2009年高考試題中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)問題，以對《課程標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的基本實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)原理、所用器材、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表達(dá)方式等方面的創(chuàng)新設(shè)置探究性實(shí)驗(yàn)，主要考查學(xué)生對基本實(shí)驗(yàn)原理、所用器材、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的理解理解和運(yùn)用的能力，同時考查對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般思想及方法的理解與運(yùn)用。
1．驗(yàn)證平行四邊形法則
例1（山東理綜-23-1）某同學(xué)在家中嘗試驗(yàn)證平行四邊形定則，他找到三條相同的橡皮筋（遵循胡克定律）和若干小重物，以及刻度尺、三角板、鉛筆、細(xì)繩、白紙、釘子，設(shè)計了如下實(shí)驗(yàn)：將兩條橡皮筋的一端分別掛在墻上的兩個釘子A、B上，另一端與第三條橡皮筋連接，結(jié)點(diǎn)為O，將第三條橡皮筋的另一端通過細(xì)繩掛一重物，如圖1所示。
?、贋橥瓿稍搶?shí)驗(yàn)，下述操作中必需的是 。
a．測量細(xì)繩的長度
b．測量橡皮筋的原長
c．測量懸掛重物后橡皮筋的長度
d．記錄懸掛重物后結(jié)點(diǎn)O的位置
?、卺斪游恢霉潭ǎ矛F(xiàn)有器材，改變條件再次驗(yàn)證，可采用的方法是 。
解析：本實(shí)驗(yàn)中，結(jié)點(diǎn)O受三個拉力處于靜止?fàn)顟B(tài)，三力彼此平衡，任意兩個力的合力與第三個力等值反向。只要以兩橡皮筋的伸長量（代表兩個拉力的大?。┏烧葹殚L沿OA、OB方向?yàn)猷忂呑銎叫兴倪呅危灰撈叫兴倪呅蔚膶蔷€與懸掛重物的橡皮筋在一條直線上，與表示其拉力的線段相等，即驗(yàn)證了平行四邊形法則，故實(shí)驗(yàn)要測量橡皮筋的原長、懸掛重物后的長度，才能算出橡皮筋受力后的伸長量，為了確定拉力的方向，每次必須記錄結(jié)點(diǎn)O的位置。
由于釘子位置固定，可改變的條件只能是所懸掛的重物的質(zhì)量。
點(diǎn)評：三個共點(diǎn)力平衡，任意兩力的合力與第三力平衡，即等大反向。
2．探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系
例2（江蘇物理-11）“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-甲所示。
（1）在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中，打出了一條紙袋如圖2-乙所示。計時器打點(diǎn)的時間間隔為0．02s。從比較清晰的點(diǎn)起，每5個點(diǎn)取一個計數(shù)點(diǎn)，量出相鄰計數(shù)點(diǎn)之間的距離。該小車的加速度a=___m/s2。（保留兩位有效數(shù)字）
（2）平衡摩擦力后，將5個相同的砝碼都放在小車上。掛上砝碼盤，然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度。小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：
砝碼盤中砝碼總重力F(N) | 0．196 | 0．392 | 0．588 | 0．784 | 0．980 |
加速度a（m．s-2） | 0．69 | 1．18 | 1．66 | 2．18 | 2．70 |
請根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出a-F的關(guān)系圖像。
?。?span>3）根據(jù)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的a-F圖線不通過原點(diǎn)，請說明主要原因。
解析：（1）處理勻變速直線運(yùn)動中所打出的紙帶，求解加速度用公式，Δs為連續(xù)相鄰相等時間內(nèi)的位移差，T為連續(xù)相等的時間間隔，如果每5個點(diǎn)取一個點(diǎn)，則連續(xù)兩計數(shù)點(diǎn)的時間間隔為T=0．1s，由圖知
，帶入可得加速度a=0．16m/s2。（也可以使用最后一段和第二段的位移差求解，得加速度a=0．15m/s2。）
