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专题3 光电门等现代技术在力学实验中应用实验解答总结
【本专题涉及到的常见的实验】
1、实验：探究小车速度随时间变化的规律
2、实验：探究加速度与力、质量的关系
3、实验：测量动摩擦因数
4、实验：探究平抛运动的特点
5、实验：验证动能定理（探究做功与速度变化的关系）
6、实验：验证机械能守恒定律
7、实验：验证动量守恒定律
8、实验：研究自由落体运动
9、实验：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
【方法总结提升】
1、遮光条通过光电门时的瞬时速度等于其通过光电门的平均速度大小，即v＝＝。
用两个光电门测量加速度常用方法：
①知道遮光条通过光电门1 的时间是
、光电门1 的时间是
、通过两个光电门的时间
是
，则加速度是
②知道遮光条通过光电门1 的时间是
、光电门1 的时间是
、两个光电门的距离是
L，则加速度是
2、用频闪照相的方法、手机录像代替打点计时器．其数据处理方法与纸带类实验处理方法
类似。
通过以上装置的改进能最大限度地减少因长木板和打点计时器的限位孔的阻力而导致的小
车加速度不恒定，使小车尽可能做匀加速直线运动，以提高实验的精确度。
【例题1】利用如图所示装置做“探究加速度与力和质量的关系”的实验，附有滑轮的长
木板平放在实验桌面上，将细绳一端拴在滑块上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码使
滑块在钩码的牵引下运动。
1
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（1）在进行实验时，需要先将长木板倾斜适当的角度，这样做的目的是 ；还要求
重物的质量远小于滑块的质量，这样做的目的是 。
A．使滑块获得较大的加速度
B．使细线的拉力等于滑块受到的合外力
C．使纸带上点迹清晰，便于进行测量
D．使钩码的重力近似等于细线的拉力
（2）根据实验测得的数据，以小车运动的加速度a 为纵轴，力F 为横轴，得到如图所示的
a-F 图像如图中图线A 所示，现仅增大木板与水平方向夹角，得到的图像可能是图中的
（图中所示的A、B、D、E 图线相互平行）。
（3）为进行更精确的实验，对上述装置进行改进，实验装置如图所示。在气垫导轨上相隔
一定距离的两处安装两个光电门，滑块上固定一遮光片，光电门可以记录下遮光片通过光
电门时所用的时间Δt1和Δt2，以及两次开始遮光的时间间隔Δt，用此装置得到的数据绘制
图像，探究加速度与力的关系，除了上述已测得的物理量，还需要测量或记录的数据有
。
A．遮光片的宽度d
B．钩码的质量m
C．滑块和遮光片的总质量M
D．滑块的初始位置到光电门1 的距离L1
【例题2】某学习小组的同学应用自由落体运动知识测当地重力加速度g，将实验器材如图
组装。
实验步骤如下：
A．测出金属球的直径d；
B．测出光电门与B 点（球心等高点）之间的高度h，记录金属小球通过光电门的遮光时间
；
C．逐步下调光电门的位置，测出多组数据，以
为横坐标，
为纵坐标，绘制出
图
像。
（1）金属球过光电门的速度
。
（2）正确操作后绘制出如图所示的
图像，则重力加速度g= m/s2。（结果保留
两位小数）
（3）若未考虑金属小球的半径，从图中的A 点开始测量下落高度，仍然用上述方法，则
测出的重力加速度与小问2 相比 （填偏大、偏小或不变）。
2
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【例题3】某班级同学在探究向心力大小的表达式实验时：
第一小组采用甲图所示的装置进行探究，两个变速塔轮通过皮带连接，转动手柄使长槽和
短槽分别随变速塔轮匀速转动，槽内的钢球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对钢球的压力
提供向心力，钢球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆作用使弹簧测力筒下降，从而露出标
尺，标尺上的红白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比值。
第二小组采用用乙图所示的装置进行探究，滑块套在水平杆上，随水平杆一起绕竖直杆做
