1、第一讲第一讲 力学实验力学实验 专题八专题八 2021 内 容 索 引 02 03 体系构建体系构建 真题感悟真题感悟 高频考点高频考点 能力突破能力突破 01 价值引领价值引领 备考定向备考定向 价值引领价值引领 备考定向备考定向 核 心 要 求 核心 价值 物理实验在物理课程中占据重要的地位,通过物理实验的实践和学习,充 分锻炼学生自身的实践动手能力,巩固所学的物理知识,并且还能够培养 学生自身的科学探究素养和探究能力,这对于今后的学习和发展都有着 十分重要的作用 学科 素养 科学探究素养 关键 能力 科学探究能力、表达能力、创新能力。要求掌握常规实验的数据处理 方法,能将新课程标准及教材
2、中分组实验和演示实验的实验原理、实验 方法迁移到新的背景中,深刻理解物理概念和规律 必备 知识 课程标准要求的所有实验,把握每个实验的灵魂原理,掌握基本仪 器的选择、使用方法和注意事项;掌握处理实验数据的基本方法,如图 像法、平均值法等 试题情境 在课程标准和教材原始实验的基础上进行变式 考查方式 通过选择、填空、画图、连线、问答等形式考查 考向预测 本部分属于高考必考内容,每个实验都有可能考查,仪器的使用是实验 考核的基础内容。无论是实验设计,还是原理分析,往往都涉及基本仪 器的使用,所以一些基本仪器的原理、使用方法、注意事项和读数等, 在近几年的高考试题中不断出现;纸带类问题、弹簧类实验、
3、涉及电 阻的测量、电源电动势和内阻的测量为命题的重点;预计涉及传感器 的有关实验及新课程标准增加的实验为又一命题点 体系构建体系构建 真题感悟真题感悟 【网络构建网络构建】 【高考真题高考真题】 1.(2019全国卷)某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑 时的运动进行探究。物块拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图所示。已 知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,纸带上标出的每两个相邻点之 间还有4个打出的点未画出。在A、B、C、D、E五个点中,打点计时器最 先打出的是 点。在打出C点时物块的速度大小为 m/s(保留3位有效数字);物块下滑的加速度大小为 m/s2(保留2位 有效数字
4、)。 答案 A 0.233 0.75 解析 每两个相邻点之间有 4 个打出的点未画出,故相邻点之间的时间间隔 t=0.1 s。物块做匀加速直线运动,相同时间内运动的距离越来越大,故先打 A 点。平均速度等于中间时刻的瞬时速度,故 vC= = BC+CD 2 = 46.510-3 0.2 m/s=0.233 m/s,加速度 a=( 3+4)-(1+2) 42 = 3010-3 0.04 m/s2=0.75 m/s2。 情境剖析 本题属于基础性题目,以物体沿倾斜木板加速下滑为素材创设 学习探索类问题情境。 素养能力 本题考查的学科素养是科学探究素养,关键能力是实践操作能 力群中的实验探究能力。从题
5、图正确读出、记录相邻点间的位移大小,结 合匀变速直线运动规律求出要求的速度和加速度。 2.(2019全国卷)甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加 速度的实验。实验中,甲同学负责释放金属小球,乙同学负责在小球自由下 落的时候拍照。已知相机每间隔0.1 s拍1幅照片。 (1)若要从拍得的照片中获取必要的信息,在此实验中还必须使用的器材 是 。(填正确答案标号) A.米尺 B.秒表 C.光电门 D.天平 (2)简述你选择的器材在本实验中的使用方法。答: 。 (3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5 cm、 ac=58.7 cm,则该地的重力加速度大小为g=
6、 m/s2。(保留2位有 效数字) 答案 (1)A (2)将米尺竖直放置,使小球下落时尽量靠近米尺 (3)9.7 解析 (1)此实验原理是y=gt2,t=0.1 s,y需要用米尺测量然后计算得到,故 选A。 (2)将米尺竖直放置,小球自由下落轨迹与米尺平行。小球下落时尽量靠近 米尺,读数误差小。 (3)y=bc-ab=ac-2ab=9.7 cm,y=gt2,t=0.1 s,求得g=9.7 m/s2。 情境剖析 本题属于应用性、创新性题目,以教材中课后习题中的数码相 机的连拍功能测量重力加速度为素材创设学习探索类问题情境。 素养能力 本题考查的学科素养是科学探究素养,关键能力是实践操作能 力群中