（2）為使圖線傾斜程度合適（以與水平方向夾角45°左右為宜。），確定F的范圍從0設(shè)置到1N較合適，而a則從0到3m/s2較合適。設(shè)好刻度建立坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)確定各點(diǎn)的位置，將各點(diǎn)用一條直線連起來，延長交與坐標(biāo)軸某一點(diǎn)。如圖3所示。
?。?span>3）圖線與縱坐標(biāo)相交而不過原點(diǎn)，說明當(dāng)不掛砝碼時，小車有加速度，即繩對小車有拉力，從拉力的來源考慮很容易得到答案，是因?yàn)轫来a盤的重力，而在（2）問的圖表中只給出了砝碼的總重力，而沒有考慮砝碼盤的重力。
例3（上海物理-17）如圖4為“用DIS（位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)）研究加速度和力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。
（1）在該實(shí)驗(yàn)中必須采用控制變量法，應(yīng)保持___________不變，用鉤碼所受的重力作為___________，用DIS測小車的加速度。
?。?span>2）改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復(fù)測量。在某次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a-F關(guān)系圖線（如圖5所示）。
?、俜治龃藞D線的OA段可得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是______________。
?、冢▎芜x題）此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是（ ?。?/span>
?。?span>A）小車與軌道之間存在摩擦 （B）導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài)
（C）所掛鉤碼的總質(zhì)量太大 （D）所用小車的質(zhì)量太大
解析：決定物體的加速度的物理量有合力與質(zhì)量兩個因素，實(shí)驗(yàn)中需逐一研究它們對加速度的影響，但研究一個量的影響時必須控制另一量保持不變，這就是控制變量法。在鉤碼質(zhì)量較小時，小車的加速度較小，鉤碼的重力略大于小車所受拉力，若不考慮小車所受阻力或較好地平衡了阻力，可用鉤碼重力近似代替小車所受合力。
圖線的OA段是過原點(diǎn)的直線，因此可得出結(jié)論：在質(zhì)量一定時，加速度與拉力成正比。拉力（鉤碼重力）變大時，小車的就速度變大，鉤碼的重力與小車所受合力相差較大，此時用鉤碼重力代替小車所受合力，誤差較大。選C。
點(diǎn)評：多變量問題中，對每個變量的影響逐一探究，此時應(yīng)控制其它變量保持不變。
處理圖象問題要注意圖線的斜率、交點(diǎn)、拐點(diǎn)、面積等意義，能正確理解這些量的意義則很多問題將會迎刃而解。
3．測重力加速度
例4（天津理綜9-3）如圖6所示，將打點(diǎn)計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置可以測定重力和速度。
所需器材有打點(diǎn)計時器（帶導(dǎo)線）、紙帶、復(fù)寫紙、帶鐵夾的鐵架臺和帶夾子的重物，此外還需 （填字母代號）中的器材。
A．直流電源、天平及砝碼
B．直流電源、毫米刻度尺
C．交流電源、天平及砝碼
D．交流電源、毫米刻度尺
通過作圖象的方法可以剔除偶然誤差較大的數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確程度。為使圖線的斜率等于重力加速度，除作v-t圖象外，還可作 圖象，其縱軸表示的是 ，橫軸表示的是 。
解析：本題考查用打點(diǎn)計時器測重力加速度。涉及器材的選取和用圖像處理數(shù)據(jù)的方法。
①打點(diǎn)計時器需接交流電源。重力加速度與物體的質(zhì)量無關(guān)，所以不要天平和砝碼。計算速度需要測相鄰計數(shù)點(diǎn)間的距離，需要刻度尺，選D。
②由公式，如繪出圖像，其斜率也等于重力加速度。
點(diǎn)評：實(shí)驗(yàn)測出數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出加速度方法不是唯一的，實(shí)際應(yīng)用時以簡單直觀為原則。
4．探究物體在斜面上運(yùn)動時摩擦力與斜面傾角的關(guān)系
例5（全國理綜I-23）某同學(xué)為了探究物體在斜面上運(yùn)動時摩擦力與斜面傾角的關(guān)系，設(shè)計實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。長直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物塊上。在平板上標(biāo)出A、B兩點(diǎn)，B點(diǎn)處放置一光電門，用光電計時器記錄滑塊通過光電門時擋光的時間。