匀速圆周运动，力传感器通过一细绳连接滑块，用来测量向心力
的大小。滑块上固定一
遮光片，宽度为d，光电门可以记录遮光片通过的时间，测得旋转半径为
。滑块随杆匀速
圆周运动，每经过光电门一次，通过力传感器和光电门就同时获得一组向心力
和角速度
的数据。
（1）下列实验中与这两组同学采用的科学方法不同是 。
A．探究加速度与力、质量的关系
B．探究影响通电导线受力的因素
C．探究两个互成角度的力的合成规律
（2）第一组同学在某次实验时，两个钢球质量和转动半径相等，图中标尺上红白相间的等
分格显示出两个小球所受向心力的比值为
，与皮带连接的两个变速塔轮的半径之比为
。
3
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②第二组同学实验时，以
为纵坐标，以
为横坐标，可在坐标纸中描出数据点作一条
如图乙所示直线，图线斜率为
，则滑块的质量为 （用
、、d 表示）。
【例题4】如图1 所示为验证动量守恒的实验装置，气垫导轨置于水平桌面上，
和
为
两个光电门，
、
均为弹性滑块，质量分别为
、
，且选择
大于
，两遮光片
沿运动方向的宽度均为
，实验过程如下；
(1)调节气垫导轨成水平状态；
(2)轻推滑块
，测得
通过光电门
的遮光时间为
；
(3)
与
相碰后，
和
先后经过光电门
的遮光时间分别为
和
。
回答下列问题：
①用螺旋测微器测得遮光片宽度如图2 所示，读数为：
；
②实验中选择
大于
的目的是： ；
③利用所测物理量的符号表示动量守恒成立的式子为： 。
1．采用如下图所示的实验装置做“探究平抛运动的特点”的实验。
（1）以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有 。
A．要求斜槽轨道低端保持水平
B．斜槽轨道尽量光滑
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C．每次小球释放的初始位置可以任意选择
D．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接
（2）如图为一小球做平抛运动时用闪光照相的方法获得的相片的一部分，图中背景小方格
的边长为1.25cm，取
。
则：闪光照片的时间为 s；小球运动的初速度
m/s；小球过B 点的竖直速
度
m/s。
2．小王用如图所示的装置探究物块的加速度与力的关系。小王将光电门固定在水平轨道上
的B 点，用不同质量的重物通过细线拉同一物块，每次都将物块从同一位置A 由静止释放。
重物的质量远小于物块（含遮光条）的质量。
（1）若将重物所受的重力视为与物块所受的合力大小相等，则 （填“需要”或“不
需要”）平衡摩擦力。
（2）若物块释放后，遮光条（宽度为d）通过光电门的时间为t，则物块通过光电门时的
速度大小为 。
（3）若测得A、B 间的距离为s，则物块的加速度大小为 。
3．某实验小组为测量一质量为m 的小球通过某一微尘区所受到的平均阻力的大小，设计
了如图甲所示的装置，实验过程如下：
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（1）将小球固定于释放装置上，调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落
过程中球心可通过光电门。测得小球球心与光电门间的竖直距离h。
（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图乙所示，小球直径d=
。
（3）测量时，应 （填选项前的字母序号），并记录小球通过光电门的遮光时间t。
A．先释放小球，后接通数字计时器
B．先接通数字计时器，后释放小球
C．操作的先后顺序对实验结果无影响
（4）已知当地重力加速度为g，由以上测得的相关物理量计算可得小球通过微尘区所受的
平均阻力f= （用字母m、d、g、h 和t 表示）。
4．某实验小组在探究平抛运动的规律时，建立如图所示的xOy 坐标系，小球水平抛出后，
用频闪照相的方法在坐标纸上记录了小球在不同时刻的四个位置a、b、c、d。已知频闪周
期一定，坐标纸每个小方格的边长均为0.064m，取重力加速度大小
，则频闪周
期为 s，小球做平抛运动的初速度大小为 m/s，抛出点的坐标为 。
5．某同学用如图甲所示装置测当地的重力加速度，光电门
