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专题5 力学类创新实验解答总结
【本专题涉及到的常见的实验】
各个力学实验
【方法总结提升】
1、近五年高考物理创新实验题的特点
（1）于教材但不拘泥于教材
分析近五年全国卷实验题发现，全部实验题均“源于教材而不拘泥于教材，源于经典实验
而发展经典实验”，高度体现了2017 年版课程标准提出的“注重体现物理学科本质，培养
学生物理学科核心素养”的理念和“科学探究”为主体的实验评价方式。
（2）创设情境引导学生设计与创新
实验设计已成为高考题的亮点，这类试题以“某同学”“某小组”为主角创设一个新的实
验目的，但深入研究会发现，提供的实验器材和运用的基本原理都是学生熟悉的，只是需
要学生深入理解每一个器材的作用、每一个原理的意义，才能完成设计。这类试题要求学
生深入理解教材中实验所涉及的每一个知识、方法、原理，并能够在新的实验目的下迁移、
重组并应用。
总之，实验题的原理和方法均源于《课程标准》要求的实验，但试题更加注重在新情境下
的迁移与应用，在考查基础知识的基础上更加注重创新思维能力的考查。
2、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——图像法、逐差法融入到
实验的综合分析之中.
3、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,应用原理公式或图像法处理实验数据,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.
4、实验器材的等效与替换
（1）用气垫导轨代替长木板:应调整导轨水平,不必平衡摩擦力.
（2）用光电门、频闪相机代替打点计时器.
（3）.用电子秤或已知质量的钩码等代替弹簧测力计.
【例题1】利用气垫导轨（全程不考虑其对滑块的阻力）和两个光电门验证动量守恒定律，
滑块和遮光条总质量为
，遮光条的宽度为d。如图（a）所示，将气垫导轨调整水平后，
1
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将滑块静置于光电门1 左侧，推动滑块，使其获得水平向右的速度后手放开，滑块经过光
电门1 后，有一质量为
的橡皮泥从h 高处由静止落下，刚好落至下方经过的滑块上，迅
速粘一起后随滑块向右经过光电门2，光电门1、2 记录的挡光时间分别为
、
，重力
加速度为g。
（1）用游标卡尺测得遮光条的宽度如图（b）所示，其读数为 mm。
（2）若碰撞过程中水平方向动量守恒，则应满足的关系式
（用以上所给已知量
表示）。
（3）实验中遮光条宽度的测量值有误差对验证碰撞过程水平方向动量守恒有无影响？请说
明理由： 。
【例题2】某小组用气垫导轨研究碰撞，如图甲所示，两滑块A、B 的两端均固定有弹性钢
圈和相同的挡光片，如图乙所示。已知A、B 两滑块的质量（含挡光片等配件）分别为
mA、mB。
（1）用螺旋测微器来测量挡光片的宽度L，如图丙，读数L= mm；
（2）连接好气垫导轨及气泵，接通电源，将气垫导轨调到水平。将A、B 两滑块分别紧压
左、右弹射架并静止。启动弹射架，发现两滑块在两光电门之间区域发生相互作用并各自
反向弹回。光电门1 记录挡光片两次挡光时间分别为
、，光电门2 记录挡光片两次挡光
时间分别为
、
，如果两滑块在弹性钢圈相互作用时动量守恒，则表达式 （用题中
的物理量符号表示）应成立；
（3）在（2）中，如果两滑块在弹性钢圈相互作用时机械能也守恒，则表达式 （用
2
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题中的物理量符号表示）应成立。
【例题3】某同学利用气垫导轨做验证动量守恒定律的实验，气垫导轨装置如图1 所示，
所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成，两滑块上的挡光板宽度相同。