7、的实验探究能力。即在创新性的实验情境下挑选实验器材进行实 验设计并从拍得的照片中获取信息,分析数据得出结论。 3.(2020北京卷)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,做如 下探究: (1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图1所示装置进行对比实验。两小 车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细 线按在桌上,使小车静止。抬起板擦,小车同时运动,一段时间后按下板擦, 小车同时停下。对比两小车的位移,可知加速度与质量大致成反比。关于 实验条件,下列正确的是 (选填选项前的字母)。 A.小车质量相同,钩码质量不同 B.小车质量不同,钩码质量相同 C.小车质量不同
8、,钩码质量不同 图1 (2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系,设计实验并得到小车加速度 a与质量M的7组实验数据,如下表所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了 6组数据点,请将余下的一组数据描在坐标纸上,并作出a- 图像。 1 次数 1 2 3 4 5 6 7 0.62 0.56 0.48 0.40 0.32 0.24 0.15 M/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 图2 a ( -2) (3)在探究加速度与力的关系实验之前,需要思考如何测“力”。请在图3中 画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量,下列说法正确的是 (选填选项前的字母)。 A
9、.使小车沿倾角合适的斜面运动,小车受力可等效为只受绳的拉力 B.若斜面倾角过大,小车所受合力将小于绳的拉力 C.无论小车运动的加速度多大,砂和桶的重力都等于绳的拉力 D.让小车的运动趋近于匀速运动,砂和桶的重力才近似等于绳的拉力 图3 答案 (1)B (2) (3)AD 解析 (1)为了探究加速度与质量的关系,必须控制小车所受拉力相同,而让 小车的质量不同,所以钩码质量相同,故B正确。 (2)数据描点和a- 图像如图所示 1 (3)使小车沿倾角合适的斜面运动,小车所受重力沿斜面的分力刚好等于小 车所受的摩擦力,则小车受力可等效为只受绳的拉力,故A正确;若斜面倾角 过大,重力沿斜面的分力大于摩擦
10、力,小车所受合力将大于绳的拉力,不利 于简化“力”的测量,故B错误;由牛顿第二定律可知,无论小车运动的加速度 多大,砂和桶的重力都大于绳的拉力,故C错误;当小车的运动趋近于匀速运 动时,砂和桶可近似看成受力平衡,则砂和桶的重力才近似等于绳的拉力, 故D正确。故选AD。 情境剖析 本题属于基础性题目,以教材中的“探究加速度与质量、力的关 系”的实验装置为素材创设学习探索类问题情境。 素养能力 本题考查了考生的“设计实验与制订方案、获取和处理信息”等 科学探究能力。要求考生利用已学基础知识和实验原理,能结合实验数据 分析相关问题。 高频考点高频考点 能力突破能力突破 考点一考点一 读数类问题读数类
11、问题(M) 归纳总结 1.游标卡尺的读数 游标尺 精确度 (mm) 测量结果(游标尺上第n条刻 度线与主尺上的某刻度线对 齐时)(mm) 刻度 格数 刻度总长 度(mm) 每小格与1 mm差(mm) 10 9 0.1 0.1 主尺上读的毫米数+0.1n 20 19 0.05 0.05 主尺上读的毫米数+0.05n 50 49 0.02 0.02 主尺上读的毫米数+0.02n 2.螺旋测微器的读数 测量值=固定刻度整毫米数+半毫米数+可动刻度读数(含估读值)0.01 mm。 3.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,若以mm为单位,小数点后只有1位。20分度和50分度
12、的游 标卡尺若以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,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,而把主尺的刻度读错。 (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。 【典例1】请读出螺旋测微器和游标卡尺的读数。 读数甲: cm 读数乙: cm。 答案 0.070 0 10.04 解析 螺旋测微器的固定刻度读数为0.5 mm,可动刻度读数为 0.0120.0 mm=0.200