、
与光电计时器相连。
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（1）让小球紧靠固定挡板，由静止释放，光电计时器记录小球经过光电门
和光电门
所
用的时间
、
，测出两光电门间的高度差，小球直径为d，则测得小球经过光电门
时
的速度为 ，测得的重力加速度
（用测得的物理量的符号表示）。
（2）将光电计时器记录小球通过光电门的时间改为记录小球从光电门
运动到光电门
所
用的时间。保持光电门
的位置不变，多次改变光电门
的位置，每次均让小球从紧靠固
定挡板由静止释放，记录每次两光电门间的高度差
及小球从光电门
运动到光电门
所
用的时间，求出每次的
，作出
图像如图乙所示，若图像斜率的绝对值为
，纵坐标
截距为
，则小球经过光电门
时的速度为 ，则当地的重力加速度大小为
。
6．某实验小组的同学利用如图所示的实验装置完成了“探究向心力与线速度关系”的实验，
将小球用质量不计长为L 的细线系于固定在铁架台上的力传感器上，小球的下端有一长度
极短、宽度为d 的挡光片，测得小球的直径为D，重力加速度用g 表示。请回答下列问题：
（1）如果挡光片经过光电门时的挡光时间为，则小球通过光电门时的速度大小为
，向心加速度
。
（2）小球通过光电门时力传感器的示数为
，改变小球释放点的高度，多次操作，记录
多组
、
的数据，作出
的图像，如果图线的斜率为
，则小球（含挡光片）的质
量为 。（用已知物理量的符号表示）
7．使用如图所示的实验装置验证动量守恒定律。气垫导轨上安装了1、2 两个与计算机相
连的光电门，既能获得挡光时间，也能获得滑块在两个光电门间运动的时间。两滑块上均
固定一相同的竖直遮光条。
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（1）实验前，接通气源后，在导轨上轻放一个滑块，给滑块一初速度，使它从导轨左端向
右运动，发现 说明导轨已调平；
（2）测出滑块A 和遮光条的总质量为
，滑块B 和遮光条的总质量为
，遮光条的宽
度用
表示。接通气源，将滑块A 静置于两光电门之间，滑块B 置于光电门2 右侧，推动
滑块B，使其获得水平向左的速度，经过光电门2 与A 发生碰撞被弹回，再次经过光电门
2。光电门2 先后记录的挡光时间为
，光电门1 记录的挡光时间为
。要验证两滑
块碰撞前后动量守恒，需验证关系式 是否成立；
（3）现取走滑块B，再提供细线、质量为
（
）的槽码、可固定在气垫导轨左端
且高度可调的轻质定滑轮，重力加速度为
。利用上述器材验证动量定理，请写出实验还
需要测量的物理量 及这些物理量应满足的关系式 ；
（4）写出一条减小（3）中实验系统误差的方法 。
8．某学习小组采用图所示气垫导轨装置验证滑块碰撞过程中的动量守恒。其主要实验步骤
如下，请回答下列问题。
（1）用天平测得滑块A、B（均包括挡光片）的质量分别为m1、m2；用游标卡尺测得挡光
片的宽度相等。
（2）充气后，调节气垫导轨下面的旋钮，导轨左侧放一个滑块并推动滑块，滑块通过两个
光电门时，若与光电门1、2 相连的计时器测得的挡光时间分别为0.05s、0.06s，则应使导
轨右端 （选填“调高”或“调低”）。
（3）气垫导轨已经调节水平后，滑块B 放在两个光电门之间，滑块A 向左挤压导轨架上
的轻弹簧，并释放滑块A，滑块A 一直向右运动，与光电门1 相连的计时器的示数只有一
个，为t1，与光电门2 相连的计时器的示数有两个，先后为t2、t3。说明m1、m2的大小关系
为m1 m2（选填“<”，“>”或“=”）
（4）在实验误差允许范围内，若表达式 （用测得的物理量表示）成立，说明滑块
A、B 碰撞过程中动量守恒；若表达式 （仅用
、
和
表示）成立，说明滑块A、
B 碰撞过程中机械能和动量均守恒。
9．验证动量守恒的实验可以在如图所示的气垫导轨上完成，其中左、右两侧的光电门可以
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记录遮光片通过光电门的挡光时间。实验前，测得滑块A（连同其上的遮光片）的总质量
为
、滑块B（连同其上的遮光片）的总质量为
，两滑块上遮光片的宽度相同。实验时，
开启气垫导轨气源的电源，让滑块A 从导轨的左侧向右运动，穿过左侧光电门与静止在两
光电门之间的滑块B 发生碰撞。
（1）关于实验，下列说法正确的是 。
