图所示：
2.建坐标系：把小球放在槽口处，用铅笔记下小球在槽口（轨道末端）时球心所在木板上的投影点O，O点即为坐标原点，利用重垂线画出过坐标原点的竖直线作为y轴，画出水平向右的x轴。
3.确定小球位置
（1）将小球从斜槽上某一位置由静止滑下，小球从轨道末端射出，先用眼睛粗略确定做平抛运动的小球在某一x值处的y值。
（2）让小球由同一位置自由滚下，在粗略确定的位置附近用铅笔较准确地描出小球通过的位置，并在坐标纸上记下该点。
（3）用同样的方法确定轨迹上其他各点的位置。
4.描点得轨迹：取下坐标纸，将坐标纸上记下的一系列点用平滑曲线连起来，即得到小球平抛运动轨迹。
【试题练习】
1．如图所示的实验装置可以用来研究平抛运动。水平桌面上放置一个斜槽，斜槽末端O悬挂一个重锤用来确定竖直方向，让一枚小钢球从斜槽上滚下，做平抛运动，落在一块水平放置铺有复写纸和白纸的木板上，小钢球落在木板上后在白纸上留下一个点痕P，以此记录小钢球做平抛运动的落点，当地重力加速度为g。
（1）要测出平抛运动的初速度，只需要一种测量工具是___________（填“直尺”或“秒表”）。
（2）主要实验步骤有：
①调整木板与槽口的竖直距离为h，小球从斜槽上的A点由静止释放，测得落点到重锤线的水平距离为；
②调整木板与槽口的竖直距离为4h，让小球仍从斜槽上的A点由静止释放，测得落点到重锤线的水平距离为；
（3）比较与之间的关系：若___________，表明平抛运动在水平方向是匀速直线运动。
（4）平抛运动的初速度___________（用和g表示）。
1．答案：（1）直尺（3）（4）
解析：（1）因为只涉及长度的测量，所以只需要用直尺；
（3）两次平抛运动竖直方向下落的距离为h和4h，根据
可知，竖直位移之比为1:4，则平抛运动的时间之比为1:2，两次抛出的初速度相同，所以若水平方向做匀速直线运动，则水平方向位移之比为
（4）小钢球在水平方向做匀速直线运动，因此水平方向经过和所用时间相等，对应竖直的高度分别为和，竖直方向做匀加速直线运动，连续相等时间的位移差为
解得
水平方向
2．某同学利用图甲所示装置做“研究平抛运动”的实验，他用一张印有小正方格的纸记录小球运动的轨迹，在方格纸上建立如图乙所示的坐标系，小正方格的边长，若小球在平抛运动中的几个位置如图乙中的所示，，（结果均保留两位有效数字）.
（1）小球的初速度为______；
（2）小球在b点的瞬时速度为______；
（3）小球抛出点的坐标是否为坐标原点______（选填“是”或“否”）；
（4）该同学做完实验后，提出几项减小实验误差的措施，其中正确的是______。
A.实验中应使斜槽轨道尽可能光滑
B.为使小球离开斜槽后能做平抛运动斜槽末端的切线必须水平
C.为了使小球每次运动的轨迹相同，应使小球每次从斜槽上的相同位置由静止释放
D.为了比较准确地描出小球运动的轨迹，应该用一条折线把所有的点连接起来
2．答案：（1）1.2（2）1.5（3）否（4）BC
解析：（1）取三点分析，水平位移间隔均为，所以小球从a点到b点，从b点到c点所用的时间相同，设时间为T，在竖直方向上有
解得
水平方向上，则有
解得
（2）小球在b点时竖直方向上的速度为
所以小球在b点的瞬时速度为
（3）设从抛出点到b点的时间为t，则
解得
所以小球抛出点的横坐标为
纵坐标为
小球抛出点的坐标故不是坐标原点。
（4）AB.实验中必须保证小球做平抛运动，而平抛运动要求有水平初速度，且只受重力作用，所以斜槽轨道末端切线必须要水平，至于是否光滑没有影响，只要能抛出就行，故A错误，B正确；
C.为使小球每次运动的轨迹相同，则要确保小球有相同的水平初速度，所以要求小球每次应从同一位置无初速度释放，故C正确；
D.为比较准确地描出小球的运动轨迹，应用平滑的曲线将点连接起来，偏差太大的点舍去，从而能减小实验误差，故D错误。
故选BC。
实验六：探究影响向心力大小的因素（探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系）
考查频次：中。
【知识梳理】
一、实验目的
探究向心力与半径、角速度、质量的关系。
二、实验仪器
向心力演示器
三、实验思路
采用控制变量法
①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。
②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。
③换用不同质量的小球，在角速度和半径不变的条件下，重复上述操作。
（3）数据处理：分别作出Fn-ω2、Fn-r、Fn-m的图像。
四、实验结论
①在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度的平方成正比。
