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2012~2021十年高考汇编·专题15 力学实验3-必修二实验汇（解析版）.doc
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专题15 力学实验3-必修二实验汇
（2012-2021）
目录

题型二、验证动能定理 7
题型三、验证机械能守恒定律 9

题型一、验证平抛运动的规律
1.（2021全国乙）某同学利用图（a）所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔 发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图（b）所示（图中未包括小球刚离开轨道的影像）。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为 。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图（b）中标出。

完成下列填空：（结果均保留2位有效数字）
（1）小球运动到图（b）中位置A时，其速度的水平分量大小为___________ ，竖直分量大小为___________ ；
（2）根据图（b）中数据可得，当地重力加速度的大小为___________ 。
【答案】 (1). 1.0 (2). 2.0 (3). 9.7
【解析】（1）[1]因小球水平方向做匀速直线运动，因此速度为

[2]竖直方向做自由落体运动，因此A点的竖直速度可由平均速度等于时间中点的瞬时速度求得

（2）[3]由竖直方向的自由落体运动可得

代入数据可得

2.（2020天津）.某实验小组利用图1所示装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。

①为了正确完成实验，以下做法必要的是________。
A.实验时应保持桌面水平
B.每次应使钢球从静止开始释放
C.使斜面的底边ab与桌边重合
D.选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面
②实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动 ，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为 、 、 ，示意如图2。重力加速度 ，钢球平抛的初速度为________m/s。

③图1装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是________。
【答案】 (1). AB (2). 2 (3). 方便调整木板保持在竖直平面上
【解析】A．实验过程中要保证钢球水平抛出，所以要保持桌面水平，故A正确；B．为保证钢球抛出时速度相同，每次应使钢球从同一位置静止释放，故B正确；CD．实验只要每次钢球抛出时速度相同即可，斜面底边ab与桌面是否重合和钢球与斜面间 摩擦力大小对于每次抛出的速度无影响，故C错误，D错误。
故选AB 每次将木板向远离桌子的方向移动 ，则在白纸上记录钢球的相邻两个落点的时间间隔相等，刚球抛出后在竖直方向做自由落体运动，根据 可知相邻两点的时间间隔为

刚球在水平方向上做匀速直线运动，所以小球初速度为
悬挂铅垂线的目的是方便调整木板保持在竖直平面上。
3.（2019北京）用如图1所示装置研究平地运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出，落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低，钢球落在挡板上时，钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板，重新释放钢球，如此重复，白纸上将留下一系列痕迹点。

（1）下列实验条件必须满足的有____________。
A．斜槽轨道光滑
B．斜槽轨道末段水平
C．挡板高度等间距变化
D．每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球
（2）为定量研究，建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。
a．取平抛运动的起始点为坐标原点，将钢球静置于Q点，钢球的________（选填“最上端”、“最下端”
或者“球心”）对应白纸上的位置即为原点；在确定y轴时______（选填“需要”或者“不需要”）y轴与
重锤线平行。
b．若遗漏记录平抛轨迹的起始点，也可按下述方法处理数据：如图2所示，在轨迹上取A、B、C三点，AB
和BC的水平间距相等且均为x，测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2，则 ______ （选填“大于”、“等
于”或者“小于”）。可求得钢球平抛的初速度大小为____________（已知当地重力加速度为g，结果用
上述字母表示）。

（3）为了得到平抛物体的运动轨迹，同学们还提出了以下三种方案，其中可行的是____________。
A．从细管水平喷出稳定的细水柱，拍摄照片，即可得到平抛运动轨迹
B．用频闪照相在同一底片上记录平抛小球在不同时刻的位置，平滑连接各位置，即可得到平抛运动轨迹
C．将铅笔垂直于竖直的白纸板放置，笔尖紧靠白纸板，铅笔以一定初速度水平抛出，将会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹
（4）伽利略曾研究过平抛运动，他推断：从同一炮台水平发射的炮弹，如果不受空气阻力，不论它们能
射多远，在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体_________。
A．在水平方向上做匀速直线运动
B．在竖直方向上做自由落体运动
C．在下落过程中机械能守恒
（5）牛顿设想，把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点就一次比一次远，如果速度足够
大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。
同样是受地球引力，随着抛出速度增大，物体会从做平抛运动逐渐变为做圆周运动，请分析原因。
【答案】（1）BD （2）a．球心 需要 b．大于 （3）AB （4）B
（5）物体初速度较小时，运动范围很小，引力可以看作恒力——重力，做平抛运动；随着物体初速度增大
运动范围变大，引力不能再看作恒力；当物体初速度达到第一宇宙速度时，做圆周运动而成为地球卫星。
【解析】：（1）实验时必须保证每次小球的初速度是水平的，且每次小球的初速度大小是相等的；挡板的存在是为了记录小球的落点，因此每次挡板下落的高度不一定相同；故BD 对；
（2）钢球在竖直方向做初速度为0的匀加速，如果A点为起点则根据连续相等时间间隔内的位移比为1：3：5：7...，则y1：y2=1：3；否则可能为3：5或5：7等...将大于1：3；又因为
联立1、2式可得： ；
（3）笔尖的运动受到摩擦力故不属于平抛运动；
（4）从同一炮台水平发射的炮弹，在空中飞行的时间都一样。在竖直方向 ，说明物体在竖直方向做自由落体；
（5）见答案
4.（2014·安徽卷）图1是“研究平抛物体运动”的实验装置图，通过描点画出平抛小球的运动轨迹．
(1)以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有________．
a．安装斜槽轨道，使其末端保持水平
b．每次小球释放的初始位置可以任意选择
c．每次小球应从同一高度由静止释放
d．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接