13、 mm,所以最终读数为0.700 mm=0.070 0 cm。 游标卡尺的固定刻度读数为100 mm,游标读数为0.14=0.4 mm,所以最终 读数为100.4 mm=10.04 cm。 思维点拨 游标卡尺读数的方法是,主尺读数加上游标读数,不需估读。螺 旋测微器的读数方法是,固定刻度读数加上可动刻度读数,在读可动刻度读 数时需估读。 【类题演练类题演练】 1.(1)用游标为20分度的游标卡尺测量某物体长度如图,由图可知其长度为 mm; (2)用螺旋测微器测量某物体直径如下图,由图可知其直径为 mm。 答案 (1)50.15 (2)4.700 解析 (1)游标卡尺主尺读数为50 mm,游标读
14、数为0.053=0.15 mm,所以最 终读数为50.15 mm,即为物体的长度。 (2)螺旋测微器固定刻度读数4.5 mm,可动刻度读数为 0.0120.0 mm=0.200 mm,所以金属丝的直径为4.700 mm。 2.图甲为20分度游标卡尺的部分示意图,其读数为 mm;图乙为螺 旋测微器的示意图,其读数为 mm。 答案 8.15 2.970 解析 游标卡尺的固定刻度读数为8 mm,游标读数为:0.053 mm=0.15 mm, 所以最终读数为:8 mm+0.15 mm=8.15 mm; 螺旋测微器的固定刻度读数为2.5 mm,可动刻度读数为 0.0147.0 mm=0.470 mm,所
15、以最终读数为:2.5 mm+0.470 mm=2.970 mm。 考点二考点二 纸带类问题纸带类问题(含频闪照相含频闪照相)(H) 归纳总结 1.打点计时器系列实验 力学实验中用到打点计时器的实验有:测量做直线运动物体的瞬时速度,验 证牛顿运动定律,验证机械能守恒定律,验证动量守恒定律。 2.纸带数据的处理方法 【典例2】“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲 所示,已知打点计时器所用电源频率为50 Hz,试回答下列问题。 (1)实验中在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙 所示,A、B、C、D、E、F、G这些点的间距如图中标示,其中每相邻两点 间还有4个计
16、时点未画出。根据测量结果计算:打C点时小车的速度大小为 m/s;小车运动的加速度大小为 m/s2。(结果保留3位有效数字) (2)平衡好摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘,然后每 次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。根据小车的 加速度a与砝码盘中砝码的重力F的实验数据作出的a-F图线如图丙所示, 此图线不通过原点的主要原因是 。 (3)在某次利用上述已调整好的装置进行实验时,保持砝码盘中砝码个数不 变,小车自身的质量保持不变(已知小车的质量远大于砝码盘和盘中砝码的 质量),在小车上加一个砝码,并测出此时小车的加速度a,调整小车上的砝码, 进行多次实验,得到多组
17、数据,以小车上砝码的质量m为横坐标,相应加速度 的倒数 为纵坐标,在坐标纸上作出如图丁所示的 -m关系图线,实验结果 验证了牛顿第二定律。如果图中纵轴上的截距为b,图线的斜率为k,则小车 受到的拉力大小为 ,小车的质量为 。 1 1 答案 (1)1.18 1.50 (2)未计入砝码盘的重力 (3)1 解析 (1)纸带上两相邻计数点的时间间隔为 T=0.10 s,s1=9.50 cm、s2=11.00 cm、s3=12.55 cm、s4=14.00 cm、s5=15.50 cm、s6=17.05 cm,由匀变速直线 运动中,物体在某段时间内中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度 可知打C点时
18、小车的速度大小为vC=2 +3 2 ,代入数值得vC=1.18 m/s,小车的加 速度大小为 a=(4 +5+6)-(1+2+3) 92 ,代入数值得 a=1.50 m/s2。 (2)平衡摩擦力后,F=0 时就产生了加速度,说明未计入砝码盘的重力。 (3)设小车的质量为 M,图丁中图线的函数关系式满足1 =km+b,根据牛顿第二 定律得 F=(m+M)a,变形得1 = 1 m+ ,可解得 M= ,F= 1 。 思维点拨 应用纸带求瞬时速度和加速度的方法求速度和加速度;明确图 像中截距和斜率的意义是求解第(2)问和第(3)问的关键。 方法总结 1.利用纸带求瞬时速度的方法 在匀变速直线运动中,利
