高中物理二轮专题复习学案：第2讲 力学实验（新课标）

高中物理二轮专题复习学案：第2讲 力学实验（新课标）

专题七 物理实验 第2讲 力学实验 ‎【实验专题归纳】‎ 一、本专题共涉及以下六个实验 实验一：研究匀变速直线运动 www.ks5u.com实验二：探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系 实验三：验证力的平行四边形定则 实验四：验证牛顿运动定律 实验五：探究动能定理 实验六：验证机械能守恒定律 二、 本专题实验特点及其在高考中的地位 物理实验为高考必考内容，近年的高考物理试题，越来越重视对实验的考查，尤其是除了对教材中原有的学生实验进行考查为，还增加了对演示www.ks5u.com实验的考查。利用学生所学过的知识，对实验仪器或实验方法加以重组完成新的实验目的的设计型实验将逐步取代对教材中原有单纯学生实验的考查。‎ 历届高考在实验方面的命题重点为：基本仪器的使用、基本物理量的测定、物理规律的验证和物理现象的研究、实验数据的处理。‎ 高考中物理实验题类型大体有：⑴强调基本技能，熟识各种器材的特性。像读数类：www.ks5u.com游标卡尺、螺旋测微器、多用电表等；选器材类：像选取什么量程的电表和滑动变阻器等⑵重视实验原理，巧妙变换拓展。像探究匀变速直线运动的变形和测量电阻的再造等。源于课本不拘泥课本一直是高考命题与课标理念所倡导的，所以熟悉课本实验、抓住实验的灵魂---原理是我们复习的重中之重。⑶提倡分析讨论，讲究实验的品www.ks5u.com质，像近年高考中的数据处理、误差分析、改良方案，甚至开放性实验等于课标的一标多本思路是交汇的。⑷知识创新型实验。像设计型、开放型、探讨型实验等都是不同程度的创新，比如利用所学可以设计出很多测量重力www.ks5u.com加速度的方案。‎ 三、高考易错问题剖析及应试策略 ‎（一）探究型实验 易错问题 1.在纸带处理中不知如何求解速度、加速度 因对策略：‎ ‎(1)“平均速度法”求速度，即vn＝ ，如图所示.‎ ‎(2)“逐差法”求加速度，即a1＝，a2＝ ，a3＝，然后取平均值，即，这样使所给数据全部得到利用，以提高准确度.‎ ‎(3)“图象法”求加速度，即由“平均速度法”求出多个点的速度，画出v－t图，直线的斜率即加速度.‎ ‎【高考真题探究】‎ ‎1.（2010·广东理综·T34（1））图13是某同学在做匀变速直线运动实验中获得的一条纸带。‎ ‎①已知打点计时器电源频率为50Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为_________。‎ ‎②ABCD是纸带上四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出。从图13中读出A、B两点间距s=__________；C点对应的速度是________(计算结果保留三位有效数字)。‎ ‎【命题立意】本题主要考查打点计时器、刻度尺的读数、纸带公式、有效数字。‎ ‎【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析：‎ 由打点计时器的打点频率可求得打点间隔。‎ 根据纸带数据求瞬时公式：‎ ‎ ‎ ‎【规范解答】① ②读A、B两点数值：‎1.00cm、‎1.70cm ‎ 故：s=‎1.70cm-1.00cm=‎0.70cm ‎ ‎【答案】①0.02s ②‎0.70cm；‎0.100m/s ‎2.（2010·全国Ⅱ理综·T22）（5分）利用图中所示的装置可以研究自由落体运动。实验中需要调整好仪器，接通打点计时器的电源，松开纸带，使重物下落。打点计时器会在纸带上打出一系列的小点。‎ ‎（1）为了测得重物下落的加速度，还需要的实验器材有__ ___。（填入正确选项前的字母）‎ A．天平 B．秒表 C．米尺 ‎（2）若实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，而实验操作与数据处理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因：_______ _____________________________________。‎ ‎【命题立意】本题考查了实验器材的选取、误差分析，比较容易。‎ ‎【思路点拨】 结合题意选择器材，根据结果，分析误差来源。‎ ‎【规范解答】（1）为了测得重物下落的加速度，必须知道重物下落的时间与位移，时间可由打点计时器测定，位移可由米尺测定，物体的质量没有必要测定，故不需要天平。