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。
【试题练习】
3.某同学用向心力演示仪探究向心力与质量、半径、角速度的关系，实验情境如甲、乙、丙三图所示，其中铝球、钢球大小相等。
(1)本实验采用的主要实验方法为________（填“等效替代法”或“控制变量法”）。
(2)三个情境中，图________是探究向心力大小F与质量m关系（选填“甲”、“乙”、“丙”）。在甲情境中，若两钢球所受向心力的比值为，则实验中选取两个变速塔轮的半径之比为________。
(3)某物理兴趣小组利用传感器进行探究，实验装置原理如图丁所示。装置中水平直槽能随竖直转轴一起转动，将滑块放在水平直槽上，用细线将滑块与固定的力传感器连接。当滑块随水平光滑直槽一起匀速转动时，细线的拉力提供滑块做圆周运动需要的向心力。拉力的大小可以通过力传感器测得，滑块转动的角速度可以通过角速度传感器测得。
保持滑块质量和运动半径r不变，探究向心力F与角速度ω的关系，作出图线如图戊所示，若滑块运动半径，细线的质量和一切摩擦可忽略，由图线可得滑块和角速度传感器总质量m=________kg（结果保留2位有效数字）。
3.答案：(1)控制变量法
(2)乙；2：1
(3)0.30
解析：（1）实验利用控制变量法来研究向心力的大小与小球质量、角速度和半径之间的关系。
（2）根据
可知，要研究向心力大小F与质量m关系，需控制小球的角速度和半径不变，由图可知，两侧采用皮带传动，所以两侧具有相等的线速度，根据皮带传动的特点可知，应该选择两个塔轮的半径相等，而且运动半径也相同，选取不同质量的小球。故乙符合题意。
由图可知，两小球质量相等，做圆周运动的轨道半径相同，根据牛顿第二定律
可知
两个变速塔轮边缘的线速度相等，即
联立可得两个变速塔轮的半径之比为
（3）根据
结合图像可知图线的斜率为
解得
4.某科技小组想验证向心力大小的表达式，实验装置如图（a）所示。
（1）本实验采用的实验方法是_________。
A.等效法 B.放大法 C.控制变量法
（2）考虑到实验环境、测量条件等实际因素，对于这个实验的操作，下列说法中正确的是_________（填选项前的字母）。
A.相同体积的小球，选择密度大一些的小球可以减小空气阻力的影响
B.应使小球的释放位置尽量高一点，使小球获得较大的初速度，减小实验误差
C.每组实验过程中力传感器的示数一直变化，小组成员应记录力传感器示数的平均值
（3）固定在悬点O处的力传感器通过长度为l的细绳连接小球，小球直径为d，悬点正下方的光电门可以测量小球直径的挡光时间。在细绳l和小球不变的情况下，改变小球释放的高度，获得多组数据。以力传感器示数F为纵坐标、为横坐标建立坐标系，描出多组数据点，作出如图（b）所示图像，图线斜率为k，在纵轴上的截距为b。则小球的质量为__________（可用和重力加速度g表示）。
4.答案：（1）C（2）AB（3）或者
解析：（1）本实验采用的实验方法是控制变量法，故选C。
（2）A.相同体积的小球，选择密度大一些的小球可以减小空气阻力的影响，选项A正确；B.应使小球的释放位置尽量高一点，使小球获得较大的初速度，减小实验误差，选项B正确；C.每组实验过程中力传感器的示数一直变化，小组成员应记录小球到达最低点时力传感器示数的最大值，选项C错误；故选AB。
（3）根据
其中
可得
可知
解得
或者
解得
实验七：探究动能定理
【知识梳理】
一、实验目的
通过实验探究外力做功与物体速度变化的关系。
二、实验原理
探究功与速度变化的关系，可用如图所示的装置进行实验。通过增加橡皮筋的条数，使橡皮筋对小车做的功成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验中小车的末速度v，最后通过数据分析得出功与速度变化的关系。
三、实验器材
橡皮筋、小车（前面带小钩）、长木板、打点计时器、学生电源、纸带、刻度尺、铁钉等。
四、实验过程
1．垫高长木板的一端，平衡摩擦力。
2．拉伸的橡皮筋对小车做功
（1）用1条橡皮筋拉小车——做功W0；
（2）用2条橡皮筋拉小车——做功2W0；
（3）用3条橡皮筋拉小车——做功3W0。
3．测出每次做功后小车获得的速度v。
4．利用各次实验测得的v和W数据绘制W－v、W－v2、W－v3、…图象，直到明确得出W和v的关系。
五、实验结论
在误差允许的范围内，外力做的功与物体速度的平方成正比，即W∝v2。
六、误差分析
1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比。
2．没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差。
3．利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差。