19、用物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的 瞬时速度求解。 测出与第n点相邻的前、后两段相等时间T内的距离xn和xn+1,由公式 算出。在验证机械能守恒定律实验中,就是根据此法求得物 体瞬时速度的。 vn=+1 2 2.利用纸带求加速度的方法 (1)利用a= 求解:在已经判断出物体做匀变速直线运动的情况下可利用 x=xn+1-xn=aT2求加速度a。 (2)逐差法: 如图所示,由xm-xn=(m-n)aT2 (3)图像法: 确定各计数点的坐标值(v1,T)、(v2,2T)、(vn,nT)。 画出v-t图像,图线的斜率为物体做匀变速直线运动的加速度。 2 可得 a1=4-1 32 ,a2=5-2
20、 32 ,a3=6-3 32 所以 a=1+2+3 3 = 4+5+6-1-2-3 92 。 由 vn=+1 2 ,求出各相应时刻的速度。 3.利用纸带判断物体做匀变速直线运动的方法 若相邻两计数点之间的距离满足x=x2-x1=x3-x2=xn-xn-1=aT2(恒量),说 明物体做匀变速直线运动。 【类题演练类题演练】 3.某同学用图甲所示的实验装置验 证机械能守恒定律,其中打点计时 器的电源为交流电源,可以使用的 频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打 出纸带的一部分如图乙所示。该 同学在实验中没有记录交流电源 的频率f,需要用实验数据和其他题 给条件进行推算。 (1)若从打出的纸带
21、可判定重物匀加速下落,利用f和图乙中给出的物理量 可以写出:在打点计时器打出B点时,重物下落的速度大小为 ,打出C 点时重物下落的速度大小为 ,重物下落的加速度大小 为 。 (2)已测得s1=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm;当地重力加速度大小为9.80 m/s2,实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为 Hz。 答案 (1)(1 +2) 2 (2+3) 2 (3-1)2 2 (2)40 解析 (1)利用做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间 时刻的瞬时速度,可得打点计时器打出 B 点时重物下落的速度 vB=1 +2 2 = (1+
22、2) 2 ;打出 C 点时重物下落的速度 vC=2 +3 2 = (2+3) 2 。根据加速度的定义, 重物下落的加速度大小为 a= - =(vC-vB)f=(3 -1)2 2 。 (2)根据题述,重物下落受到的阻力为 0.01mg,由牛顿第二定律 得,mg-0.01mg=ma,解得 a=0.99g。由(3 -1)2 2 =0.99g,解得 f=40 Hz。 4.(2020山东等级考模拟)2019年9月,我国成功完成了76 km/h高速下列车实 车对撞实验,标志着我国高速列车被动安全技术达到了世界领先水平。某 学习小组受此启发,设计了如下碰撞实验,探究其中的能量损耗问题,实验 装置如图甲所示。
23、 实验准备了质量分别为0.20 kg、0.20 kg、0.40 kg的滑块A、B、C,滑块A 右侧带有自动锁扣,左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连,滑块B、C 左侧均带有自动锁扣,打点计时器的电源频率f=50 Hz。 调整好实验装置后,在水平气垫导轨上放置A、B两个滑块,启动打点计时 器,使滑块A以某一速度与静止的滑块B相碰并粘合在一起运动,纸带记录 的数据如图乙所示;用滑块C替代滑块B,重复上述实验过程,纸带数据如图 丙所示。 根据纸带记录的数据,滑块A与B碰撞过程系统损失的动能为 J,滑 块A与C碰撞过程系统损失的动能为 J。(计算结果均保留2位有 效数字) 根据实验结果可知,被碰物
24、体质量增大,系统损失的动能 (填“增 大”“减小”或“不变”)。 答案 0.45 0.60 增大 解析 由纸带可得出 A 与 B 碰撞前的速度为(6.00+6.01+6.02+6.03)cm 4 1 ;碰撞后的 速度为(2.97+2.98+2.99+3.00)cm 4 1 ;则可计算出碰撞前系统总动能 E=0.9 J,碰撞后 系统的总动能 E=0.45 J,可得碰撞过程中系统损失的动能为 0.45 J;同理可计 算出,A 与 C 碰撞过程中损失的动能为 0.60 J;由计算结果可知,系统损失的动 能增大。 考点三考点三 弹簧、橡皮条问题弹簧、橡皮条问题(M) 归纳总结 力学实验中用到弹簧或橡皮
