文档内容
实验 1 力学实验
考点内容 考情分析
考向一 以“测速度”为核心的力学试 力学实验探究题是高考的必考内容，高考对于这部分
验 知识点的命题形式是：根据实验原理，设计实验，正
确处理实验数据，得出实验结论。将考查的知识点延
考向二 其他力学试验 伸到演示实验中，扩展到设计性、应用性等实验。需
要学生能够将所学的实验原理和实验方法知识迁移到
考向三 力学创新实验
情境实验中去。
1.思想方法
1．力学创新型实验的特点
(1)以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和力学定律设计实验．
(2)将实验的基本方法——控制变量法，处理数据的基本方法——图象法、逐差法，融入到实验的综
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，应用原理公式或图象法处理实验数据，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．
2.模型建构
一、力学基本仪器的使用与读数
游标卡尺和螺旋测微器读数时应注意的问题(1)10分度的游标卡尺，以mm为单位，小数点后只有1位。20和50分度的游标卡尺以mm为单位，
小数点后有2位。
(2)游标卡尺在读数时先确定主尺的分度值（单位一般是 cm,分度值为1mm),把数据读成以毫米为单
位的。先读主尺数据，再读游标尺数据，最后两数相加。游标卡尺读数不估读。
(3)不要把游标尺的边缘当成零刻度，而把主尺的刻度读错。
(4)螺旋测微器读数时，要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出；要准确到0.01m,估读
到0.001mm,即结果若用mm做单位，则小数点后必须保留三位数字。
二、纸带类实验综合
“长木板、小车、纸带、打点计时器”实验装置中的细节及注意事项
(1)打点计时器系列四个实验
力学实验中用到打点计时器的实验主要有4个，分别是研究匀变速直线运动，验证牛顿运动定
律，探究动能定理，验证机械能守恒定律。
(2)纸带数据的处理方法(3)需要平衡摩擦力的两个实验及方法
验证牛顿运动定律和探究动能定理两个实验均需平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法是垫高有打点计时
器的一端，给小车一个初速度，使小车能匀速下滑。
(4)四个关键点
①区分计时点和计数点：计时点是指打点计时器在纸带上打下的点。计数点是指测量和计算时在
纸带上所选取的点。要注意“每五个点取一个计数点”与“每隔四个点取一个计数点”的取点方法
是一样的。
②涉及打点计时器的实验均是先接通电源，打点稳定后，再释放纸带。
③实验数据处理可借助图像，充分利用图像斜率、截距等的物理意义。
④小车在长木板上做匀加速直线运动时，绳上的拉力并不等于悬挂物的重力，只有当M ＞＞m
车 挂
时，绳上的力近似等于悬挂物的重力。如果绳上连接着力传感器或测力器，则可直接读出绳上的拉
力，不要求M ＞＞m 。
车 挂考向一 以“测速度”为核心的力学试验
1. （2024•五华区校级模拟）如图甲所示为在做“研究匀变速直线运动”的实验中，某
同学用打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点间还有四个
点没有标出，打点计时器打点的时间间隔 T＝0.02s，其中x ＝7.05cm、x ＝7.68cm、x ＝
1 2 3
8.33cm、x ＝8.95cm、x ＝9.61cm、x ＝10.26cm。
4 5 6
（1）下表列出了打点计时器打下B、C、E、F点时小车的瞬时速度，则打点计时器打下 D点时