‎ ‎（2）实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，引起此误差的原因有：打点计时器与纸带之间存在摩擦、空气阻力等。‎ ‎【答案】（1）C （2）打点计时器与纸带之间存在摩擦（其他合理答案同样给分）。‎ ‎3.（2010·重庆理综·T22）（1）某同学用打点计时器测量做匀速直线运动的物体的加速度，电源频率，在纸带上打出的点中，选出零点，每隔4个点取1个技术点，因保存不当，纸带被污染，如题22图1所示，A、B、C、D是本次排练的4个计数点，仅能读出其中3个计数点到零点的距离： 、、‎ 若无法再做实验，可由以上信息推知：‎ ‎①相邻两计数点的时间间隔为 ；‎ ‎②打 C点时物体的速度大小为 （取2位有效数字）‎ ‎③物体的加速度大小为 （用、、和表示）‎ ‎【命题立意】考查纸带数据处理能力 ‎【思路点拨】纸带数据处理主要要到两个规律：中间时刻的瞬时速度等于全程的平均速度；加速度 ‎【规范解答】⑴①打点计时器打出的纸带每隔4个点选择一个计数点，则相邻两计数点的时间间隔为T=0.02s。②根据，得m/s③匀加速运动的位移特征是相邻的相等时间间隔内的位移以 aT2均匀增大，有，，，所以 ‎【答案】⑴①0.02s ②‎2.5 m/s ③‎ ‎4.（2010·福建理综·T19）（2）（6分）某实验小组研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系。实验时，将原长约‎200mm的橡皮筋上端固定，在竖直悬挂的橡皮筋下端逐一增挂钩码（质量均为‎20g），每增挂一只钩码均记下对应的橡皮筋伸长量；当挂上10只钩码后，再逐一把钩码取下，每取下一只钩码，也记下对应的橡皮筋伸长量。根据测量数据，作出增挂钩码和减挂钩码时的橡皮筋伸长量与拉力F关系的图像如图所示。‎ 从图像中可以得出_______。（填选项前的字母）‎ A.增挂钩码时与F成正比，而减挂钩码时与F不成正比 B.当所挂钩码数相同时，增挂钩码时橡皮筋的伸长量比减挂钩码时的大 C.当所挂钩码数相同时，增挂钩码时橡皮筋的伸长量与减挂钩码时的相等 D.增挂钩码时所挂钩码数过多，导致橡皮筋超出弹性限度 ‎【命题立意】以日常生活中常见的橡皮筋拉伸问题来研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系设题，给出橡皮筋在增挂钩码和减挂钩码时的实验图线，要求考生在熟练掌握考纲中的“探究弹力和弹簧伸长的关系”的基础上进行知识迁移。‎ ‎【思路点拨】根据图像中的两条非线性曲线提取出有关信息 ‎【规范解答】选D，由于橡皮筋下端悬挂的钩码太多，导致超出橡皮筋的弹性限度，使橡皮筋无法及时恢复原状，两条曲线才有差异，且是非线性的。‎ ‎5. （2010·浙江理综·T20） Ⅰ（10分）在“探究弹簧弹力大小与伸长量的关系”实验中，甲、乙两位同学选用不同的橡皮绳代替弹簧，为测量橡皮绳的劲度系数，他们在橡皮绳下端面依次逐个挂上钩码（每个钩码的质量均为m=‎0.1kg，取g=‎10m/s2），并记录绳下端的坐标X加（下标i表示挂在绳下端钩码个数）。然后逐个拿下钩码，同样记录绳下端面的坐标X减，绳下端面坐标的值Xi＝（X加+X减）/2的数据如下表：‎ ‎（1）同一橡皮绳的X加 X减（大于或小于）；‎ ‎（2） 同学的数据更符合实验要求（甲或乙）；‎ ‎（3）选择一级数据用作图法得出该橡皮绳的劲度系数k（N/m）；‎ ‎（4）为了更好的测量劲度系数，在选用钩码时需考虑的因素有哪些？‎ 挂在橡皮绳下端的钩码个数 橡皮绳下端的坐标（X/mm）‎ 甲 乙 ‎1‎ ‎216.5‎ ‎216.5‎ ‎2‎ ‎246.7‎ ‎232.‎ ‎3‎ ‎284.0‎ ‎246.5‎ ‎4‎ ‎335.0‎ ‎264.2‎ ‎5‎ ‎394.5‎ ‎281.3‎ ‎6‎ ‎462.0‎ ‎301.0‎ ‎【命题立意】本题以“探究弹簧弹力大小与伸长量的关系”实验为基础,体现了探究性，主要考查了学生实验操作的体验 ‎【规范解答】Ⅰ（1）因橡皮条被拉伸后有可能恢复到原长,故X加小于X减 ‎（2）乙.由所给的改变量如下表所示，由下表数据知乙同学的数据中的改变量与增减的钩码数的正比例关系更明显。‎ ‎（3）由上表根据乙同学的数据作图得 由图可得 或根据甲同学的数据作图得 对于甲同学的数据，因为只有前几个数据可认为在弹性范围内，由图中切线的斜率得 ‎（4）尽可能使伸长量在弹性范围内，同时有足够大的伸长量，以减小长度测量的误差.‎ ‎6.（2010·江苏物理卷·T11）为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置（如图所示）。