25、条的实验有探究弹力与弹簧伸长 的关系、验证力的平行四边形定则、探究做功与小车速度变化的关系。 1.探究弹力和弹簧伸长量的关系 (1)实验原理 要测出每次悬挂重物的重力大小G和弹簧伸长的长度x,建立G-x坐标系,描 点作图探究。 (2)操作关键 实验中不能挂过多的钩码,使弹簧超过弹性限度; 作图像时,不要连成“折线”,而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在 直线的两侧。 2.验证力的平行四边形定则 (1)实验原理 使一个力的作用效果跟两个力的共同作用效果相同。 (2)操作关键 每次拉伸结点位置O必须保持不变; 记下每次各力的大小和方向; 画力的图示时应选择适当的标度。 【典例3】(2018天津卷
26、)某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,所 用器材有:方木板一块,白纸,量程为5 N的弹簧测力计两个,橡皮条(带两个 较长的细绳套),刻度尺,图钉(若干个)。 (1)具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的 有 。 A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上 B.重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同 C.使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线;读数时视线应正对测力计刻度 D.用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计 时的拉力 (2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验,白纸上留下的标注信息有结 点位置O、力的标度、分力和合力的大小及
27、表示力的作用线的点,如下图 所示。其中对于提高实验精度最有利的是 。 答案 (1)BC (2)B 解析 (1)做验证力的平行四边形定则实验时,橡皮筋和两绳套夹角的角平 分线没有必要在一条直线上,选项A错误;在同一次实验中要保持橡皮筋结 点O在同一位置,但为了寻找普遍规律重复实验(或不同实验小组实验)时, 结点O的位置可以不同,选项B正确;由弹簧测力计的使用规则可知选项C正 确;合力与分力的大小关系不确定,实验中没有必要使两个测力计拉橡皮筋 时拉力小于只用一个测力计时的拉力,选项D错误。 (2)A、D图中选择的力的标度太大,不方便作图,并且A图中表示力的作用 线的点离结点O太近不利于确定力的方向
28、,选项A错误;C图中实验时弹簧 测力计的示数太小,作图误差较大,不利于总结实验结论,选项C错误。故只 有选项B最符合题意。 方法技巧 “验证力的平行四边形定则”的实验中需要注意: 1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后 互钩对拉,若两只弹簧测力计在对拉过程中,读数相同,则可选;若读数不同, 应另换,直至相同为止。 2.在同一次实验中,使橡皮条拉长时,结点O位置一定要相同。 3.用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时,夹角不宜太大也不 宜太小,在60100之间为宜。 4.实验时弹簧测力计应与木板平行,读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度, 在合力不超过量程及橡皮条弹
29、性限度的前提下,拉力的数值尽量大些。 5.细绳套应适当长一些,便于确定力的方向。不要直接沿细绳套的方向画 直线,应在细绳套末端用铅笔画一个点,去掉细绳套后,再将所标点与O点连 接,即可确定力的方向。 6.在同一次实验中,画力的图示所选定的标度要相同,并且要恰当选取标度, 使所作力的图示稍大一些。 【类题演练类题演练】 5.(2017全国卷)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,将画有坐 标轴(横轴为x轴,纵轴为y轴,最小刻度表示1 mm)的纸贴在水平桌面上,如图 (a)所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外),另一 端P位于y轴上的A点时,橡皮筋处于原长。 (1)用一
30、只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O,此时拉力F的 大小可由测力计读出。测力计的示数如图(b)所示,F的大小为 N。 (2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个测力计同时拉橡皮筋, 再次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的 方向,由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1=4.2 N和F2=5.6 N。 ()用5 mm长度的线段表示1 N的力,以O为作用点,在图(a)中画出力F1、F2的图 示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合; 图(a) 图(b) ()F合的大小为 N,F合与拉力F的夹角的正切值为 。 若F合与拉力F的大小及方向的偏