實(shí)驗(yàn)步驟如下：
?、儆糜螛?biāo)卡尺測量滑塊的擋光長度d，用天平測量滑塊的質(zhì)量m；
?、谟弥背邷y量AB之間的距離s，A點(diǎn)到水平桌面的垂直距離h1，B點(diǎn)到水平桌面的垂直距離h2；
?、蹖⒒瑝K從A點(diǎn)由靜止釋放，由光電計時器讀出滑塊的擋光時間t；
?、苤貜?fù)步驟③數(shù)次，并求擋光時間的平均值；
?、堇盟鶞y數(shù)據(jù)求出摩擦力f和斜面傾角的余弦值；
?、薅啻胃淖冃泵娴膬A角，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟②③④⑤，做出f-cosα關(guān)系曲線。
?。?span>1）用測量的物理量完成下列各式（重力加速度為g）：
?、傩泵鎯A角的余弦cosα= ；
②滑塊通過光電門時的速度v= ；
?、刍瑝K運(yùn)動時的加速度a= ；
?、芑瑝K運(yùn)動時所受到的摩擦阻力f= ；
?。?span>2）測量滑塊擋光長度的游標(biāo)卡尺讀數(shù)如圖所示，讀得d= 。
解析：本實(shí)驗(yàn)中，滑塊的瞬時速度可由滑塊的擋光長度及擋光時間算得，加速度可由牛頓第二定律解得。
?。?span>1）由圖根據(jù)幾何關(guān)系有：；滑塊通過光電門的速度可用平均速度代替，即：；設(shè)滑塊由A下滑至B的運(yùn)動時間為t，由勻變速運(yùn)動位移公式有，速度公式有有平均速度定義有，而對于初速度為零的勻加速運(yùn)動有，解得：；對滑塊的下滑運(yùn)動運(yùn)用牛頓第二定律有：，解得：。
?。?span>2）由游標(biāo)卡尺主尺讀得3．60cm，由游標(biāo)尺讀得0．02cm，故游標(biāo)尺的讀數(shù)為：3．62 cm。
點(diǎn)評：本探究實(shí)驗(yàn)中，滑塊的運(yùn)動情景是物理習(xí)題（運(yùn)用牛頓定律分析求解斜面上物體運(yùn)動問題）常見的情景，問題解決所依據(jù)的方法也是習(xí)題中的常見方法，要注意習(xí)題分析思路與方法在探究實(shí)驗(yàn)中的借鑒和遷移。
5．探究動能定理
例6（廣東物理-15）某實(shí)驗(yàn)小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究“動能原理”。如圖9所示，他們將拉力傳感器固定在小車上，用不可伸長的細(xì)線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小。在水平面上相距50．0cm的A、B兩點(diǎn)各安裝一個速度傳感器，記錄小車通過A、B時的速度大小、小車中可以放置砝碼。
?。?span>1）實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：
①測量 和拉力傳感器的總質(zhì)量M；把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路。
?、趯⑿≤囃Ｔ?i>C點(diǎn)， ，小車在細(xì)線拉動下運(yùn)動，記錄細(xì)線拉力及小車通過A、B時的速度。
?、墼谛≤囍性黾禹来a，或 ，重復(fù)②的操作。
?。?span>2）表1是他們測得的一組數(shù)據(jù)，期中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和，是兩個速度傳感器記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算出動能變化量ΔE，F是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所做的功。表格中的ΔE3= ，W3= 。（保留三位有效數(shù)字）
（3）根據(jù)表1，請在圖13中的方格紙上作出△E-W圖線。
次數(shù) | M/kg |
| ΔE/J | F/N | W/J |
1 | 0．500 | 0．760 | 0．190 | 0．400 | 0．200 |
2 | 0．500 | 1．65 | 0．413 | 0．840 | 0．420 |
3 | 0．500 | 2．40 | △E3 | 1．220 | W3 |
4 | 1．000 | 2．40 | 1．20 | 2．420 | 1．21 |
5 | 1．000 | 2．84 | 1．42 | 2．860 | 1．43 |
