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专题七 物理实验
第16 讲 力学实验
一、几种测量速度的方法
方法
关键器材和步骤
方法说明、应用举例
纸带法
(1)利用交流电源、打点计时器获得计数
点间的时间间隔T
(2)利用刻度尺获得计数点间的距离xn
vn＝，
光电
门法
(1)利用光电门获得挡光片的挡光时间Δt
(2)利用螺旋测微器或游标卡尺获得挡光
片的宽度d
由于挡光片的宽度很小，瞬时速度
v＝
抛体运
动法
(1)平抛仪(或倾斜、弧形轨道等)，其末
端水平
(2)利用刻度尺获得竖直高度h 与射程x
(1)平抛初速度v＝x
(2)应用于验证机械能守恒定律、验
证动量守恒定律、探究弹性势能等
(实验中可能应用到弹簧、天平)
二、测定重力加速度的几种常见方案
利用落体运动测重力加速度(忽略阻力)
物体系统
打点计时器计
时，利用逐差法
测定g，也可以利
用图像法求g
光电门计时，原
理为v2 －v ＝
2gx(也可以利用频
闪照片)
滴水法计时，原
理为h＝，可以利
用图像求g
(m1＋m2)v2＝(m2－m1)gh
再创新：可以验证牛顿
运动定律、机械能守恒
定律
三、实验的创新与设计应注意的几点
1．加强对实验思想方法的归纳，如控制变量法、图像法、逐差法、模拟法、转
换法、放大法、替代法等。这样在新的实验情境下，才能设计出合理的实验方
案。
2．克服思维定式的影响，加强对已掌握的实验原理的理解和仪器的正确使用方
法的训练，才能在新情境下进行迁移利用。
题型1 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1 mm)，
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，而把主尺的数据读错。
(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0.01 mm，估读到0.001 mm，即结果若用mm 做单位，则小数点后必
须保留三位数字。
(2025·河北卷)1992 年，江苏扬州出土的古代铜卡尺，由固定尺和活动尺组成，
现代游标卡尺的构件与其非常相似，已成为常用的测量工具。用游标卡尺测量
某物体的长度，示数如图所示，其读数为( )
A．14.20 mm
B．14.2 mm
C．17.20 mm
D．17.2 mm
在一次实验中，张华同学用螺旋测微器测量某长方体工件的厚度如图所示，根
据图示可判断其厚度为________mm。该同学用下列某种仪器测得该工件的宽度
为1.275 cm，则该同学所用的仪器可能是________(将正确答案的序号填在横线
上)。
①螺旋测微器 ②10 分度游标卡尺 ③20 分度游标卡尺
题型2 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 车≫m 挂时，绳上的力才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 车≫m 挂。
1．(2025·北京卷)利用打点计时器研究匀变速直线运动的规律，实验装置如图1
所示。
(1)按照图1 安装好器材，下列实验步骤正确的操作顺序为________(填各实验步
骤前的字母)。
A．释放小车
B．接通打点计时器的电源
C．调整滑轮位置，使细线与木板平行
(2)实验中打出的一条纸带如图2 所示，A、B、C 为依次选取的三个计数点(相邻
计数点间有4 个点未画出)，可以判断纸带的________(填“左端”或“右端”)
与小车相连。
(3)图2 中相邻计数点间的时间间隔为T，则打B 点时小车的速度v＝________。
(4)某同学用打点计时器来研究圆周运动。如图3 所示，将纸带的一端固定在圆
盘边缘处的M 点，另一端穿过打点计时器。实验时圆盘从静止开始转动，选取
部分纸带如图4 所示。相邻计数点间的时间间隔为0.10 s，圆盘半径R＝0.10
m。则这部分纸带通过打点计时器的加速度大小为________m/s2；打点计时器打
B 点时圆盘上M 点的向心加速度大小为________m/s2。(结果均保留两位有效数
字)
2．(2025·浙江卷)“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图所示。
(1)如图是某次实验中得到的纸带的一部分。每5 个连续打出的点取一个计数
点，电源频率为50 Hz，打下计数点3 时小车速度为________m/s(保留三位有效
数字)。