（1）实验前用游标卡尺测出挡光板的宽度，示数如图2 所示，则挡光板的宽度d=
mm；
（2）实验前需要调节气垫导轨水平：在轨道上只放滑块1，轻推一下滑块1，其先后通过
光电门1 和光电门2 的时间分别为t1、t2，若t1>t2，则应将气垫导轨右端调 （填
“高”或“低”），直到滑块通过两光电门的时间相等；
（3）将滑块2 放在两光电门间的气垫导轨上，滑块1 放在光电门1 的左侧气垫导轨上，在
两滑块上装上如图3 所示的弹性碰撞架，给滑块1 一个向右的初速度，测得滑块1 第一次
通过光电门的挡光时间为t1，滑块1 与滑块2 碰撞后，滑块1 被弹回；再次通过光电门1 的
挡光时间为t2，滑块2 通过光电门2 的挡光时间为t3，根据实验可以判断滑块1（包括挡光
板及弹性碰撞架）的质量m1 （填“大于”、“小于”或“等于”）滑块2（包
括挡光板及弹性碰撞架）的质量m2，如果表达式 成立，则两滑块碰撞过程动
量守恒。
（4）若在两滑块上装上如图4 所示的撞针和橡皮泥，将滑块2 放在两光电门间的气垫导轨
上，滑块1 放在光电门1 的左侧气垫导轨上，给滑块1 一个向右的初速度，滑块1 通过光
电门1 的时间为t4，滑块1 与滑块2 碰撞后，滑块通过光电门2 的时间为t5，测得滑块1
（包括挡光板及撞针）的质量为m3，滑块2（包括挡光板及橡皮泥）的质量m4，如果表达
式 成立，则表明碰撞过程动量守恒。
【例题4】某实验小组用如图（a）所示装置测量重力加速度。将小球A 和手机B 分别系在
一条跨过定滑轮的不可伸长的软绳两端。打开手机B 的phyphox 软件，令小球A 和手机B
3
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静止，细绳拉紧，然后释放小球A 和手机B，通过phyphox 软件测得手机的加速度随时间
变化的图线如图（b），实验室提供的物理量有：小球A 的质量
，手机B 的质量
，当地实际重力加速度
。
（1）实验测得的重力加速度大小为
。（结果保留两位有效数字）
（2）实验测得的重力加速度与实际重力加速度有明显差异，除实验中的偶然误差外，请写
出一条可能产生这一结果的原因： 。
（3）有同学提出本实验还可以研究机械能是否守恒，在小球A 上方h 高处安装光电门和配
套的数字计时器。令小球A 和手机B 静止，细绳拉紧，然后释放小球A 和手机B，数字计
时器记录小球A 通过光电门的时间t，除实验室提供的物理量外，还需要测量的物理量有
（写出物理量的名称和符号），需要验证的原理式为 （用实验室提供的物理量符号
和测量的物理量符号表示）。
1．某同学用如图所示的装置研究碰撞时的动量守恒，实验过程如下：
（1）选用两个宽度均为d（d 很小）的滑块A 和B，且两滑块与木板间的动摩擦因数相同，
在滑块A 的前端粘附少许强力胶（不计强力胶的厚度和质量），安装实验器材。
（2）用垫块垫起长木板的右端，移动垫块的位置，调节木板的倾角，放上并轻推滑块A，
使其经过两光电门的时间相等。这样做的目的是 。
（3）将滑块B 静置于两光电门间的某一位置，将滑块A 静置于光电门1 上方的另一位置，
稍用力推下滑块A，使其以一定的速度沿木板向下运动，滑块A 经过光电门1 的遮光时间
为
，则其运动到光电门1 时的速度
（用d、
表示），滑块A 和滑块B 碰撞后
粘在一起沿木板向下运动，经过光电门2 的遮光时间为
。
（4）已知滑块A 和B 质量分别为
、
，则验证两滑块碰撞时动量守恒的表达式为
（用
、
、
、
表示）。
4
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2．如图1 所示，某课外探究小组利用气垫导轨做“验证动量守恒定律”实验。滑块A 和滑
块B 的质量（包括遮光条）分别为：
、
。实验中弹射装置每次给滑
块A 的初速度均相同，滑块B 初始处于静止状态。滑块A 的遮光条两次通过光电门1 的挡
光时间分别为
、
，滑块B 的遮光条通过光电门2 的挡光时间为
。
