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创新03 实验器材的改进
根据实验目的，结合实验原理，测量相应的物理量，可以使用不同的实验器材，如力
的测量可以弹簧秤也可以利用力的传感器，再如速度的测量可以利用打点计时器与纸带，
也可以利用光电门和挡光片与光电计时器等等。由于实验器材的改进，测量物理量的方法
不断创新，相应的数据处理方法也不断改进。
如：验证机械能守恒定律：
1. 实验装置如图所示，利用打点计时器记录重物自由下落的
运动过程。
物体的质量可以用天平测出；纸带上某两点的距离等于物体下
落的高度差。进而得到物体下落过程中重力势能的变化；物体的瞬
时速度可以从纸带上测出，其根据是“物体某段时间中间时刻的瞬
时速度等于这段时间内的平均速度”，进而得到物体在各点的动能；
比较重物在某两点间动能的变化与重力势能的变化，验证机械能是
否守恒。
2. 实验装置如图所示，利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过
程。
把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。
测量滑块和遮光条的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度Δh 和初、
末速度v1、v2就可以验证机械能是否守恒。
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例1. （2023·福建莆田期中试卷）在“验证机械能守恒定律”的实验中：
（1）某同学选用电磁打点计时器，则应按________（选填“甲”“乙”或“丙”）图
中的方法连接电源。
（2）释放纸带前，正确的操作方式是________。
A．
B．
C．
D．
（3）本实验中，下列说法正确的是________。
A．可选用木质重物作为研究对象
B．重物的质量可以不测
C．安装打点计时器时，应使两个限位孔处于同一整直线上
D．可以根据v=gt 来计算重物在t 时刻的瞬时速度
（4）该同学在实验中打出的一条纸带，根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出
各点到O 点的距离s，那么以v2为纵坐标、以s 为横坐标画出的图像应是一条直线且斜率
等于________则可以说明重物下落过程的机械能守恒。（当地的重力加速度为g，本小题
用题中所给的物理量表示）
例2.（2023·天津·统考高考真题）利用气垫导轨和光电门验证机械能守恒的实验
实验装置如图，已经测得：
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a．遮光片长度d
b．释放滑块时滑快上遮光片小车到光电门长度l
c．钩码质量m1，滑块与遮光片质量m2
接通气源，释放钩码。则
（1）已知滑块上遮光片通过光电门时间Δt，滑块通过光电门时的速度为 ；
（2）在滑块从释放到滑块上遮光片经过光电门这一过程中，系统重力势能减少量为
，动能增加量为 ；
（3）改变l，做多组实验，做出如图以l 为横坐标。以
为纵坐标的图像，若机械
能守恒成立，则图像斜率为 。
力学实验中，力的测量可以使用力传感器，速度、加速度的测量也可能直接使用相应
的传感器。为了减小平衡摩擦力的步骤，使用气垫导轨代替长木板；电学实验中，有时候
会将电表换为传感器，如电流传感器等，或者通过电表的改装，将电流计改装为电流表、
电压表，以实现电流、电压的测量。
1.（安徽江南十校24 届期中考试）某实验小组用下图甲所示装置验证机械能守恒定律。
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图甲中一细绳跨过悬挂的轻质定滑轮，两端系有质量分别为m1、m2的小球A 和B
（m1>m2），令两小球静止，细绳拉紧，将米尺靠近小球A 竖直放置并固定，初始时小球A
与零刻度线齐平，记为O 点。由静止释放小球，用数码相机拍摄记录小球运动过程的视频，
然后解析视频记录的图像，得到了小球A 每隔ΔT 时间的位置分帧照片，通过米尺得到其
具体刻度值。
某次实验中该小组获得了如图乙的局部分帧照片，小球像的位置依次标为M、N、P、
Q，各位置距离小球A 初始位置O 点的间距依次记为S1、S2、S3和S4，当地重力加速度大小
为g，那么小球A 从O 点运动至P 点过程中，系统动能的增加量ΔEk=________，系统重力
势能的减少量ΔEp=________（均用题中涉及的物理量符号表示）。实验中发现，ΔEk略小
于ΔEp，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：________。
2. （2024·广东佛山·统考一模）某研究性学习小组利用光电门传感器、天平、刻度尺
研究单摆的周期与摆球质量、摆长之间的关系。实验装置如图甲所示，实验时，将小球拉
起一定角度后释放（小于5°），利用光电门测出小球摆动的周期。
（1）该实验采用的实验方法为 （选填“控制变量法”或“理想实验法”）；
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（2）如果实验组用该装置分别在北京和顺德两地进行探究“单摆的周期T 与摆长L 的
关系”的实验，然后将实验数据绘制成