A．本实验应调整气垫导轨使其保持水平
B．两滑块的质量应满足
C．需要用刻度尺测量两光电门之间的距离
D．需要用秒表测定滑块上的遮光片经过光电门的时间
（2）在某次实验中，光电门记录的遮光片挡光时间如下表所示。
左侧光电门
右侧光电门
碰
前
无
碰
后
在实验误差允许范围内，若满足关系式 ，即验证了碰撞前后两滑块组成的系统动量
守恒；若再满足关系式 ，则可验证两滑块的碰撞为弹性碰撞。
A．
B．
C．
D．
10．为测定当地重力加速度
值，某实验小组用图甲所示装置进行实验。长为
的轻质细
绳一端固定在
点，另一端栓一质量为
的小球（尺寸相对
足够小），在悬点O 点正下
方L 处的
点放有一光电门。
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实验步骤如下：
（1）用螺旋测微器测出小球的直径
，示数如图乙，小球直径
；
（2）将小球拉偏离竖直方向的某位置，用工具测出该位置处的细绳与竖直方向的夹角为
；
（3）释放小球，测出小球经过光电门的时间为
，则小球经过光电门的速度为 ；
（4）写出
、
、
、
和
之间的关系式： （忽略空气阻力的影响）；
（5）若多次从不同夹角
处释放，得到
和
的关系图像如图丙所示，图像的斜率
的绝对值为
，则当地的重力加速度为
（用
、
、
表示）。
（6）在实际操作中为减小实验误差，实验中对于尺寸相同的小球的质量要求正确的是
。
A．质量大 B．质量小 C．质量大小对实验误差无影响
11．用图甲所示的装置进行“探究动能定理”实验。
（1）用天平测量小车和遮光片的总质量M、砝码盘的质量m0；用游标卡尺测量遮光片的
宽度d，游标卡尺的示数如图乙所示，其读数为 cm；按图甲所示安装好实验装
置，用刻度尺测量两光电门之间的距离L；
（2）在砝码盘中放入适量砝码；适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过
光电门1 和光电门2 的时间相等；
（3）取下细线和砝码盘，记下砝码的质量m；
（4）让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计时器分别测出遮光片经过光电门1 和
光电门2 所用的时间△t1、△t2。小车从光电门1 运动至光电门2 的过程中，小车动能的变
化量△Ek= （用上述步骤中的物理量表示）。小车下滑过程中， （选填
“必须”“不需要”）测量长木板与水平桌面的夹角，可求出合外力做的功W 合=
（用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为g），比较W 合和△Ek的值，找出两者之间的
关系；
（5）重新挂上细线和砝码盘，重复（2）～（5）步骤；
（6）不考虑遮光条宽度的影响，滑块动能的增量为△Ek1；考虑遮光条宽度的影响，滑块
动能的增量为△Ek2，则△Ek1 △Ek2（填“>”“=”或“<”）。
12．某同学利用如图1 所示的实验装置探究动能定理并测量小车（含遮光条）的质量M，
已知重力加速度g。
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（1）具体实验步骤如下：
①该同学用游标卡尺对遮光条的宽度进行了测量，读数如图2 所示，则遮光条的宽度d =
cm；
②按图1 所示安装好实验装置，连接小车的细绳与长木板平行，挂上砂桶（含少量砂子）；
③调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车沿长木板向下运动，且通过两个光电门时遮光
条的挡光时间相等；
④取下细绳和砂桶，测量砂子和桶的总质量m，并记下；
⑤保持长木板的倾角不变，不挂砂桶，将小车置于长木板上靠近滑轮的位置，由静止释放
小车，记录小车先后通过光电门甲、乙时的挡光时间；
⑥重新挂上细绳和砂桶，改变砂桶中砂子的质量，重复③④⑤步骤。
（2）若遮光条的宽度为d，光电门甲、乙之间的距离为L，通过光电门甲、乙时挡光时间
分别为t1、t2，该同学根据
计算出每次实验的
，并通过数据作出
图像，图像的延长线恰好可以经过坐标原点，根据图像能得出的实验结论是
，若已知图像斜率为k，那么M= （结果用字母k、g、d、L 表示）。
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