小车的瞬时速度为 m/s。
位置 B C D E F
速度（m•s﹣ 0.737 0.801 0.928 0.994
1）
（2）请以A点为计时起点，在坐标图（图乙）中画出小车的速度—时间关系图线 。
（3）根据你画出的小车的速度—时间关系图线计算出的小车的加速度 a＝ m/s2
（结果保留2位有效数字）。
（4）如果实验时交变电源的频率是f＝49Hz，而做实验的同学并不知道，由此引起的系统误差
将使加速度的测量值比实际值偏 （填“大”或“小”）
2. （2024•中山区校级模拟）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h 、
A
h 、h 、h 、h 。已知当地重力加速度为g。
B C D E
（1）实验操作时，应该 。（填正确答案标号）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v ＝ 。（用题中所给物理量的字母表示）
D
（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。
3. （2024•长春一模）某实验小组利用如图（a）所示的实验装置验证动量守恒定律。
（1）安装实验器材，检查气垫导轨是否水平：取走滑块B，打开充气泵，向左轻推滑块A，发
现其通过光电门1的遮光时间小于通过光电门2的遮光时间，可调节 （选填“①”、
“②”、“③”、“④”）使气垫导轨的左端适当 （填“升高”或“降低”），直
至A通过两光电门的遮光时间相等。
（2）两遮光片的宽度均为 d，利用游标卡尺测量遮光片的宽度如图（b）所示，d＝
cm。将滑块B静置于两光电门中间，向左轻推滑块A，测得A通过光电门1的速光时间为t ＝
1
0.01s，则碰前A的速度大小v ＝ m/s。A与B相碰后A反向弹回，再次经过光
A
电门1的遮光时间为t ，B经过光电门2的遮光时间为t 。
2 3
（3）滑块A、B的质量分别为m 、m ，在误差允许范围内，若满足关系式 m m
A B = B− A
t t
3 2
（用字母m 、m 、t 、t 、t 表示），则A、B组成的系统动量守恒。
A B 1 2 3考向二 其他力学试验
4. （2024•郑州三模）为了探究弹簧振子振动周期与振子质量的关系，某同学设计了如
下实验，实验装置如图（a）所示。轻质弹簧上端悬挂在铁架台上，下端挂一智能手机，手机
中的传感器可以测量手机到铁架台底端的距离，将实时变化的数据记录并输出图像，实验步骤
如下：
（1）测出手机的质量m ＝0.15kg；
0
（2）在弹簧下端挂上该智能手机，打开手机的传感器软件，使弹簧振子在竖直方向做简谐运动；
（3）手机到铁架台底端的距离x随时间t变化的图像如图（b）所示，从图中可以算出弹簧振子
振动周期T＝ （用“t
0
”表示）；
（4）在手机下方挂上不同数量的钩码，从而改变整体振子质量m，重复上述步骤；
（5）实验测得数据如表所示，请在坐标纸上（图（c））做出T2﹣m图像；
（6）分析图表数据可知，弹簧振子振动周期的平方T2与振子质量m的关系成 （填“正
比”或“反比”）。
m/kg T/s T2/s2
0.15 0.243 0.059
0.25 0.314 0.099
0.35 0.372 0.138
0.45 0.422 0.178
0.55 0.466 0.217
5. （2024•浙江模拟）在“探究加速度与力、质量的关系”实验中：（1）某小组设计了图1所示的实验装置，以下操作正确的是 。
A.使小车质量远小于槽码质量
B.调整垫块位置以补偿阻力
C.补偿阻力时移去打点计时器和纸带
D.释放小车后立即打开打点计时器
（2）保持槽码质量不变，改变小车上砝码的质量，得到一系列纸带。其中一条纸带的计数点如