七、注意事项
1．平衡摩擦力时，将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡。方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，从而找到木板一个合适的倾角。
2．测小车的速度时，应选纸带上的点均匀分布的部分。
3．橡皮筋应选规格一样的。力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值。
4．小车的质量应大一些，使纸带上打的点多一些。
【试题练习】
5.某探究学习小组的同学欲验证“动能定理”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，另外还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、滑块、细沙。当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放小桶，滑块处于静止状态。若你是小组成员，要完成该实验，则：
（1）你认为还需要的实验器材有______。
A.天平 B.秒表 C.刻度尺 D.铁架台
（2）实验时为了保证滑块M受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，沙和沙桶的总质量m应满足的条件是M_____m（填或），实验时首先要做的步骤是_________。
（3）在（2）的基础上，某同学用天平称量滑块的质量M，往沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时沙和沙桶的总质量m，让沙桶带动滑块加速运动，用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小与（）。则本实验最终要验证的数学表达式为_______。
5.答案：（1）AC（2）；平衡摩擦力（3）
解析：（1）本实验需要用天平来测量小滑块及沙和沙桶的总质量，还需要用毫米刻度尺测量纸带计数点之间的距离，故选AC。
（2）设沙和沙桶的总质量为m，滑块质量为M，由牛顿第二定律得，对滑块、沙和沙桶组成的系统，对滑块，解得，当时，实验时为了保证滑块受到的合力与沙桶的总重力大小基本相等，细沙和沙桶的总质量应满足的实验条件是:沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量;实验前要平衡摩擦力。
（3）本实验最终要验证的数学表达式为。
6.用如图所示的实验装置探究功和动能变化的关系。一木板放在安装有定滑轮和光电门的气垫导轨上，木板左右两端安装了宽度均为d的相同遮光条，木板（含遮光条）的质量为M，两遮光条间的距离为L，用不可伸长的细线绕过定滑轮，把木板与力传感器连接起来，传感器下方悬挂钩码，将木板由静止释放，由数字计时器可读出遮光条通过光电门的时间。
（1）在完成实验时，下列不必要的实验要求是______（填选项前字母）。
A.应使木板质量远大于钩码和力传感器的总质量
B.应使木板释放的位置与光电门间的距离适当大些
C.应将气垫导轨调节水平
D.应使细线与气垫导轨平行
（2）按要求调整好实验装置后进行实验，主要测量步骤如下：
①将木板从距离光电门适当的位置由静止释放，木板在细线拉动下运动，记录力传感器的示数F及遮光条先后经过光电门的时间为，则遮光条通过光电门的过程中木板动能的变化量___________，合外力对木板做功_______。（以上两空用字母表示）
②增加所挂钩码的个数，重复①的操作，比较的大小，可得出实验结论。
6.答案：（1）A（2）；
解析：（1）力传感器测出的力就是细线对木板的真实拉力,因此无须满足使木板质量远大于钩码和力传感器的总质量。使木板释放的位置与光电门间的距离适当大些,可减小测量误差;此实验需要满足导轨水平且细线与气垫导轨平行。因此不必要的实验要求是A。
（2）遮光条A通过光电门的速度，遮光条B通过光电门的速度,所以遮光条通过光电门的过程中木板动能的变化量，此过程合外力对木板做功。
实验八：验证机械能守恒定律
考点平均卷面分：7；
【知识梳理】
一、实验目的
验证机械能守恒定律。
二、实验原理
通过实验，求出做自由落体运动的物体重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。
三、实验器材
打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物（带夹子）、刻度尺、铁架台（带铁夹）、导线。
四、实验步骤
1．安装置：按实验原理图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。