31、差均在实验所允许的误差范围之内,则该实验 验证了力的平行四边形定则。 答案 (1)4.0 (2)()F1、F2和F合如图所示 ()3.8 0.05 解析 (1)题图(b)中弹簧测力计的精度为0.2 N,则示数为4.0 N; (2)用5 mm长的线段表示1 N的力,F2对应的长度为2.8 cm,F1对应的长度为 2.1 cm,根据平行四边形定则作出的图形如答案图所示;测出F合的长度为 1.9 cm,则F合的大小为3.8 N,如图F合、F及F构成的三角形,F的长度约0.1 cm,此三角形可近似看作直角三角形,则F合与拉力F的夹角的正切值 tan =0.1 1.9=0.05。 6.(2018全国卷)
32、如图(a),一弹簧上端固定在支架顶端,下端悬挂一托盘;一 标尺由游标和主尺构成,主尺竖直固定在弹簧左边;托盘上方固定有一能与 游标刻度线准确对齐的装置,简化为图中的指针。 现要测量图(a)中弹簧的劲度系数。当托盘内没 有砝码时,移动游标,使其零刻度线对准指针,此 时标尺读数为1.950 cm;当托盘内放有质量为 0.100 kg的砝码时,移动游标,再次使其零刻度线 对准指针,标尺示数如图(b)所示,其读数为 cm。当地的重力加速度大小为9.80 m/s2,此弹簧 的劲度系数为 N/m(保留3位有效数字)。 解析 主尺读数3.7 cm,即37 mm,游标尺第15格与主尺某刻度对齐,所以总 读数为
33、 37 mm+15 1 20 mm=37.75 mm=3.775 cm; 由 F=kx 得 k= = 2-1 = = 0.1009.8 (3.775-1.950)10-2 N/m= 0.98 1.82510-2 N/m53.7 N/m 答案 3.775 53.7 考点四考点四 新增力学实验新增力学实验 规律方法 相对之前的高考,等级考试要求的物理实验,根据新课程标准规 定,有了较大的变化。除了一些名称改变的实验外,新增加了一些新实验, 如“探究平抛运动的特点”“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系” 等,另外原选考内容的实验也应引起重视,如“用单摆测量重力加速度的大 小”。因此要在一轮复习
34、的基础上,从实验操作及注意事项、实验数据处 理和分析、实验创新等方面,进一步强化新增物理实验的复习。 【典例4】(2019北京卷)用如图1所装置研究平抛运动。将白纸和复写纸 对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出, 落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢 球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板,重新释放钢球,如此重复, 白纸上将留下一系列痕迹点。 (1)(多选)下列实验条件必须满足的有 。 A.斜槽轨道光滑 B.斜槽轨道末段水平 C.挡板高度等间距变化 D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球 图1 (2)为定量研究,建立以水平方向为
35、x轴、竖直方向为y轴 的坐标系。 a.取平抛运动的起始点为坐标原点,将钢球静置于Q点, 钢球的 (选填“最上端”“最下端”或“球心”)对 应白纸上的位置即为原点;在确定y轴时 (选 填“需要”或“不需要”)y轴与重锤线平行。 图2 b.若遗漏记录平抛轨迹的起始点,也可按下述方法处理数据:如图2所示,在 轨迹上取A、B、C三点,AB和BC的水平间距相等且均为x,测得AB和BC的 竖直间距分别是y1和y2,则 (选填“大于”“等于”或者“小于”)。 可求得钢球平抛的初速度大小为 (已知当地重力加速度为g,结 果用上述字母表示)。 1 2 1 3 (3)(多选)为了得到平抛物体的运动轨迹,同学们还提
36、出了以下三种方案,其中可行的 是 。 A.从细管水平喷出稳定的细水柱,拍摄照片,即可得到平抛运动轨迹 B.用频闪照相在同一底片上记录平抛小球在不同时刻的位置,平滑连接各位置,即可 得到平抛运动轨迹 C.将铅笔垂直于竖直的白纸板放置,笔尖紧靠白纸板,铅笔以一定初速度水平抛出,将 会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹 (4)伽利略曾研究过平抛运动,他推断:从同一炮台水平发射的炮弹,如果不受空气阻力, 不论它们能射多远,在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体 。 A.在水平方向上做匀速直线运动 B.在竖直方向上做自由落体运动 C.在下落过程中机械能守恒 (5)牛顿设想,把物体从高山上水平抛出,速