图像，如图乙所示，则在顺德测得的实验结果
对应的图线是 （选填“A”或“B”）；
（3）某次实验中，小组成员小明想用该装置测当地重力加速度，已知绳长为L，小球
直径为d，摆球摆动过程中光电门接收到光信号强度I 随时间ｔ的变化如图丙所示，t1和tn
均为已知量，由此可知此次实验单摆的周期为 ，当地重力加速度大小的计算表达式
g= （用上述已知的物理量表示）．
1. 某同学利用如图甲所示装置做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验。
实验步骤如下：
①将力传感器 P 通过一根轻质细绳提起重物保持静止，记下 P 的示数 F；
②将力传感器P、Q 分别固定在左右两侧杆上，与 P、Q 相连的两根轻质细绳OA、OB
连接的结点O 处用轻绳OC 系上同一重物。系统静止后，记下O 点位置，P、Q 的示数F1，
F2及三细绳的方向OA、OB、OC；
③在白纸上从 O 点沿OC 反向延长做有向线段 OC'，以OC'为对角线做平行四边形
OA'C'B'如图乙所示。用毫米刻度尺测出线段 OA'、OB'、OC'的长度分别为 l1、l2、l。
④调整力传感器 Q 的位置，重复以上步骤。
回答下列问题：
（1）下列做法有利于减小实验误差的是 。
A．调整力传感器 Q 的位置时，必须保证结点 O 的位置不变
B．两侧杆必须用铅垂线调整为竖直放置，不能左右倾斜
C．记录细绳方向时，选取相距较远的两点
D．两个细绳间夹角适当大一些
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T
L
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（2）在误差允许的范围内，若l1、l2、l 与F1、F2、F 满足关系式 ，则能够证
明力的合成遵循平行四边形定则。
（3）某次实验中，若平衡时两细绳OA、OB 互相垂直，保持 OB 绳和结点O 的位
置不动，取下力传感器P，将细绳 OA 绕O 点在纸面内顺时针转动一小角度，此过程中
OA 绳的拉力 （选填“变大”“变小”或“不变”）。
2. （2023·江西赣州·校联考模拟预测）小明的外婆家正在建房子，他发现有一根重锤
线还固定在墙上一根钢筋上（离墙面还有一段距离），他想利用这根比较细的重锤线来测
量一下此钢筋离地的高度，操作如下：
①在重锤线靠近地面的附近挂上重锤，并在重锤上粘上一块小磁铁，如图（1）；
②将手机放在重锤正下放，利用手机的磁传感器（霍尔元件）来测量数据，打开手机
软件的“磁力计”，将重锤偏离平衡位置一个小角度从静止开始释放；
③经过一段时间后停止手机软件的测量，得到手机上方的磁感应强度随时间变化图像
如图（2），图中A、B 两点间时间差为26.015s；
④为了测量当地重力加速度，小明又利用手机中的加速度传感器测量了当地重力加速
度大小，如图（3）；
整个运动过程中，重锤和重锤线始终没有碰到墙壁，π2=9.86，则：
（1）单摆的周期为 s（保留3 位有效数字）；
（2）如果用单摆的摆长来近似代替钢筋高度，高度为 m（保留3 位有效数
字）。
3.（2023 南京二调模考卷）某同学用气垫导轨装置验证动量守恒定律，如图所示。其
中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连。两个滑块A、B（包含挡光片）质量分
别为m1、m2，当它们通过光电门时，计时器可测得挡光片被遮挡的时间。
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（1）先调节气垫导轨水平，经过调整后，轻推一下B，若它通过光电门G1的时间
___________（填“大于”、“等于”、“小于”）它通过光电门G2的时间，或将其轻放
在气垫导轨上任何位置都能静止，则气垫导轨已调至水平。
（2）将B 静置于两光电门之间，将A 置于光电门G1右侧，用手轻推一下A，使其向
左运动，与B 发生碰撞，为了使A 碰后不返回，则m1___________m2.（填“>”、“=”或
“＜”）；
（3）光电门G1记录的挡光时间为Δt1，滑块B、A 先后通过光电门时，G2记录的挡光
时间分别为Δt2、Δt3，为了减小误差，挡光片的宽度应选择___________（填“窄”或者
“宽”）的，若m1、m2、Δt1、Δt2、Δt3满足___________（写出关系式）则可验证动量守恒
定律；
（4）若Δt1、Δt2、Δt3满足关系式
，则 A、B 发生的是否是弹性碰撞，
并通过计算说明。__________________。
4. 如图所示，在“探究平抛运动规律”的实验中，小华将两个相同的圆弧光滑轨道
CM、DN 固定在同一个竖直平面内，轨道末端均水平，其中DN 末端与足够长的光滑水平
轨道平滑连接。他把质量相等的小钢球P、Q 分别从两弧面上的相同高度同时静止释放，
观察到某一现象，改变释放高度，重复上述操作，仍能观察到这一现象，由此可以概括出
平抛运动的某一规律。
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（1）小华观察到的现象和反映的平抛运动规律是______
A．P、Q 两个小球相撞 B．P、Q 两个小球同时落地
C．水平方向做匀速直线运动 D．竖直方向做自由落体运动