图2所示，相邻两点之间的距离分别为s ，s ，…，s ，时间间隔均为T。下列加速度算式中，
1 2 8
最优的是 。
A. 1 s −s s −s s −s s −s s −s s −s s −s
a= ( 8 7+ 7 6+ 6 5+ 5 4+ 4 3+ 3 2+ 2 1 )
7 T2 T2 T2 T2 T2 T2 T2
B. 1 s −s s −s s −s s −s s −s s −s
a= ( 8 6+ 7 5+ 6 4+ 5 3+ 4 2+ 3 1 )
6 2T2 2T2 2T2 2T2 2T2 2T2
C. 1 s −s s −s s −s s −s s −s
a= ( 8 5+ 7 4+ 6 3+ 5 2+ 4 1 )
5 3T2 3T2 3T2 3T2 3T2
D. 1 s −s s −s s −s s −s
a= ( 8 4+ 7 3+ 6 2+ 5 1 )
4 4T2 4T2 4T2 4T2
1
（3）以小车和砝码的总质量M为横坐标，加速度的倒数 为纵坐标，甲、乙两组同学分别得到
a
1
的 −M图像如图3所示。由图可知，在所受外力一定的条件下，a与M成 （填“正
a
比”或“反比”）；甲组所用的 （填“小车”、“砝码”或“槽码”）质量比乙组的
更大。
6. （2024•朝阳区校级模拟）某实验小组探究单摆做简谐运动的周期和小球的质量、单摆摆长的关系。
（1）小组内的两位同学各自组装了一套实验装置，分别如图甲、乙所示。为了保证小球在确定
的竖直面内摆动，应选用图 （选填“甲”或“乙”）所示的实验装置。
（2）关于该实验，下列说法正确的是 。
A.该探究方法为控制变量法
B.实验所用小球的质量要尽量大，体积要尽量小
C.实验时细线的最大摆角约为45°
D.测量小球的摆动周期时，应该从小球处于最高点时开始计时
（3）当小球的质量一定，探究单摆做简谐运动的周期和摆长的关系时，该小组同学利用正确装
置通过改变摆长进行了多次实验，得到了多组关于摆长l和其对应的周期T的数值，画出的T2﹣
l图像如图丙所示，由图丙可得小球的质量一定时，周期T和摆长l的关系为T＝ （用a、
b、l表示）。
7. （2024•信阳一模）实验小组用如图1所示实验装置测量小球的质量和当地的重力加
速度。（1）在竖直铁架台上固定一个力传感器和一个光电门，在传感器离竖直杆一定距离上系一根轻
绳，轻绳另一端连一个小钢球。用游标卡尺测量小球的直径d如图2所示，则小球直径为
cm；
（2）小球静止悬挂时，用毫米刻度尺测量轻绳悬点到小球球心的距离 l，调节光电门，使小球
球心正对光电门；
（3）将轻绳拉到偏离平衡位置一定角度，由静止释放小球，小球摆动经过光电门，读出小球经
过光电门时的遮光时间Δt和传感器的示数F；
（4）多次重复实验，让小球从偏离平衡位置不同角度释放，分别记录小球通过光电门的时间
1 1 1
Δt，并计算 。以力传感器示数F为纵轴、 为横轴做出F− 的的关系图像如图3所示，
Δt2 Δt2 Δt2
已知图像的斜率为k，截距为b。则小球的质量为 ，当地的重力加速度为 。
（用题中给出的字母d、l、b、k表示）；
（5）若在第（2）步测量的是从轻绳悬点到小球底端的长度，则小球质量的测量值
（选填“偏大”、“不变”、“偏小”），重力加速度测量值 （选填“偏大”、“不
变”、“偏小”）。
考向三 力学创新实验
8. （2024•福建一模）某同学用如图所示装置探究物体做圆周运动时向心力与角速度的
关系。力传感器固定在竖直杆上的A点，质量为m的磁性小球用细线a、b连接，细线a的另
一端连接在竖直杆上的O点，细线b的另一端连接在力传感器上。拉动小球，当 a、b两细线
都伸直时，细线b水平，测得OA间的距离为L ，小球到A点距离为L ，磁传感器可以记录