2．打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。
更换纸带重复做3～5次实验。
3．选纸带
（1）用mgh＝mv2来验证，应选点迹清晰且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带。
（2）用mvmv＝mgΔh验证时，只要A、B之间的点迹清晰即可选用。
五、实验结论
在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒。
六、误差分析
1．测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从0点量起，用刻度尺一次将所打各点对应的下落高度测量完，二是多测几次取平均值。
2．系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝mv必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力。
七、注意事项
1．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，以减少摩擦阻力。
2．应选用质量大、体积小、密度大的重物。
3．应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落。
4．测重物下落的高度h应用刻度尺直接测量，计算某时刻的瞬时速度时应用vn＝，不能用或vn＝gt来计算。
【试题练习】
7.某物理小组利用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。
(1)用游标卡尺测量小球的直径，示数如图乙所示，小球的直径_________mm。
(2)实验时应___________。
A.先释放小球，后接通数字计时器电源
B.选择质量较大的实心铁球
(3)测出小球释放位置到光电门的高度为h，小球通过光电门的遮光时间为t，若小球下落过程中机械能守恒，则当地重力加速度大小_________（用字母d、h、t表示）。
(4)发现小球增加的动能始终小于减少的重力势能，其主要原因是_________。
7.答案：(1)7.40
(2)B
(3)
(4)小球下落过程中受到了空气阻力
解析：（1）小球的直径
（2）A.实验时要先接通数字计时器电源，后释放小球，选项A错误；B.选择质量较大的实心铁球，以减小阻力的影响，选项B正确；故选B。
（3）小球到达光电门时的速度
若机械能守恒，则
可得当地重力加速度大小
（4）发现小球增加的动能始终小于减少的重力势能，其主要原因是小球下落过程中受到了空气阻力。
8.两个同学用如图所示装置来验证机械能守恒定律，进行了如下实验步骤：
①将质量均为M的重物A（含挡光片）、B用轻质细绳连接后，跨放在定滑轮上，一个同学用手托住重物B，另一个同学测量出到光电门中心的竖直距离h；
②在B的下端挂上质量为m的物块C，让系统（重物A、B以及物块C）中的物体由静止开始运动，光电门记录挡光片挡光的时间；
③测出挡光片的宽度d，计算重物A通过光电门时的速度大小v；
④利用实验数据验证系统（重物A、B以及物块C）机械能守恒定律。
(1)在步骤①中“_________”处，应填_________（选填选项前的字母）
A.A的上表面 B.A的下表面 C.挡光片中心
(2)在步骤④中，如果系统机械能守恒，应满足的关系式为_________（已知当地重力加速度大小为g，用实验中字母表示）。
(3)某次实验分析数据发现，系统重力势能减少量大于系统动能增加量，造成这个结果的原因可能是( )
A.滑轮并非轻质而有一定质量
B.挡光片宽度较大
C.挂物块C时不慎使B具有向下的初速度
8.答案：(1)C
(2)
(3)AB
解析：（1）由于本实验验证机械能守恒定律，即系统重力势能的减少量应等于动能的增加量，所以需要光电门测量速度，用刻度尺测量出挡光片中心到光电门中心的竖直距离h。
故选C。
（2）如果系统机械能守恒，则
所以
（3）A.细绳、滑轮并非轻质而有一定质量，系统重力势能减少量等于重物A、B、物块C、细绳、滑轮组成的系统动能的增加量与滑轮与细绳之间产生滑动摩擦生成的热量之和，则系统重力势能减少量大于重物A、B、物块C动能的增加量，故A正确；
B.挡光片宽度较大，则所测挡光片经过光电门的速度越小于真实值，所以系统重力势能减少量大于重物A、B、物块C动能的增加量，故B正确；
C.挂物块C时不慎使B具有向下的初速度，重物A运动到光电门时挡光片挡光时间变小，则系统重力势能减少量小于重物A、B、物块C动能的增加量，故C错误。
故选AB。

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