解析：（1）實(shí)驗(yàn)中繩子對小車的拉力作為做功的合力，獲得動能的是小車及力傳感器，故研究對象是力傳感器及小車整體。對小車做功的力只能是繩子的拉力，故必選由靜止釋放小車。每次實(shí)驗(yàn)中小車質(zhì)量保持不變，但為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有普遍性，應(yīng)增加或減少小車中的砝碼改變小車質(zhì)量（相當(dāng)于使用不同的研究對象）多次探究。
（2）由表中數(shù)據(jù)得：，
（3）作出圖象如圖10所示，是第一象限的角平分線。
例7（安徽理綜-21）探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示，試驗(yàn)主要過程如下：
（1）設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W……。
（2）分析打點(diǎn)計時器打出的紙帶，求出小車的速度、、、……。
?。?span>3）做出W-v草圖。
?。?span>4）分析W-v圖像。如果W-v圖像是一條直線，表明W∝v；如果不是直線，可考慮是否存在W∝、W∝ 、W∝ 等關(guān)系。
以下關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說法中有一項不正確，它是 。
A．本實(shí)驗(yàn)設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W……。所采用的方法是選用同樣的橡皮筋，并在每次實(shí)驗(yàn)中使橡皮筋拉伸的長度保持一致。當(dāng)用1條橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室，橡皮筋對小車做的功為W，用2條、3條、……。橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、……。實(shí)驗(yàn)時，橡皮筋對小車做的功分別是2W、3W……。
B．小車運(yùn)動中會受到阻力，補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ梢允鼓景暹m當(dāng)傾斜。
C．某同學(xué)在一次實(shí)驗(yàn)中，得到一條記錄紙帶。紙帶上打出的點(diǎn)，兩端密、中間疏。出現(xiàn)這種情況的原因，可能是沒有使木板傾斜或傾角太小。
D．根據(jù)記錄紙帶上打出的點(diǎn)，求小車獲得的速度的方法，是以紙帶上第一點(diǎn)到最后一點(diǎn)的距離來進(jìn)行計算。
解析：由于橡皮筋完全相同，每次拉伸長度（形變）保持一致，這樣每次實(shí)驗(yàn)中每根橡皮筋做的功相同，故A對。實(shí)驗(yàn)中是以皮筋拉力的功作為合力的功，這就平衡了木板與小車間的摩擦力，故B對。紙帶上打出的點(diǎn)，兩端密、中間疏，說明小車的運(yùn)動經(jīng)歷了加速、減速的運(yùn)動過程，小車釋放后由于作用在小車上的拉力（皮筋的彈力）隨橡皮筋伸長量的減少而減小，這說明小車運(yùn)動中有一個恒定的阻力存在，這個力只能是摩擦力，故C對。小車獲得的速度是指橡皮筋做功完畢時的速度，由于小車的運(yùn)動不是勻變速直線運(yùn)動，計算速度只能運(yùn)用“勻變速直線運(yùn)動一段時間的中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度”這一推論近似計算，故D錯。
點(diǎn)評：對于對動能定理的探究結(jié)果，視初速度是否為零，探究結(jié)論可有不同的表示。
6．驗(yàn)證動量守恒
例8（四川理綜22-2）氣墊導(dǎo)軌(如圖11-甲)工作時，空氣從導(dǎo)軌表面的小孔噴出，在導(dǎo)軌表面和滑塊內(nèi)表面之間形成一層薄薄的空氣層，使滑塊不與導(dǎo)軌表面直接接觸，大大減小了滑塊運(yùn)動時的阻力。為了驗(yàn)證動量守恒定律，在水平氣墊導(dǎo)軌上放置兩個質(zhì)量均為a的滑塊，每個滑塊的一端分別與穿過打點(diǎn)計時器的紙帶相連，兩個打點(diǎn)計時器所用電源的頻率均為b。氣墊導(dǎo)軌正常工作后，接通兩個打點(diǎn)計時器的電源，并讓兩滑塊以不同的速度相向運(yùn)動，兩滑塊相碰后粘在一起繼續(xù)運(yùn)動。圖11-乙為某次實(shí)驗(yàn)打出的、點(diǎn)跡清晰的紙帶的一部分，在紙帶上以同間的6個連續(xù)點(diǎn)為一段劃分紙帶，用刻度尺分別量出其長度s1、s2和s3。若題中各物理量的單位均為國際單位，那么，碰撞前兩滑塊的動量大小分別為____、_______，兩滑塊的總動量大小為_______；碰撞后兩滑塊的總動量大小為_______。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，多做幾次。若碰撞前、后兩滑塊的總動量在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)相等，則動量守恒定律得到驗(yàn)證。