(2)下列说法正确的是________(多选)。
A．改变小车总质量，需要重新补偿阻力
B．将打点计时器接到输出电压为8 V 的交流电源上
C．调节滑轮高度，使牵引小车的细线跟长木板保持平行
D．小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车
(3)改用如图1 所示的气垫导轨进行实验。气垫导轨放在水平桌面上并调至水
平，滑块在槽码的牵引下先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了遮光
条通过光电门1、2 的遮光时间分别为Δt1，Δt2，测得两个光电门间距为x，用
游标卡尺测量遮光条宽度d，结果如图2 所示，其读数d＝________mm，则滑
块加速度a＝________(用题中所给物理量符号表示)。
3.(2025·湖北卷)某同学利用如图(a)所示的实验装置来测量重力加速度大小g。细
绳跨过固定在铁架台上不可转动的小圆柱体，两端各悬挂一个重锤。实验步骤
如下：
①用游标卡尺测量遮光片的宽度d。
②将遮光片固定在重锤1 上，用天平测量重锤1 和遮光片的总质量m、重锤2
的质量M(M>m)。
③将光电门安装在铁架台上，将重锤1 压在桌面上，保持系统静止，重锤2 离
地面足够高。用刻度尺测量遮光片中心到光电门的竖直距离H。
④启动光电门，释放重锤1，用毫秒计测出遮光片经过光电门所用时间t。
⑤根据上述数据求出重力加速度g。
⑥多次改变光电门高度，重复步骤，求出g 的平均值。
回答下列问题：
(1)测量d 时，游标卡尺的示数如图(b)所示，可知d＝________cm。
(2)重锤1 通过光电门时的速度大小为v＝________(用遮光片d、t 表示)。若不计
摩擦，g 与m、M、d、t、H 的关系式为________。
(3)实验发现，当M 和m 之比接近于1 时，g 的测量值明显小于真实值。主要原
因是圆柱体表面不光滑，导致跨过圆柱体的绳两端拉力不相等。理论分析表
明，圆柱体与绳之间的动摩擦因数很小时，跨过圆柱体的绳两端拉力差ΔT＝
4γg，其中γ 是只与圆柱体表面动摩擦因数有关的常数。保持M＋m＝2m0不变，
其中M＝(1＋β)m0，m＝(1－β)m0。β 足够小时，重锤运动的加速度大小可近似
表示为a＝(β－γ)g。调整两重锤的质量，测得不同β 时重锤的加速度大小a，结
果如下表。根据表格数据，采用逐差法得到重力加速度大小g ＝
________m/s2(保留三位有效数字)。
β
0.04
0.06
0.08
0.10
a/(m/s2)
0.084
0.281
0.477
0.673
题型3 研究“曲线运动”类实验
1.(2025·海南卷)小组用如图所示单摆测量当地重力加速度
(1)用游标卡尺测得小球直径d＝20 mm，用刻度尺测得摆线长l＝79 cm，则单
摆摆长L＝________cm(保留四位有效数字)；
(2)拉动小球，使摆线伸直且与竖直方向的夹角为θ(θ<5°)，无初速度的释放小
球，小球经过________点(选填“最高”或“最低”)时，开始计时，记录小球
做了30 次全振动用时t＝54.00 s，则单摆周期T＝________s，由此可得当地重
力加速度g＝________m/s2(π2≈10)。
2.(2024·新课标全国卷)某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律。将斜槽轨
道固定在水平桌面上，轨道末段水平，右侧端点在水平木板上的垂直投影为
O，木板上叠放着白纸和复写纸。实验时先将小球a 从斜槽轨道上Q 处由静止
释放，a 从轨道右端水平飞出后落在木板上；重复多次，测出落点的平均位置P
与O 点的距离x，将与a 半径相等的小球b 置于轨道右侧端点，再将小球a 从Q
处由静止释放，两球碰撞后均落在木板上；重复多次，分别测出a、b 两球落点
的平均位置M、N 与O 点的距离xM、xN。
完成下列填空：
(1)记a、b 两球的质量分别为ma、mb，实验中须满足条件ma________mb(填“>”
或“<”)。
(2) 如果测得的xP 、xM 、xN 、ma 和mb 在实验误差范围内满足关系式
________________，则验证了两小球在碰撞中满足动量守恒定律。实验中，用
小球落点与O 点的距离来代替小球水平飞出时的速度，依据是
_________________
_____________________________________________________________________
__________________________________________________________。
题型4 “弹簧”“橡皮条”实验