（2）小芳利用图2 中甲图装置进行实验，每次释放小球的位置都相同，并在乙图的坐
标纸上记录了小球经过的A、B、C 三点，已知坐标纸每小格的边长L＝ 5cm，该小球做平
抛运动的初速度大小为______m/s （g 取10m/s2， 结果保留2 位有效数字）。
（3）小燕在研究平抛运动时发现，若小球下落相同高度，平抛初速度越大，水平射程
也越大，依据这一规律，她用如图3 所示装置来“验证动量守恒定律”：碰撞恢复系数的
定义为
，其中v10和v20分别是碰撞前两小球的速度，v1和v2分别是碰撞后两
小球的速度，该实验小球碰撞恢复系数的表达式为e=______（用题目中字母OP、OM、
ON 表达），若测得e=______，可以判定小球的碰撞为弹性碰撞。
5. （2023·陕西·校联考一模）如图所示的实验装置可以用来验证机械能守恒定律，弹簧
上端连接一个力传感器，力传感器固定在铁架台横梁上，弹簧下端连接一枚钢球。钢球上
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固定一个挡光片，钢球和挡光片总质量为m。调整两个光电门的位置，使得钢球由静止释
放后能够通过光电门A 和光电门B。测出光电门A、B 与弹簧自然状态时最下端距离分别
为Δx1、Δx2，重力加速度g。
（1）用螺旋测微器测量光电门挡光片厚度如图所示，则光电门挡光片厚度d=
mm．
（2）实验过程中测得遮光片经过光电门A、B 时力传感器的读数分别为F1、F2，遮光片经
过光电门A、B 时的挡光时间分别为Δt1、Δt2，若Δt1<Δt2则表明小球从A 到B 过程动能
（填“增加”或“减少”）
（3）小球从光电门A 运动到光电门B 的过程中，由于弹簧弹力与伸长量成正比，可用平
均力计算克服弹力所做的功W= ；然后根据实验数据得出小球机械能减少量
，
比较W 和ΔE，若两者在误差范围内近似相等，则小球和弹簧组成的系统机械能守恒。
6.（2024·四川凉山·统考一模）受天空课堂中测量质量实验的启发，某小组在实验室设
计类似测物体质量的实验。安装好如图甲所示实验装置，调节气垫导轨上的旋钮P、Q 使
气垫导轨水平，滑块在O 处时弹簧处于原长。力传感器能采集弹簧的弹力F，固定在滑块
上的加速度传感器能采集滑块的加速度a，得到a-F 关系图像如图乙中斜实线所示。
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（1）由图乙实线可知，滑块与加速度传感器的总质量为 kg。
（2）当加速度为1.5m/s2时弹簧形变量为6cm，则弹簧劲度系数为 N/m。
（3）调整旋钮Q，使PQ 间距为l、高度差为h 得到图乙中斜虚线，由此可知当地重力
加速度为 。
7.（2024·浙江·校联考一模）某物理课外小组通过如图甲、乙、丙所示的实验装置探究
物体加速度与其所受合外力之间的关系。已知他们使用的小车完全相同且质量为M，重物
的质量为m，试回答下列问题：
（1）实验时，必须满足“M 远大于m”的实验装置是 （选填“甲”、“乙”
或“丙”）
（2）按乙图实验装置得到如图丙所示的纸带，已知打点计时器打点的周期T=0.02s，
其中A、B、C、D、E 每相邻两个计数点之间还有4 个点没有标出，根据纸带提供的数据，
算得小车加速度的大小为 m/s2（计算结果保留两位有效数字）。
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（3）采用（丙）图实验装置探究质量一定时加速度与力的关系的实验，以弹簧测力计
的示数F 为横坐标，加速度a 为纵坐标，画出的a-F 图线是如图（丁）的一条直线。测出
图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为 。
A．
B．
C．
D．k
（4）采用（甲）图实验装置，把重物改成槽码，槽码总数N，依次取n=2、3、4、
5…）个槽码挂在细线左端，其余N-n 个槽码仍留在小车内，重复前面的步骤，并得到相应
的加速度a，得到a-n 图线是过原点的直线，但实验时漏了平衡摩擦力这一步骤，下列说法
正确的是 。
A．a-n 图线不再是直线
B．a-n 图线仍是过原点的直线，但该直线的斜率变小
C．a-n 图线仍是直线，但该直线不过原点
8. （2023·广西南宁·南宁二中校考模拟预测）某同学计划用如图所示（俯视图）的装
置验证物体质量不变情况下向心力与角速度的关系，实验步骤如下：
a．测量重物的质量，记为m，将重物和弹簧穿在较光滑的水平横杆上后，弹簧一端连
接重物，另一端固定在竖直转轴上，测量重物静止时到竖直转轴的距离，记为r；
b．竖直转轴在电机驱动下带动水平横杆一起转动，当重物运动状态稳定时，记下重物
到竖直转轴的距离R 和横杆转动50 圈所需的时间t；
c．改变竖直转轴的角速度，测得多组数据。
请回答下列问题：
（1）重物做圆周运动的周期T= ，重物做圆周运动所需的向心力Fn=
。
（2）弹簧的劲度系数为k，当作出的
（选填“t2”、“t”、“
”
或“
”）图像近似为一条直线、且图线斜率近似等于 （用题中所给
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物理量符号表示）、与纵轴交点的纵坐标为
时，可验证质量不变情况下向心力与角速度
的关系。
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