实验时，平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力。‎ ‎（1）往砝码盘中加入一小砝码，在释放小车 ▲ ‎ ‎（选填“之前”或“之后”）接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。‎ ‎（2）从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间t与速度v的数据如下表：‎ 请根据实验数据作出小车的v-t图像。‎ ‎（3）通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大，你是否同意他的观点？请根据v-t图象简要阐述理由。‎ ‎【命题立意】本题以探究“加速度与物体质量、物体受力关系” 实验为母板，设置“探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律”实验，题目来源于教材，但又高于教材， 灵活考查对牛顿第二定律实验方法的理解和应用。题目设置难度中等。‎ ‎【思路点拨】本题关键是实验第（3）问题的解决，要正确地作出v-t图象，根据图象特点，分析理由，阐述观点。‎ ‎【规范解答】（1）本进行本实验时，要求释放小车之前接通打点计时器的电源。‎ ‎（2）根据所给数据在所给图象中准确描点，图象 如图所示。（3）由图象可知，速度越大时，其图象斜率越来越小，即加速度越来越小，可知小车受到的合力越小，则小车受空气阻力越大。‎ ‎【答案】（1）之前。（2）作出的v-t图像如图所示。（3）同意 在v-t图象中，速度越大时，加速度越小，小车受到的合力越小，则小车受空气阻力越大。‎ ‎【备课资源】‎ ‎1.（2010·山东理综·T 23）（12分）请完成以下两小题。‎ 某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系。弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上 画出两条平行线MN、PQ，并测出间距。开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间。‎ ‎①木板的加速度可以用、表示为＝　　　　；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是（一种即可）　　　　　　。‎ ‎②改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度与弹簧秤示数F1的关系。下列图象能表示该同学实验结果的是　　　　　　。‎ ‎③用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是　　　　　。‎ a．可以改变滑动摩擦力的大小 b．可以更方便地获取多组实验数据 c．可以比较精确地测出摩擦力的大小 d．可以获得更大的加速度以提高实验精度 ‎【命题立意】本题属于创新性实验，以教材中学生实验“探究加速度与力的关系”为原型，体现了高考源于课本，但又高于课本的理念，主要考查“探究加速度与力的关系”的实验原理、数据处理、误差分析等知识点。‎ ‎ 【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析：‎ 误差分析 数据处理 实验原理 ‎ ‎ ‎ ‎ ‎【规范解答】①木块在绳子拉力的作用下做初速度为零的匀加速直线运动，由可知：。为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是保持F1不变，重复实验多次测量d、t，取平均值。‎ ‎②该实验原理与教材实验原理类似，同样需要满足木块的质量M远大于矿泉水瓶的质量m，此时可认为绳上的拉力T近似等于弹簧秤示数F1。本实验中没有平衡摩擦力，但通过题意可知受到的摩擦力为F0，木块受到的合外力为（F1- F0）。图像反映的是a与F1的关系，而不是a与（F1- F0）的关系，所以图像不过原点。当F1增大时，即矿泉水瓶的质量m增大时，实验的前提条件不再满足，此时a越大，绳上的拉力T就越小于弹簧秤示数F1，加速度增加的就越慢，图线向下弯曲，c正确。‎ ‎③用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是可以更方便地获取多组实验数据和比较精确地测出摩擦力的大小，b、c说法是正确的。两种实验方法都可以改变滑动摩擦力的大小，a错误；通过②中分析可以知道当加速度增大时，实验条件便不再满足，此时实验误差变大，d说法错误。‎ ‎【答案】‎ ‎2.