1．(2025·四川卷)某学习小组利用生活中常见物品开展“探究弹簧弹力与形变量
的关系”实验。已知水的密度为1.0×103 kg/m3，当地重力加速度为9.8 m/s2。
实验过程如下：
(1)将两根细绳分别系在弹簧两端，将其平放在光滑的水平桌面上，让其中一个
系绳点与刻度尺零刻度线对齐，另一个系绳点对应的刻度如图1 所示，可得弹
簧原长为________cm。
(2)将弹簧一端细绳系到墙上挂钩，另一端细绳跨过固定在桌面边缘的光滑金属
杆后，系一个空的小桶。使弹簧和桌面上方的细绳均与桌面平行，如图2 所
示。
(3)用带有刻度的杯子量取50 mL 水，缓慢加到小桶里，待弹簧稳定后，测量两
系绳点之间的弹簧长度并记录数据。按此步骤操作6 次。
(4)以小桶中水的体积V 为横坐标，弹簧伸长量x 为纵坐标，根据实验数据拟合
成如图3 所示直线，其斜率为200 m －2。由此可得该弹簧的劲度系数为
________N/m(结果保留2 位有效数字)。
(5)图3 中直线的截距为0.005 6 m，可得所用小桶质量为________kg(结果保留2
位有效数字)。
2．(2025·黑吉辽蒙卷)某兴趣小组设计了一个可以测量质量的装置。如图(a)，细
绳1、2 和橡皮筋相连于一点，绳1 上端固定在A 点，绳2 下端与水杯相连，橡
皮筋的另一端与绳套相连。
为确定杯中物体质量m 与橡皮筋长度x 的关系，该小组逐次加入等质量的水，
拉动绳套，使绳1 每次与竖直方向夹角均为30°且橡皮筋与绳1 垂直，待装置稳
定后测量对应的橡皮筋长度。根据测得数据作出x－m 关系图线，如图(b)所
示。
回答下列问题：
(1)将一芒果放入此空杯，按上述操作测得x＝11.60 cm，由图(b)可知，该芒果
的质量m0＝________g(结果保留到个位)。若杯中放入芒果后，绳1 与竖直方向
夹角为30°但与橡皮筋不垂直，由图像读出的芒果质量与m0 相比________(填
“偏大”或“偏小”)。
(2)另一组同学利用同样方法得到的x－m 图像在后半部分弯曲，下列原因可能
的是________。
A．水杯质量过小
B．绳套长度过大
C．橡皮筋伸长量过大，弹力与其伸长量不成正比
(3)写出一条可以使上述装置测量质量范围增大的措施_________________。
题型5 力学创新实验
1.力学创新实验的特点
(1)以基本的力学实验模型为载体，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。
2．力学创新实验的分类
(1)第一类是通过实验和实验数据的分析得出物理规律。这类实验题目需认真分
析实验数据，根据数据特点掌握物理量间的关系，得出实验规律。
(2)第二类是给出实验规律，选择实验仪器，设计实验步骤，并进行数据处理。
这类实验题目需从已知规律入手，正确选择测量的物理量，根据问题联想相关
的实验模型，确定实验原理，选择仪器，设计实验步骤，记录实验数据并进行
数据处理。
3．创新实验题的解法
(1)根据题目情境，提取相应的力学实验模型，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。
1．(2025·重庆卷)弹簧是熄火保护装置中的一个元件，其劲度系数会影响装置的
性能。小组设计了如图1 所示的实验装置测量弹簧的劲度系数，其中压力传感
器水平放置，弹簧竖直放在传感器上，螺旋测微器竖直安装，测微螺杆正对弹
簧。
(1)某次测量时，螺旋测微器的示数如图2 所示，此时读数为________mm。
(2)对测得的数据进行处理后得到弹簧弹力F 与弹簧长度l 的关系如图3 所示，
由图可得弹簧的劲度系数为________N/m，弹簧原长为________mm(均保留3 位
有效数字)。
2．(2025·云南卷)某实验小组做了测量木质滑块与橡胶皮之间动摩擦因数μ 的实
验，所用器材如下：钉有橡胶皮的长木板、质量为250 g 的木质滑块(含挂钩)、
细线、定滑轮、弹簧测力计、慢速电机以及砝码若干。实验装置如图甲所示。
实验步骤如下：
①将长木板放置在水平台面上，滑块平放在橡胶面上；
②调节定滑轮高度，使细线与长木板平行(此时定滑轮高度与挂钩高度一致)；
③用电机缓慢拉动长木板，当长木板相对滑块匀速运动时，记录弹簧测力计的
示数F；
④在滑块上分别放置50 g、100 g 和150 g 的砝码，重复步骤③；
⑤处理实验数据(重力加速度g 取9.80 m/s2)。
实验数据如下表所示：
滑块和砝码的总质量M/g
弹簧测力计示数F/N