1 2
接收到多次最强磁场信号的时间间隔，重力加速度为g。
（1）实验时，保持杆竖直，使小球在细线b伸直且水平的条件下绕杆做匀速圆周运动，磁传感
器接收到第一个最强磁场信号时记为1，并开始计时，记录接收到第n个最强磁场信号的时间间
隔t，则小球做圆周运动的角速度 ＝ ，测得力传感器的示数为F，则小球做圆周运动的
向心力F ＝ （此空用含ωF的式子表示）；
n
（2）多次改变小球做圆周运动的角速度（每次细线b均伸直且水平），重复步骤（1），得到多1
组F及对应t的数据，作出F− 图像，可得图像是一条倾斜直线，直线与纵轴的截距为 ，
t2
斜率为 ；
（3）由实验 结 果可知，小球做匀速圆周运动时，在质量、半径一定的条件下，向心力大小与
（填“角速度”或“角速度的平方”）成正比。
9. （2024•沙坪坝区校级模拟）某同学用如图（a）所示的装置验证机械能守恒定律。不
可伸长的轻绳绕过轻质定滑轮，轻绳两端分别连接物块P与感光细钢柱K，两者质量均为m＝
100g。钢柱K下端与质量为M＝200g的物块Q相连。铁架台下部固定一个电动机，电动机竖
直转轴上装一支激光笔，电动机带动激光笔绕转轴在水平面内匀速转动，每转一周激光照射在
细钢柱表面时就会使细钢柱感光并留下痕迹。初始时 P、K、Q系统在外力作用下保持静止，
轻绳与细钢柱均竖直（重力加速度g取9.8m/s2）。（1）开启电动机，待电动机以角速度 ＝20 rad/s匀速转动后，将P、K、Q系统由静止释放，
Q落地前，激光在细钢柱K上留下感光ω痕迹，π取下K，测出感光痕迹间的距离如图（b）所示：
h ＝38.40cm，h ＝60.00cm，h ＝86.40cm。感光痕迹间的时间间隔T＝ s，激光束
A B C
照射到B点时，细钢柱速度大小为v ＝ m/s。经判断系统由静止释放时激光笔光
B
束恰好经过O点，在OB段，系统动能的增加量ΔE ＝ J，重力势能的减少量ΔE ＝
k p
J，比较两者关系可判断系统机械能是否守恒。（该小问除第一空外，其余计算结果均保留3位
有效数字）
（2）选取相同的另一感光细钢柱K，若初始时激光笔对准K上某点，开启电动机的同时系统由
静止释放，电动机的角速度按如图（c）所示的规律变化，图像斜率为k，记录下如图（d）所示
m
的感光痕迹，其中两相邻感光痕迹间距均为d。当 满足 即可证明系统在运动过程中机
M
械能守恒（用含字母d、k、g、 的表达式表示）。
10. （2024•龙凤区校级模π拟）某同学用三根完全相同的弹簧设计了如下实验，以探究弹
簧的劲度系数。
（1）将弹簧上端均固定在铁架台上相同高度的横杆上，甲装置用一根弹簧挂物块m ，乙装置用
1另外两根弹簧挂大小相同但质量不同的物块m ，在物块正下方的距离传感器可以测出物块到传
2
感器的距离，此时刚好均为x ，如图所示，则m 是m 的 倍。
1 1 2
（2）只交换两物块的位置，此时甲装置的距离传感器显示为 x ，弹簧相对原长的形变量为
2
Δx ；乙装置中的每根弹簧相对原长的形变量为Δx ，则Δx 是Δx 的 倍。
1 2 1 2
（3）已知物块质量m ＝0.50kg，当地重力加速度为9.8m/s2，该同学测得x ＝10cm、x ＝8cm，
1 1 2
则每根弹簧的劲度系数k＝ N/m。
11. （2024•北京一模）某实验小组用如图1所示的装置验证机械能守恒定律。
（1）在实验操作过程中，下列做法正确的是
A．实验中打点计时器可以使用直流电源
B．实验时应先接通打点计时器的电源再释放纸带
C．实验时纸带与打点计时器的两个限位孔应在同一竖直线上
D．打点计时器、天平和刻度尺都是本实验必须使用的测量仪器
（2）如图2所示为某次实验打出的纸带，取纸带上连续的五个点 A、B、C、D、E，通过测量