（1）打开气泵，先取走滑块B，待气流稳定后将滑块A 从气垫导轨右侧弹出，测得光电门
1 的时间大于光电门2 的时间，为使实验结果准确，后续的操作是( )
A．调高右侧底座旋钮 B．调高左侧底座旋钮
C．将光电门1 向左侧移动 D．将光电门2 向右侧移动
（2）如图2 所示，用游标卡尺测量遮光条的宽度d，其读数为
；
（3 ）经测量滑块A 、B 上的遮光条宽度相同，则验证动量守恒的表达式为：
（用
、
、
、
、
表示）；
（4）小明同学改变实验设计继续验证动量守恒定律，他在滑块B 的右端加上橡皮泥，两滑
块每次相碰后会粘在一起运动。多次改变滑块B 的质量
，记录下滑块B 的遮光条每次通
过光电门的挡光时间
，在方格纸上作出
图像 ；
20
0
210
220
230
240
9.3
9.6
9.8
10.1
10.4
5
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（5）小华同学提出，滑块B 的
质量应包含橡皮泥的质量，考虑到此因素影响，小华所绘制的
图像中的图线与
（4）中绘制的图形相比较，应( )
A．向上平移 B．向下平移 C．向左平移 D．向右平移
3．某活动小组利用图装置测定当地的重力加速度。直径为D 的钢球自由下落过程中，先
后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B 的时间分别为tA、tB。用钢球通过光电
门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度。测出两光电门间的距离为h，则
（1）钢球通过光电门A 时的瞬时速度为 ，钢球通过光电门A、B 间的平均速度为
。
（2）当地的重力加速度为 。
（3）钢球通过光电门A 的平均速度 （选填“>”或“<”）钢球球心通过光电门A 的瞬
时速度。
（4）由于空气阻力的存在会使g 的测量值偏小，该误差属于 （选填：“偶然误差”
或“系统误差”）
4．某同学利用气垫导轨上滑块间的碰撞来寻找物体相互作用过程中的“不变量”，实验装
置如图所示，实验过程如下（“＋、－”表示速度方向）：
实验1 使m1＝m2＝0.25 kg，让运动的m1碰静止的m2，碰后m1、m2一起运动。数据如表
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1。
表2
碰前
碰后
滑块m1
滑块m2
滑块m1
滑块m2
速度
v/（m·s－1）
＋0.140
0
＋0.069
＋0.069
根据这个实验可推知，在误差允许范围内：
（1）碰前物体的速度 （填“等于”或“不等于”）碰后物体速度的矢量和；
（2）碰前物体的动能 （填“等于”或“不等于”）碰后物体动能的和；
（3）碰前物体的质量m 与速度v 的乘积mv （填“等于”或“不等于”）碰后物体
的质量m 与速度v 的乘积mv 的矢量和。
实验2 使2m1＝m2＝0.5 kg，让运动的m1碰静止的m2，碰后m1、m2分开。数据如
表2
碰前
碰后
滑块m1
滑块m2
滑块m1
滑块m2
速度
v/（m·s－1）
＋0.120
0
－0.024
＋0.070
根据实验数据可推知，在误差允许范围内：
（1）碰前物体的速度 （填“等于”或“不等于”）碰后物体速度的矢量和；
（2）碰前物体的动能 （填“等于”或“不等于”）碰后物体动能的和；
（3）碰前物体的质量m 与速度v 的乘积mv （填“等于”或“不等于”）碰后物体
的质量m 与速度v 的乘积mv 的矢量和。
（4）还进行了其他情景的实验，最终在实验中发现的“不变量”是 。
（5）在“探究碰撞中的不变量”实验中，关于实验结论的说明，正确的是 。
A．只需找到一种情景的“不变量”即可，结论对其他情景也同样适用
B．只找到一种情景的“不变量”还不够，其他情景未必适用
C．实验中要寻找的“不变量”必须在各种碰撞情况下都不改变
D．进行有限次实验找到的“不变量”，具有偶然性，结论还需要检验。
5．某物理兴趣小组在自主学习中看到书籍中记载：两物体间的最大静摩擦力