动摩擦因数μ
250
1.12
0.457
300
1.35
a
350
1.57
0.458
400
1.79
0.457
完成下列填空：
(1)表格中a 处的数据为________(保留3 位有效数字)；
(2)其他条件不变时，在实验误差允许的范围内，滑动摩擦力的大小与接触面上
压力的大小________，μ 与接触面上压力的大小________(以上两空填“成正
比”“成反比”或“无关”)；
(3)若在实验过程中未进行步骤②，实验装置如图乙所示，挂钩高于定滑轮，则
μ 的测量结果将________(填“偏大”“偏小”或“不变”)。
3.(2025·湖南卷)某同学通过观察小球在黏性液体中的运动，探究其动力学规
律，步骤如下：
(1)用螺旋测微器测量小球直径D 如图1 所示，D＝__________mm。
(2)在液面处由静止释放小球，同时使用频闪摄影仪记录小球下落过程中不同时
刻的位置，频闪仪每隔0.5 s 闪光一次。装置及所拍照片示意图如图2 所示(图中
的数字是小球到液面的测量距离，单位是cm)。
(3)根据照片分析，小球在A、E 两点间近似做匀速运动，速度大小v＝
__________m/s(保留2 位有效数字)。
(4)小球在液体中运动时受到液体的黏滞阻力f＝kDv(k 为与液体有关的常量)，已
知小球密度为ρ，液体密度为ρ0，重力加速度大小为g，则k 的表达式为k＝
__________(用题中给出的物理量表示)。
(5)为了进一步探究动力学规律，换成直径更小的同种材质小球，进行上述实
验，匀速运动时的速度将__________(填“增大”“减小”或“不变”)。
【基础必刷题】
1．(2025·贵州黔西模拟)如图，读出下列游标卡尺和螺旋测微器的读数。
(1)游标卡尺读数为________mm。
(2)螺旋测微器读数为________mm。
(3)如图所示，下面游标卡尺的读数为________mm。
(4)在连线正确后，闭合开关，电压表和电流表的示数分别如图a 和图b 所示，
由图可知，电压表(量程3 V)读数为________V，电流表(量程0.6 A)读数为
________A。
2．(2025·广东深圳模拟)某探究性实验小组用如图1 所示的实验装置来测量重力
加速度。他们将两个完全相同的圆柱形小磁铁叠放在一起并用细线悬挂起来构
成一个能在竖直平面内摆动的单摆。(忽略磁场对单摆的阻尼影响)
(1)用毫米刻度尺测得小磁铁悬挂后的摆线长l(从悬点到上面小磁铁的最上端)，
再用螺旋测微器测得一个圆柱形小磁铁的厚度的读数如图2 所示。从图2 可
知，小磁铁的厚度d＝________mm。
(2)将智能手机磁传感器置于小磁铁平衡位置正下方，将小磁铁由平衡位置拉开
一个小角度，由静止释放，手机软件记录磁感应强度的变化曲线如图3 所示。
由图3 可知，单摆的周期为________。
(3)计算重力加速度的公式g＝________。(用题中字母表示)
3．(2025·陕晋青宁卷)下图为探究加速度与力、质量关系的部分实验装置。
(1)实验中应将木板____________(填“保持水平”或“一端垫高”)。
(2)为探究加速度a 与质量m 的关系，某小组依据实验数据绘制的a－m 图像如
图所示，很难直观看出图线是否为双曲线。如果采用作图法判断a 与m 是否成
反比关系，以下选项可以直观判断的有________。(多选，填正确答案标号)
m/kg
a/(m·s－2)
0.2
50.618
0.33
0.482
0.40
0.403
0.50
0.317
1.00
0.152
A.a－图像
B．a－m2图像
C．am－m 图像
D．a2－m 图像
(3)为探究加速度与力的关系，在改变作用力时，甲同学将放置在实验桌上的槽
码依次放在槽码盘上；乙同学将事先放置在小车上的槽码依次移到槽码盘上，
在其他实验操作相同的情况下，________(填“甲”或“乙”)同学的方法可以
更好地减小误差。
4．(2025·广东广州模拟)用如图实验装置验证动量守恒定律。主要步骤为：
①将斜槽固定在水平桌面上，使槽的末端水平(如图a)；
②让质量为m1的入射球多次从斜槽上A 位置静止释放，记录其平均落地点位
置；
③把质量为m2的被碰球静置于槽的末端，再将入射球从斜槽上A 位置静止释
放，与被碰球相碰，并多次重复，记录两小球的平均落地点位置；
④记录小球抛出点在地面上的垂直投影点O，测出碰撞前后两小球的平均落地
点的位置M、P，N 与O 的距离分别为x1、x2、x3。分析数据：
(1)实验室有如下A、B、C 三个小球，则入射小球应该选取________进行实验
(填字母代号)；
A.