（2010·四川理综·T22）（2）有4条用打点计时器（所用交流电频率为50Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间距离依次为S1、S2、S3。请你根据下列S1、S2、S3的测量结果确定该纸带为 。（已知当地的重力加速度为‎9.791m/s2）‎ ‎ A.‎61.0mm ‎65.8mm ‎70.7mm B. ‎41.2mm ‎45.1mm ‎‎53.0mm ‎ C.‎49.6mm ‎53.5mm ‎57.3mm D. ‎60.5mm ‎61.0mm ‎‎60.6mm ‎【命题立意】结合验证机械能守恒定律考查纸带类实验数据处理能力 ‎【思路点拨】匀变速运动相邻的相等时间内的距离之差 ‎【规范解答】选C，验证机械能守恒采用重锤的自由落体运动实现，所以相邻的0.02s内的位移增加量为mm ‎3.（2010·新课标全国卷·T22）（4分）图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题：‎ ‎ （1）为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有______ 。（填入正确选项前的字母）‎ ‎ ‎ ‎ A．米尺 B. 秒表 C. 0～12V的直流电源 D. 0～12V的交流电源 ‎ （2）实验中误差产生的原因有______ 。（写出两个原因）‎ ‎【命题立意】本题以验证机械能守恒定律的学生实验命题，考查考生对实验器材的选择和实验误差的分析。‎ ‎【思路点拨】在了解实验装置和实验原理的基础上，选择所需实验仪器和进行实验误差分析即可得到正确答案。‎ ‎【规范解答】（1）用A项米尺测量长度，用D项交流电源供打点计时器使用。（2）纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时选取的始末两点距离过近；交流电频率不稳定。‎ ‎【答案】（1）AD（2）纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取始末两点距离过近；交流电频率不稳定。‎ ‎4.（2010.海南理综T14）利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图1所示：‎ ‎ (1)实验步骤：‎ ‎①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于lm ，将导轨调至水平；‎ ‎②用游标卡尺测量挡光条的宽度，结果如图2所示，由此读出________mm；‎ ‎③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离__________m；‎ ‎④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；‎ ‎⑤从数字计时器（图1中未画出）上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间和；‎ ‎⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量。‎ ‎(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式：‎ ‎①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为__________和________。‎ ‎②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为___________和__________。‎ ‎③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少__________(重力加速度为)。‎ ‎(3)如果______________，则可认为验证了机械能守恒定律。‎ ‎【命题立意】利用气垫导轨、光电门验证机械能守恒定律 ‎【思路点拨】用光电门测量速度，天平测量质量，刻度尺测量下落距离，从而验证动能的增加等于重力势能的减少。‎ ‎【规范解答】由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度当作瞬时速度，挡光条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间可从数字计时器读出，因此，滑块过光电门的瞬时速度为，由于质量事先已用天平测出，所以，滑块的动能就是已知数了。测出动能的增加值，测出重力势能的减小值，在误差范围内相等，就验证了机械能守恒定律。