图1
(2)实验得到平抛小球的运动轨迹，在轨迹上取一些点，以平抛起点O为坐标原点，测量它们的水平坐标x和竖直坐标y，图2中y¬x2图像能说明平抛小球运动轨迹为抛物线的是________．

　　 a　　　　　　　　　　　b

　 c　　　　　　　　　　　d
图2

图3
(3)图3是某同学根据实验画出的平抛小球的运动轨迹，O为平抛的起点，在轨迹上任取三点A、B、C，测得A、B两点竖直坐标y1为5.0 cm，y2为45.0 cm，A、B两点水平间距Δx为40.0 cm.则平抛小球的初速度v0为________m/s，若C点的竖直坐标y3为60.0 cm，则小球在C点的速度vC为________m/s(结果保留两位有效数字，g取10 m/s2)．
【答案】(1)ac　(2)c　(3)2.0 　4.0
【解析】 本题考查“研究平抛物体的运动”实验原理、理解能力与推理计算能力．(1)要保证初速度水平而且大小相等，必须从同一位置释放，因此选项a、c正确．
(2)根据平抛位移公式x＝v0t与y＝12gt2，可得y＝gx22v20，因此选项c正确．
(3)将公式y＝gx22v20变形可得x＝2ygv0，AB水平距离Δx＝2y2g－2y1gv0，可得v0＝2.0 m/s，C点竖直速度vy＝2gy3，根据速度合成可得vc＝2gy3＋v20＝4.0 m/s.

题型二、验证动能定理
5（2014·天津卷） (2)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系．此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等．组装的实验装置如图所示．


①若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些______________________________．
②实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行．他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号)．
A．避免小车在运动过程中发生抖动
B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动
D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力
③平衡摩擦后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车的速度．在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决办法：______________________．
④他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些．这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号)．
A．在接通电源的同时释放了小车
B．小车释放时离打点计时器太近
C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉
D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力
(2)①刻度尺、天平(包括砝码) ②D
③可在小车上加适量的砝码(或钩码) ④CD
6.（2014·山东卷）某实验小组利用弹簧秤和刻度尺，测量滑块在木板上运动的最大速度．
实验步骤：
①用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力，记作G；
②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上，通过水平细绳和固定弹簧秤相连，如图甲所示．在A端向右拉动木板，待弹簧秤示数稳定后，将读数记作F；
③改变滑块上橡皮泥的质量，重复步骤①②；
实验数据如下表所示：

G/N 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
F/N 0.59 0.83 0.99 1.22 1.37 1.60
④如图乙所示，将木板固定在水平桌面上，滑块置于木板上左端C处，细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物P连接，保持滑块静止，测量重物P离地面的高度h；
⑤滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的D点(未与滑轮碰撞)，测量C、D间的距离s.

图甲

图乙
完成下列作图和填空：
(1)根据表中数据在给定坐标纸上作出F¬G图线．

(2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数μ＝______(保留2位有效数字)．
(3)滑块最大速度的大小v＝________(用h、s、μ和重力加速度g表示)．
【答案】(1)略
(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42均正确)
(3)2μg（s－h）
【解析】 (1)根据实验步骤③给出的实验数据描点、连线即可．
(2)上问所得图线的斜率就是滑块与木板间的动摩擦因数．
(3)重物下落h时，滑块的速度最大．设滑块的质量为m，细绳拉力对滑块所做的功为WF，对该过程由动能定理得
WF－μmgh＝12mv2－0
滑块从C点运动到D点，由动能定理得
WF－μmgs＝0－0
由以上两式得v＝2μg（s－h）.

题型三、验证机械能守恒定律
7.（2021浙江）在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。


①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是___________。
②已知交流电频率为 ，重物质量为 ，当地重力加速度 ，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值 ___________J、C点的动能 ___________J（计算结果均保留3位有效数字）。比较 与 的大小，出现这一结果的原因可能是___________。
A.工作电压偏高 B.存在空气阻力和摩擦力 C.接通电源前释放了纸带
【答案】 (1). 阻力与重力之比更小（或其它合理解释） (2). 0.547 (3). 0.588 (4). C