与接触面
间的压力
成正比，且比例系数由材料决定。于是他们设计如下实验进行验证：
将长木板A 水平固定，在木板上放置装有拉环的滑块B，用测力计的挂钩钩住拉环，缓缓
增大拉力，直至拉动滑块B。在 时，记下测力计示数
；
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在B 上加放砝码，同样拉动滑块B，记下砝码质量
和方力计示数
；
重复上述过程多次，记下每次砝码的质量
和测力计示数
；
在坐标纸上建立坐标轴，以测力计示数
为纵坐标，以
作为横坐标，根据实验数据描点
画出
图像。发现是一条 （选填“过原点”或“不过原点”）的直线；
由于
图像是一条直线，他们得出结论：木板A 与滑块B 之间的最大静摩擦力
与压
力
的比例系数
在误差范围内是一个定值。
若该直线的斜率为
，则比例系数
。
6．某同学用DIS 实验装置来验证“机械能守恒定律”，如图甲，力传感器固定在天花板上，
细线一端吊着小球。实验步骤如下：
①将质量为m 的小球拉至与竖直方向夹角为
处的A 点无初速释放；
②通过软件描绘出细线拉力大小F 随时间变化如图乙；
③改变无初速释放小球时细线与竖直方向夹角
值，重复实验，得到多组数据。
（1）小球由A 点无初速释放到第一次回到A 点的时间为 （用含有
的符号表
示）；
（2）如图丙，以
为横轴，以小球运动到最低点时细线拉力大小
为纵轴，描点绘图，
已知当地的重力加速度为g，当图像斜率
；纵轴截距
时，
即可验证小球机械能守恒。（用题中所给物理量符号表示）
7．在利用打点计时器测定匀变速直线运动的加速度的实验中，打点计时器接在50Hz 低压
交流电源上，某同学在打出的纸带上按打点的先后顺序每5 个点取一个计数点，共取了
A、B、C、D、E、F 六个计数点。从A 点开始在每一个计数点处将纸带剪开分成五段（分
别为a、b、c、d、e 段），将这五段纸带由长到短紧靠但不重叠地粘在xOy 坐标系中，如
图所示。
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（1）若把每一段纸带的右上端连接起来，结果得到一条倾斜的直线，如图所示，由图可知
纸带 （选填“匀加速”、“匀减速”或“匀速”）直线运动，且直线与x 轴正
方向的夹角越大，说明纸带运动的加速度 （选填“越大”或“越小”）。
（2 ）从第一个计数点A 开始计时，为求出0.15s 时纸带的瞬时速度，需要测出
（选填“a”“b”“c”“d”或“e”）段纸带的长度。
（3）若测得a 段纸带长度为15.0cm，e 段纸带长度为3.0cm，则可求出加速度大小为
m/s2（保留两位有效数字）。
8．如图，在直尺上钻一个小孔，使小孔恰能穿过一根细线，线下端挂一质量为m、直径为
d 的小钢球。将直尺固定在水平桌面上，使钢球在水平面内做圆心为O 的匀速圆周运动，
待钢球的运动稳定后，从直尺上方，保持视线垂直于直尺往下看，估测钢球外侧到点O 的
距离r。再测量转动n 圈的时间t，计算转动的周期，再用刻度尺测出圆锥摆的高度，就可
验证向心力公式。利用上述装置完成探究。
（1）用秒表或手表测量钢球运动n 圈的总时间t，钢球的运动周期为 ；
（2）钢球做匀速圆周运动的半径为 ；
（3）测量O 点距选点的高度h，则细绳与竖直方向的夹角的正切为 ；
（4）小球在运动时受到的合力为 ；
（5）利用公式计算小球需要的向心力为 ；
（6）若满足 ，则可以验证向心力公式。
9．物理小组利用频闪照相和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的试验。步骤如下：
①用天平测出滑块A、B 的质量分别为300g 和200g
②安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；
③向气垫导轨通入压缩空气；
④把A、B 两滑块放到导轨上，并给他们一个初速度，同时开始闪光照相，闪光的时间间
隔设定为