37、度一次比一次大,落地点就一次比一次远, 如果速度足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星。 同样是受地球引力,随着抛出速度增大,物体会从做平抛运动逐渐变为做圆周运动,请 分析原因。 答案 (1)BD (2)a.球心 需要 (3)AB (4)B (5)物体初速度较小时,运动范围很小,引力可以看作恒力重力,做平抛 运动;随着物体初速度增大,运动范围变大,引力方向变化,不能再看作恒力; 当物体初速度达到第一宇宙速度时,做圆周运动而成为地球卫星。 b.大于 x 2-1 解析 (1)斜槽的作用是提供一个恒定的水平速度,水平速度要求斜槽轨道 末端水平,B正确;速度大小恒定,则要求每次从
38、斜槽上相同的位置无初速释 放,对斜槽轨道是否光滑无要求,根据动能定理,每次合外力做功相同,就会 获得相同大小的速度,A错误、D正确;记录平抛运动轨迹,对挡板高度变化 无要求,C错误。 (2)a.平抛运动的起点是球心,确定y轴时需要用重锤线确定,y轴平行于重锤 线。 b.AB和BC的水平间隔相等,水平方向是匀速运动,可推出AB和BC的时间相 等;竖直方向是匀加速直线运动,y=v0t+ gt2,若初速为零,位移之比是13;A 点的竖直速度不为零, 1 2 1 2 1 3。根据 y2-y1=gT 2,v0= ,求得 v0=x 2-1。 (3)从细管中水平喷出的水做平抛运动,拍照片可记录,A可行;频闪
39、照相可 记录平抛小球的位置,平滑连接即为平抛运动轨迹,B可行;铅笔的笔尖与白 纸存在摩擦力,不是平抛运动,C错误。 (4)炮台竖直高度一定,炮弹在竖直方向上做自由落体运动,y= gt2,下落时 间相同,A、C错误,B正确。 (5)物体初速度较小时,运动范围很小,引力可以看作恒力-重力,做平抛运动; 随着物体初速度增大,运动范围变大,引力方向变化,不能看作恒力;当物体 初速度达到第一宇宙速度时,做圆周运动而成为地球卫星。 1 2 【类题演练类题演练】 7.(2020天津卷)某实验小组利用图甲所示装置测定平抛运动的初速度。把 白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上,在桌面上固定一个斜面,斜面的 底边
40、ab与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之间的距离,让钢 球从斜面顶端同一位置滚下,通过碰撞复写纸,在白纸上记录钢球的落点。 (1)为了正确完成实验,以下做法必要的是 。 A.实验时应保持桌面水平 B.每次应使钢球从静止开始释放 C.使斜面的底边ab与桌边重合 D.选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面 图甲 (2)实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2 m,在白 纸上记录了钢球的4个落点,相邻两点之间的距离依次为 15.0 cm、25.0 cm、35.0 cm,示意如图乙。重力加速度g取 10 m/s2,钢球平抛的初速度为 m/s。 (3)图甲装置中,木板上悬挂一条铅垂线,其作用 是 。
41、 图乙 答案 (1)AB (2)2 (3)方便将木板调整到竖直平面 解析 (1)为保证小球离开桌面后做平抛运动,桌面必须保持水平,且小球离开斜 面后必须在水平桌面上先运动一段距离,选项A正确、C错误;为保证小球每次离 开桌面后做同一轨迹的平抛运动,必须保证每次实验中小球离开桌面的速度相 同,故每次实验小球必须从斜面顶端同一位置且由静止释放,这种情况下斜面对 小球的摩擦力的影响每次都是相同的,没有必要选择对小球摩擦力小的斜面,选 项B正确、D错误。 (2)小球离开桌面后在水平方向做匀速直线运动,木板每次远离桌子的距离 x=0.2 m相同,故小球打到木板前每次平抛运动的时间增量相同,即白纸上相邻
42、点迹对应的时间间隔T相等,又因为小球竖直方向做自由落体运动,故y=gT2,设 小球平抛运动的初速度为v0,则x=v0T,联立解得v0=2 m/s。 (3)为保证白纸上点迹间隔为竖直方向上的位移,木板必须沿竖直方向,铅垂线的 作用就是方便将木板调整到竖直平面。 8.在探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度和半径r之间 的关系的实验中: (1)在探究向心力的大小F与角速度的关系时,要保持 相同。 A.和r B.和m C.m和r D.m和F (2)本实验采用的实验方法是 。 A.累积法 B.控制变量法 C.微元法 D.放大法 (3)通过本实验可以得到的正确结果是 。 A.在质量和半径一
