物理第13講 力學實驗與創(chuàng)新

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1、專題整合突破專題五實驗技能與創(chuàng)新專題五實驗技能與創(chuàng)新要點解讀備考對策1.實驗基本能力：重點考查游標卡尺、螺旋測微器；多用電表等的讀數(shù)、構(gòu)造、原理、重要的實驗方法、實驗器材的選擇、電路實物連線和運用圖象與表格分析處理實驗數(shù)據(jù)、實驗結(jié)論、誤差分析及電學實驗中的故障分析等。2.設(shè)計與創(chuàng)新能力：要求考生將教材中的實驗原理、實驗方法遷移到新的背景中，以完成新的實驗要求的設(shè)計性實驗，將逐步取代對原教材中實驗的考查。3.實驗題類型近年高考通常為“一力一電”模式。1.重點關(guān)注游標卡尺、螺旋測微器、多用電表、電阻箱等的讀數(shù)，電表量程、滑動變阻器及實驗電路的選取等。2.“源于課本，不拘泥于課本”一直是高考實驗題命

2、題的理念，所以熟悉課本實驗，抓住實驗的靈魂原理，是我們復(fù)習的重中之重，3.知識創(chuàng)新型實驗。例如設(shè)計型、開放型、探討型實驗等都有不同程度的創(chuàng)新，比如利用所學知識設(shè)計出很多測量重力加速度的實驗方案。其中，力學設(shè)計性實驗在近年高考中有加強的趨勢，應(yīng)引起高度重視。第13講力學實驗與創(chuàng)新1微網(wǎng)構(gòu)建微網(wǎng)構(gòu)建2高考真題高考真題3熱點聚焦熱點聚焦4復(fù)習練案復(fù)習練案微網(wǎng)構(gòu)建微網(wǎng)構(gòu)建高考真題高考真題 (1)由圖(b)可知，小車在桌面上是_(填“從右向左”或“從左向右”)運動的。 (2)該小組同學根據(jù)圖(b)的數(shù)據(jù)判斷出小車做勻變速運動。小車運動到圖(b)中A點位置時的速度大小為_m/s，加速度大小為_m/s2。(

3、結(jié)果均保留2為有效數(shù)字)從右向左從右向左 0.19 0.19 0.037 0.037 實驗步驟如下： 如圖(a)，將光電門固定在斜面下端附近：將一擋光片安裝在滑塊上，記下?lián)豕馄岸讼鄬τ谛泵娴奈恢茫罨瑝K從斜面上方由靜止開始下滑；52.1 52.1 16.3 16.3 (1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標原點O，此時拉力F的大小可由測力計讀出。測力計的示數(shù)如圖(b)所示，F(xiàn)的大小為 _N。4.0 4.0 (2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點；現(xiàn)使用兩個測力計同時拉橡皮筋，再次將P端拉至O點，此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向，由測力計的示數(shù)讀出兩個拉力

4、的大小分別為F14.2 N和F25.6 N。 ()用5 mm長度的線段表示1 N的力，以O(shè)點為作用點，在圖(a)中畫出力F1、F2的圖示，然后按平形四邊形定則畫出它們的合力F合； ()F合的大小為_N，F(xiàn)合與拉力F的夾角的正切值為_。若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內(nèi)，則該實驗驗證了力的平行四邊形定則。 解析(1)由測力計的讀數(shù)規(guī)則可知，讀數(shù)為4.0 N。(2)()利用平行四邊形定則作圖；()由圖可知F合4.0 N，從F合的頂點向x軸和y軸分別作垂線，頂點的橫坐標對應(yīng)長度為1 mm，頂點的縱坐標長度為20 mm，則可得出F合與拉力F的夾角的正切值為0.05。 4.0