并计算出点A距起始点O的距离为s ，AC间的距离为s ，CE间的距离为s ，若相邻两点的时
0 1 2
间间隔为T，重锤质量为m，重力加速度为g。根据这些条件计算从O点到C点的过程中重锤重
力势能的减少量ΔE ＝ ，动能的增加量ΔE ＝ 。
P k（3）利用该装置还可以测量当地的重力加速度：
某同学的做法是以各点到起始点的距离h为横坐标，以各点速度的平方v2为纵坐标，建立直角
坐标系，用实验测得的数据绘制出v2﹣h图像，如图3所示。请画出v2﹣h图线并求得当地重力
加速度g＝ m/s2。（结果保留三位有效数字）
（4）小刚利用气垫导轨和光电门等器材验证机械能守恒定律，图 4是实验装置的示意图。实验
时开启气泵，先将气垫导轨调至水平，然后滑块通过细线与托盘和砝码相连。将滑块从图示位
置由静止释放，读出挡光条通过光电门的挡光时间为t。已知刚释放时挡光条到光电门的距离为
l，挡光条的宽度为d，且d≪l，托盘和砝码的总质量为m，滑块和挡光条的总质量为M，当地
的重力加速度为g。在滑块从静止释放到运动到光电门的过程中，系统重力势能的减少量ΔE ＝
P
mgl；系统动能的增加量ΔE ＝ 。在误差允许的范围内，如果ΔE ＝ΔE ，则可验证系统
k P k
的机械能守恒。
12. （2024•浙江二模）阿特伍德机是著名的力学实验装置，根据该装置可测量重力加速
度，也可验证牛顿第二定律、机械能守恒定律或动量定理等力学规律。图甲是阿特伍德机的其
中一种简化模型，铁架台上固定一轻质滑轮，跨过滑轮的轻质细绳悬吊质量均为M＝0.440kg
的两个物块P、Q，物块P侧面粘贴小遮光片，其宽度为d、质量忽略不计。在物块P、Q下各
挂5个相同的小钩码，质量均为m＝0.010kg。光电门1、2通过连杆固定于铁架台上，并处于同一竖直线上，且光电门1，2之间的距离为h。两光电门与数字计时器相连记录遮光片通过光
电门的时间。整个装置现处于静止状态，当地的重力加速度为g。实验步骤如下：
n 1 2 3 4 5
a/m•s﹣2 0.20 0.41 0.59 0.79 1.00
（1）该小组同学先用该装置探究牛顿第二定律。将n（依次取n＝1、2、3、4、5）个钩码从物
块P的下端摘下并挂在物块Q下端的钩码下面。释放物块，用计时器记录遮光片通过光电门1、
2的时间t 、t 。由匀变速运动规律可得到物块P上升过程的加速度a＝ （用“h、d、t 、
1 2 1
t ”表示）。该小组同学测量的数据见上表，他们将表格中的数据转变为坐标点画在图乙的坐标
2
系中，并作出a﹣n图像。从图像可以得出：a与n成正比，图像的斜率k＝ （用“M、
m、g”表示）。根据斜率可进一步求得当地的重力加速度。同时也说明当连接体质量一定时，
连接体的加速度与其所受的合外力成正比。
（2）该小组同学想利用该装置验证机械能守恒定律，将 5个钩码从物块P的下端摘下并挂在物
块Q下端的钩码下面。释放物块，用计时器记录遮光片通过光电门1、2的时间t 、t 。该过程
1 2
中系统动能的增加量ΔE ＝ ，系统重力势能的减少量ΔE ＝ 。
k p
（用“M，m，g，h、d、t 、t ”表示），代入真实的数据计算后即可得出系统的机械能是否守
1 2
恒的结论。
（3）该小组同学还想利用该装置验证动量定理，将5个钩码从物块P的下端摘下并挂在物块Q
下端的钩码下面。释放物块，用计时器记录遮光片通过光电门1、2的时间t 、t 。并且记录下遮
1 2
光片从1运动到2的时间t。若以运动方向为正方向沿绳子建立一维坐标系，则该过程中系统
“绳向”的动量变化量为Δp＝ ，“绳向”合外力对系统的冲量I＝ 。
（用“M，m，g，d，t，t 、t ”表示），代入真实的数据计算后即可验证系统动量的变化量与
1 2合外力的冲量大小是否相等。