43、定的情况下,向心力的大小与角速度成正比 B.在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与线速度的大小成正比 C.在质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与半径成反比 D.在半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与质量成正比 答案 (1)C (2)B (3)D 解析 (1)在研究向心力的大小F与质量m、角速度和半径r之间的关系时,需先 控制某些量不变,研究另外两个物理量的关系,所以在探究向心力的大小F与角 速度的关系时,要保持小球的质量与运动的半径相同,故C正确; (2)在实验时需先控制某些量不变,研究另外两个物理量的关系,该方法为控制变 量法,故B正确。 (3)根据向心力的公式F=m2r,在质量和
44、半径一定的情况下,向心力的大小与角 速度大小的二次方成正比,故A错误;根据向心力的公式F=m 在质量和半径一 定的情况下,向心力的大小与线速度的大小的二次方成正比,故B错误;根据向心 力的公式F=m2r在质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与半径成正比,故 C错误;根据向心力的公式F=m2r在半径和角速度一定的情况下,向心力的大小 与质量成正比,故D正确。 2 9.(2020浙江卷)某同学用单摆测量重力加速度, (1)(多选)为了减少测量误差,下列做法正确的是 ; A.摆的振幅越大越好 B.摆球质量大些、体积小些 C.摆线尽量细些、长些、伸缩性小些 D.计时的起、止位置选在摆球达到的最高点处
45、 (2)改变摆长,多次测量,得到周期的二次方与摆长的关系图像如图所示,所得结果 与当地重力加速度值相符,但发现其延长线没有过原点,其原因可能是 。 A.测周期时多数了一个周期 B.测周期时少数了一个周期 C.测摆长时直接将摆线的长度作为摆长 D.测摆长时将摆线的长度加上摆球的直径作为摆长 答案 (1)BC (2)C 解析 (1)因为测量误差主要有两个,一是空气阻力的影响,二是摆长测不准, 从这两方面看,应选BC。 (2)根据单摆周期公式 T=2 ,得 T 2=4 2 = 42 0+ ,对照图像可知,C 正确。 考点五考点五 力学创新类实验力学创新类实验(H) 规律方法 力学创新型实验的特点及解
46、法 1.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,融入实验的综合分析之中。 2.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。 【典例5】(2020山东菏泽高三一模)如图甲是实验室测定小物块和水平面 之间动摩擦因数的实验装置,将带有遮光条的物体由曲面的顶端无初速度 释放,物体经过光电门瞬间可通过数字计时器记录遮光条的挡光时间,经过 一
47、段时间物体停在水平面上的A点,重力加速度大小为g: (1)实验需用游标卡尺测量遮光条的宽度d,如图乙所示,d= mm; (2)为了完成本实验,还需要测量A点到光电门的距离s与遮光条通过光电门 的时间t,得动摩擦因数的表达式为= ;(用测量的物理量 和重力加速度g表示) (3)为了减小实验误差,同学们采用图像法来处理实验数据,他们根据(2)中 测量的物理量,建立如图所示的坐标系寻找关系,其中合理的 是 。 答案 (1)5.50 (2) 2 22 (3)B 解析 (1)d=5 mm+0.05 mm10=5.50 mm。 (2)根据遮光条的宽度与物体通过光电门的时间即可求得物体的速度:v= , 物体经过光电门到图甲中 A 点的过程中,摩擦力做功,根据动能定理得 -mgs=0-1 2mv 2, 联立以上两个公式得动摩擦因数的表达式 = 2 22。 (3)由动摩擦因数的表达式可知, 与 t2和 s 的乘积成反比,所以 1 2与 s 的图线是过 原点的直线,应该建立的坐标系为:纵坐标用物理量 1 2,横坐标用物理量 s,即 B 正 确。 思维点拨 明确实验原理,应用动能定理或牛顿运动定律建立摩擦力与速 度的关系,然后应用光电计时器测速度即可。 【类题演练类题演练】 10.(2020陕西宝鸡中学高三三模)李华同学在一科普读物上看到:球体在液体中 运动时受到的