‎ ‎【答案】 （1）②9.30‎ ‎ ③60.00(答案在59.96~60.04之间的，也给分)‎ ‎ （2）①，‎ ‎ ②，‎ ‎ ③‎ ‎ (3)‎ ‎4.(2009·山东高考)‎ 某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到三条相同的橡皮筋（遵循胡克定律）和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如图‎7-2-10‎实验：将两条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物.‎ ‎(1)为完成该实验，下述操作中必需的是__________.‎ a.测量细绳的长度 b.测量橡皮筋的原长 c.测量悬挂重物后橡皮筋的长度 d.记录悬挂重物后结点O的位置 ‎(2)钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是 ‎______________________________________________.‎ ‎【解析】(1)根据实验目的和要求，无需测量细绳的长度，a操作没必要.在画力的平行四边形时，需要知道力的大小和方向及结点位置，故b、c、d是必须的.‎ ‎(2)利用现有器材，若要改变条件再次验证，可以更换不同的小重物，以改变合力的大小，从而改变分力的大小和方向，再做平行四边形，即可验证力的平行四边形定则.‎ 答案:(1)bcd (2)更换不同的小重物 ‎5.(2009·天津高考)如图‎7-2-11‎所示，将打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置可以测定重力加速度.‎ ‎(1)所需器材有打点计时器（带导线）、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物，此外还需_______（填字母代号）中的器材.‎ A.直流电源、天平及砝码 B.直流电源、毫米刻度尺 C.交流电源、天平及砝码 D.交流电源、毫米刻度尺 ‎(2)通过作图的方法可以剔除偶然误差较大的数据，提高实验的准确程度.为使图线的斜率等于重力加速度，除作v-t图象外，还可作________图象，其纵轴表示的是_________，横轴表示的是________.‎ ‎【解析】本题考查用打点计时器测重力加速度，涉及器材的选取和用图象处理数据的方法.‎ ‎(1)打点计时器需接交流电源.重力加速度与物体的质量无关，所以不需要天平和砝码.计算速度需要测相邻计数点间的距离，需要刻度尺，选D.‎ ‎(2)由公式v2=2gh,如绘出-h图象，其斜率也等于重力加速度.‎ 答案:(1)D (2-h 速度平方的二分之一 重物下落的高度 ‎6.为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图‎7-2-15‎所示实验装置.请思考探究思路并回答下列问题：‎ ‎(1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取的做法是___________________.‎ A.将不带滑轮的木板一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动 B.将不带滑轮的木板一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀加速运动 C.将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动 D.将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀加速运动 ‎(2)在“探究加速度与力、质量关系”的实验中，得到一条打点的纸带，如图‎7-2-16‎所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，则小车加速度的表达式为a=________.‎ ‎(3)消除小车与水平木板之间摩擦力的影响后，可用钩码总重力代替小车所受的拉力，此时钩码m与小车总质量M之间应满足的关系为______.‎ ‎(4)在“探究加速度与质量的关系”时，保持砝码质量不变，改变小车质量M，得到的实验数据如下表：‎ 为了验证猜想，请在图‎7-2-17‎所示的坐标系中作出最能直观反映a与M之间关系的图象.‎ ‎【解析】(1)要消除小车与木板间的摩擦阻力必须采用平衡摩擦力的方法.该方法是在不挂钩码的情况下，抬高不带滑轮的一端使小车带纸带做匀速直线运动，故选C.‎