直径d1＝2 cm，质量m1＝8 g
B.
直径d1＝2 cm，质量m1＝24 g
C.
直径d1＝3 cm，质量m1＝24 g
(2)小球释放后落在复写纸上会在白纸上留下印迹。多次试验，白纸上留下了10
个印迹，如果用画圆法确定小球的落点，图(b)中画的三个圆最合理的是
________；
(3)若两球碰撞时的动量守恒，应满足的关系式为________。(均用题中所给物理
量的符号表示)
(4)某实验小组在实验中发现小球落点不在同一条直线上，出现了如图(c)所示的
情况。已知M 和N 在OP 连线上的垂直投影点为M′、N′(图中未画出)，根据
以上数据，________(选填“能”或“不能”)验证动量守恒定律。
(5)定义碰撞过程的恢复系数e＝，其中v12和v12′分别表示两物体碰撞前的相对
速度和碰撞后的相对速度。已知m1＝3m2，且落点P 总是在M、N 之间，说明
恢复系数至少为________。
【巩固必刷题】
5．(2025·广东卷)请完成下列实验操作和计算。
(1)在“长度的测量及其测量工具的选用”实验中，用螺旋测微器测量小球的直
径，示数如图所示，读数________mm。
(2)实验小组利用小车碰撞实验测量吸能材料的性能，装置如图所示，图中轨道
由轨道甲和乙平滑拼接而成，且轨道乙倾角较大。
①选取相同的两辆小车，分别安装宽度为1.00 cm 的遮光条。
②轨道调节。
调节螺母使轨道甲、乙连接处适当升高。将小车在轨道乙上释放，若测得小车
通过光电门A 和B 的________。证明已平衡小车在轨道甲上所受摩擦力及其他
阻力。
③碰撞测试
先将小车1 静置于光电门A 和B 中间，再将小车2 在M 点由静止释放，测得小
车2 通过光电门A 的时间为t2，碰撞后小车1 通过光电门B 的时间为t1。若
t2________t1，可将两小车的碰撞视为弹性碰撞。
④吸能材料性能测试。
将吸能材料紧贴于小车2 的前端。重复步骤③。测得小车2 通过光电门A 的时
间为10.00 ms，两车碰撞后，依次测得小车1 和2 通过光电门B 的时间分别为
15.00 ms、30.00 ms，不计吸能材料的质量，计算可得碰撞后两小车总动能与碰
撞前小车2 动能的比值为________(结果保留2 位有效数字)。
6．(2025 山西运城模拟)某同学利用图甲装置探究机械能守恒定律，已知重力加
速度为g。
实验主要步骤如下：
(1)用毫米刻度尺测量遮光条的宽度，读数如图乙所示，则遮光条的宽度d＝
________cm；
(2)用天平测量滑块与遮光条的总质量M 以及钩码的质量m；
(3)把气垫导轨调节成水平状态；
(4)将带有遮光条的滑块放在气垫导轨上，用跨过光滑定滑轮的轻绳连接滑块和
钩码；
(5)将滑块由气垫导轨的左侧某个位置由静止释放，通过刻度尺读出滑块与遮光
条的重心与光电门之间的距离L 以及遮光条通过光电门的挡光时间Δt，则滑块
经过光电门时的速度v＝________。在上述过程中，钩码减少的重力势能为ΔEp
＝________，系统增加的动能为ΔEk＝________；(以上均用题中已知物理量的
字母表示)
(6)改变滑块释放点与光电门之间的距离L，多次实验，并根据测得的多组数据
绘制L－图像，若该图线的斜率k＝________，可表明钩码下落过程中，系统机
械能守恒(用题中已知物理量的字母表示)。