。照片如图：该组同学结合实验过程和图像分析知：该图像是闪光4 次
摄得的照片，在这4 次闪光的瞬间，A、B 两滑块均在0~80cm 刻度范围内；第一次闪光时，
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滑块B 恰好通过x=55cm 处，滑块A 恰好通过x=70cm 处；碰撞后有一个物体处于静止状态。
请问：
（a）以上情况说明碰后 （选填A 或B）物体静止，滑块碰撞位置发生在
cm 处；
（b）滑块碰撞时间发生在第一次闪光后 s；
（c ）设向右为正方向，试分析碰撞前两滑块的质量与速度乘积之和是
kg·m/s，碰撞后两滑块的质量与速度乘积之和是 kg·m/s，以上实验结果说明在
碰撞过程中保持不变的物理量是 。
10．某物理兴趣小组同学利用如图甲所示的“气垫导轨”和“光电计时器”来研究滑块的
匀变速直线运动。实验步骤如下：
①用刻度尺测量滑块上遮光条的宽度d 和两光电门间的距离L；
②释放左侧的槽码，滑块向左做加速运动，通过光电门1 时的时间为Δt1，通过光电门2 时
的时间为Δt2；
③保持光电门1 的位置不变，左右移动光电门2 的位置，并测量多组L 值，以
为纵坐
标，L 为横坐标，绘制出
-L 图像。
回答下列问题：
（1）用刻度尺测量的遮光条的宽度如图乙所示，则d= cm；
（2）若绘制的
-L 图像如图丙所示，则Δt1= s，物块运动的加速度大小为a=
m/s2（结果均保留两位有效数字）；
（3）下列方法可以减小实验误差的是 。（填标号）
A．适当地增大遮光条的宽度
B．换用更光滑的气垫导轨
C．多次测量遮光条的长度，取平均值
11．某研究性学习小组利用如图1 所示装置测量弹簧的弹性势能和物块与桌面间的动摩擦
因数，实验步骤如下：
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①将一长直薄木板上端斜靠在水平桌面右边缘O 点，长木板下端固定在水平地面上；
②将轻弹簧一端固定在水平桌面左边沿的墙面上，弹簧处于原长时，其右端在O 点左侧；
③用带凹槽的物块把弹簧压缩到P 点，释放物块，测出物块在长木板上的落点与O 点的距
离x；
④通过在物块上增减砝码来改变物块的质量m，重复步骤③的操作；
⑤得到一系列的
与
，根据数据作出
图象，如图
所示。
回答下列问题：
（1）为达到实验目的，除已经测出物块的质量和在长木板上的落点与O 点的距离x 外，还
需要测量 ；
A．弹簧的原长L0
B．P 点到桌面右边沿的距离L
C．用量角器测出长木板与水平面的夹角θ
D．弹簧压缩前物块到桌面右边沿的距离L1
（2）若当地的重力加速度为g，根据图2 可知弹簧被压缩到P 点时的弹性势能为 ，
物块与桌面间的动摩擦因数为 。（用图2 中的a、b 和（1）中所选物理量的符号表示
结果）
12．某学习小组采用图甲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
（均包括挡光片）的质量分别为
；用游标卡尺测得挡光片的
宽度均为d。若某次用游标卡尺测量挡光片的宽度时的示数如图乙所示，则其读数为
mm。
(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0.05 s、0.06 s，则应使导轨
右端 （选填“调高”或“调低”），直至滑块在导轨上运动，通过两个光电门
时 ，说明气垫导轨已经调节水平。
11
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(3)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
，与光电门2 相连的计时
器的示数有两个，先后为
。
(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
碰撞过程中动量守恒；若表达式 （仅用、
和
表示）成立，说明滑
块
碰撞过程中机械能和动量均守恒。
12