【解析】
①[1]在验证机械能守恒实验时阻力越小越好，因此密度大的阻力与重力之比更小
②[2]由图中可知OC之间的距离为 ，因此机械能的减少量为

[3]匀变速运动时间中点的速度等于这段时间的平均速度，因此

因此动能的增加量为

[4]工作电压偏高不会影响实验的误差，存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量。
8.（2021河北）某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系，所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、 的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块（质量为 ，其上可放钩码）、刻度尺，当地重力加速度为 ，实验操作步骤如下：

①安装器材，调整两个光电门距离为 ，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；
②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；
③保持最下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；
④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量 及系统总机械能的减少量 ，结果如下表所示：

0.200 0.250 0.300 0.350 0.400

0.582 0.490 0.392 0.294 0.195

0.393 0.490 0.686 0.785
回答下列问题：
（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为______J（保留三位有效数字）；
（2）步骤④中的数据所缺数据为______；
（3）若M为横轴， 为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出 图像______；

若系统总机械能的减少量等于克服摩擦力做功，则物块与木板之间的摩擦因数为______（保留两位有效数字）
【答案】 (1). 0.980 (2). 0.588 (3). (4). 0.40（0.38~0.42）
【解析】（1）[1]四个钩码重力势能的减少量为

（2）[2]对滑块和钩码构成的系统，由能量守恒定律可知

其中系统减少的重力势能为

系统增加 动能为

系统减少的机械能为 ，则代入数据可得表格中减少的机械能为

（3）[3]根据表格数据描点得 的图像为

[4]根据做功关系可知

则 图像的斜率为

解得动摩擦因数为
（0.38~0.42）
9.（2014·广东卷） (2)某同学根据机械能守恒定律，设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系．
①如图23(a)所示，将轻质弹簧下端固定于铁架台，在上端的托盘中依次增加砝码，测量相应的弹簧长度，部分数据如下表．由数据算得劲度系数k＝________N/m.(g取9.80 m/s2)
砝码质量(g) 50 100 150
弹簧长度(cm) 8.62 7.63 6.66
②取下弹簧，将其一端固定于气垫导轨左侧，如图23(b)所示；调整导轨，使滑块自由滑动时，通过两个光电门的速度大小________．
③用滑块压缩弹簧，记录弹簧的压缩量x；释放滑块，记录滑块脱离弹簧后的速度v.释放滑块过程中，弹簧的弹性势能转化为________．
④重复③中的操作，得到v与x的关系如图23(c)．由图可知，v与x成________关系．由上述实验可得结论：对同一根弹簧，弹性势能与弹簧的________成正比．
　
(a)　　　　　　　　　　　(b)　　　　 (c)
【答案】(2)①50　②相等　③滑块的动能　④正比　压缩量的平方
【解析】 根据F1＝mg＝kΔx1，F2＝2mg＝kΔx2，有ΔF＝F1－F2＝kΔx1－kΔx2，则k＝0.490.0099 N/m＝49.5 N/m，同理可以求得k′＝0.490.0097 N/m＝50.5 N/m，则劲度系数为k＝k＋k′2＝50 N/m.
②滑块离开弹簧后做匀速直线运动，故滑块通过两个光电门时的速度相等．
③在该过程中弹簧的弹性势能转化为滑块的动能；
④图线是过原点的倾斜直线，所以v与x成正比；弹性势能转化为动能，即E弹＝12mv2，即弹性势能与速度平方成正比，则弹性势能与压缩量平方成正比．
10.（2012海南）一水平放置的轻弹簧，一端固定，另一端与一小滑块接触，但不粘连；初始时滑块静止于水平气垫导轨上的O点，如图（a）所示。现利用此装置探究弹簧的弹性势能Ep与其被压缩时长度的改变量x的关系。先推动小滑块压缩弹簧，用米尺测出x的数值；然后将小滑块从静止释放。肜计时器测出小滑块从O点运动至气垫导轨上另一固定点A所用时间t。多次改变x值及其对应的t值如下表所示。(表中的1/t值是根据t值计算得出的)




（1） 根据表中数据，在图（b）中的方格纸上作出 图线。
（2） 回答下列问题：（不要求写出计算或推导过程）
（1）已知点（0，0）在 图线上，从 图线看， 是什么关系?
（2）从理论上分析，小滑块刚脱离弹簧时的动能Ek与 是什么关系（不考虑摩擦力）?
（3）当弹簧长度改变量为x时，弹性势能Ep与相应的Ek是什么关系？
（4）综合考虑以上分析，Ep与x是什么关系？
【答案】（1）根据表中数据，在图（b）中的方格纸上作出 -x图线，如图所示．（2）① -x图线是直线，故 与x成正比；② 与速度成正比，Ek与速度平方成正比，故Ek与（ ）2成正比；③根据机械能守恒，有Ep=Ek；④Ek与（ ）...
【解析】（1）通过描点法作图即可；（2）① -x图线是直线，说明 与x是正比关系；② 与速度成正比，Ek与速度平方成正比；③机械能守恒，故弹簧减小的弹性势能等于增加的动能，即Ep=Ek；④Ek与（ ）2成正比，Ep=Ek， 与x成正比，故Ep与x的平方成正比．