解析：本實(shí)驗(yàn)中兩滑塊碰前各自的運(yùn)動、碰后粘連成的整體的運(yùn)動均屬勻速運(yùn)動，在它們的運(yùn)動過程中選相等的時間，則各自的運(yùn)動速度正比于位移，結(jié)合題中所述碰撞情景可知，標(biāo)有s1、s3的紙帶是對碰前兩滑塊運(yùn)動的記錄，另一條紙帶是對碰后整體運(yùn)動的記錄，這三個速度的大小分別是：，，，而T=，由此及動量定義得碰前兩滑塊的動量分別為0．2abs1和0．2abs3，碰前總動量為0．2ab(s1-s3)；碰后的總動量為0．2abs2。
點(diǎn)評：對碰撞情景及各物體的運(yùn)動情況做出準(zhǔn)確的分析是關(guān)鍵。
7．研究平拋運(yùn)動
例9（全國理綜II-23）某同學(xué)利用圖12所示裝置做“研究平拋運(yùn)動”的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)紙上描出了小球水平拋出后的運(yùn)動軌跡，但不慎將畫有軌跡圖線的坐標(biāo)紙丟失了一部分，剩余部分如圖13所示，圖12中水平方向與豎直方向每小格的長度均代表0．10m，P1、P2和P3是軌跡圖線上的3個點(diǎn)，P1和P2、和P3之間的水平距離相等。
完成下列填空：（重力加速度取9．8m/s2）
設(shè)p1、p2和p3的橫坐標(biāo)分別為x1、x2、和x3縱坐標(biāo)分別為y1、y2和y3，從圖2中可讀出|y1-y2|=________m，|x1-x2|=__________m（保留兩位小數(shù)）。
若已測知拋出后小球在水平方向做勻速運(yùn)動。利用（1）中讀出的數(shù)據(jù)，求出小球從p1運(yùn)動到p2所用的時間為____s，小球拋出后的水平速度為____m/s。（均可用根號表示）
已測得小球拋出前下滑的高度為0．50m，設(shè)E1和E2分別為開始下滑時和拋出時的機(jī)械能，則小球從開始下滑到拋出的過程中機(jī)械能的相對損失， %。（保留兩位有效數(shù)字）
解析：（1）根據(jù)坐標(biāo)紙上方格邊長，可算得：|y1-y2|=0．61m，|x1-x2|=1．61m。
?。?span>2）小球拋出后的運(yùn)動，在豎直方向上是自由落體運(yùn)動，由可得小球由p1運(yùn)動到p2所用的時間為：，由勻速運(yùn)動速度公式知小球平拋初速度為：。
（3）。
點(diǎn)評：實(shí)驗(yàn)中主要依據(jù)、s=vt，故從平拋軌跡測量數(shù)據(jù)，計算平拋物體的初速度，不一定從平拋出發(fā)點(diǎn)開始，丟失了一部分軌跡不影響對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出。
8．探究單擺周期與擺長的關(guān)系
例10（浙江理綜22-Ⅱ）（1）在“探究單擺周期與擺長的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，兩位同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量小球的直徑如圖14甲、乙所示。測量方法正確的是__________（選填“甲”或“乙”）。
（2）實(shí)驗(yàn)時，若擺球在垂直紙面的平面內(nèi)擺動，為了將人工記錄振動次數(shù)改為自動記錄振動次數(shù)，在擺球運(yùn)動最低點(diǎn)的左、右兩側(cè)分別放置一激光光源與光敏電阻與某一自動記錄儀相連，該儀器顯示的光敏電阻阻值R隨時間t變化圖線如圖15所示，則該單擺的振動周期為 。若保持懸點(diǎn)到小球頂點(diǎn)的繩長不變，改用直徑是原小球直徑2倍的另一小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則該單擺的周期將 (填“變大”、“不變”或“變小”)，圖乙中的Δt將 (填“變大”、“不變”或“變小”)。
解析：（1）應(yīng)將待測物體正確地放在測腳中如乙圖所示位置，所以測量方法正確的是圖乙；（2）擺球1個周期兩次通過最低點(diǎn)，及1個周期內(nèi)有兩次遮光，遮光是光敏電阻組織異常，所以單擺的周期為兩個遮光間隔段時間之和2to。單擺周期與小球質(zhì)量、大小無關(guān)，與擺長有關(guān)，若改用直徑變?yōu)樵∏蛑睆降?span>2倍，擺長將增加，周期變大。由于擺球體積變大，而經(jīng)過最低點(diǎn)的速度未變，故遮光時間Δt將變大。
點(diǎn)評：熟悉各種傳感器的原理及使用方法，是設(shè)計或分析傳感器類探究實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。
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