5、4.0 0.05 0.05 (1)打點計時器使用的電源是_(選填選項前的字母)。 A直流電源B交流電源 B B (2)實驗中，需要平衡摩擦力和其它阻力，正確操作方法是_(選填選項前的字母)。 A把長木板右端墊高 B改變小車的質(zhì)量 在不掛重物且_(選填選項前的字母)的情況下，輕推一下小車。若小車拖著紙帶做勻速運動，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響。 A計時器不打點 B計時器打點 A A B B (3)接通電源，釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點，將打下的第一個點標為O。在紙帶上依次取A、B、C若干個計數(shù)點，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T。測得A、B、C各點到O點的距離為x1、x2、x3

6、，如圖2所示。 實驗中，重物質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量，可認為小車所受的拉力大小為mg。從打O點打B點的過程中，拉力對小車做的功W_，打B點時小車的速度v_。 mgxmgx2 2 (4)以v2為縱坐標，W為橫坐標，利用實驗數(shù)據(jù)做如圖3所示的v2W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達式為_。根據(jù)功與能的關(guān)系，動能的表達式中可能包含v2這個因子；分析實驗結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是_。v2 2kWkW，k k(4.5(4.55.0)m5.0)m2 2s s2 2J J1 1 質(zhì)量質(zhì)量 (5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠小于小車質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖4中

7、正確反映v2W關(guān)系的是_。 A A 對于該實驗，下列操作中對減小實驗誤差有利的是_。 A重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘 B兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正 C精確測量出重物的質(zhì)量 D用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撒手釋放重物 AB AB 某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到50 Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，圖中有部分未畫出，如圖所示。紙帶上各點是打點計時器打出的計時點，其中O點為紙帶上打出的第一個點。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計時點間的距離直接測出，利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有_。 AOA、AD和EG的長度 BOC、BC和CD的長度 CBD、CF和

8、EG的長度 CAC、BD和EG的長度 BC BC (1)掛鉤碼前，為了消除摩擦力的影響，應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度，直至向左輕推小車觀察到_。 小車做勻速運動小車做勻速運動 (2)掛上鉤碼，按實驗要求打出的一條紙帶如圖2所示。選擇某一點為O，依次每隔4個計時點取一個計數(shù)點。用刻度尺量出相鄰計數(shù)點間的距離x，記錄在紙帶上。計算打出各計數(shù)點時小車的速度v，其中打出計數(shù)點“1”時小車的速度v1_m/s。0.228 0.228 W/103J2.452.923.353.814.26Ek/103J2.312.733.123.614.00 請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出EkW圖象。 (4)實驗結(jié)果表明，Ek總是

9、略小于W。某同學猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的。用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車受到的實際拉力F_N。0.093 0.093 熱點聚焦熱點聚焦 1毫米刻度尺的讀數(shù)：精確到毫米，估讀一位。 2游標卡尺的讀數(shù)熱點一基本儀器的原理與讀數(shù)游標尺精確度(mm)測量結(jié)果(游標尺上第n條刻度線與主尺上的某刻度線對齊時)(mm)刻度格數(shù)刻度總長度(mm)每小格與1 mm差(mm)1090.10.1主尺上讀的毫米數(shù)0.1n主尺上讀的毫米數(shù)0.05n 3.螺旋測微器的讀數(shù) 測量值：固定刻度整毫米數(shù)半毫米數(shù)可動刻度讀數(shù)(含估讀值)0.01 mm。 4彈簧秤的讀數(shù) 若最小分度為0.1 N，須估讀。即結(jié)果

10、以N為單位，小數(shù)點后保留兩位。解析游標卡尺的主尺讀數(shù)為10 mm，游標尺上第10個刻度和主尺上某一刻度對齊，所以游標讀數(shù)為100.05 mm0.50 mm，所以最終讀數(shù)為：10 mm0.50 mm10.50 mm；螺旋測微器的固定刻度為3 mm，可動刻度為20.00.01 mm0.200 mm，所以最終讀數(shù)為3 mm0.200 mm3.200 mm。典例典例1 1 10.50 10.50 3.200(3.198 3.200(3.1983.202) 3.202) 游標卡尺、螺旋測微器讀數(shù)的三點注意 1游標卡尺在讀數(shù)時先確定各尺的分度，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以毫米為單位的數(shù)據(jù)，先讀主尺數(shù)據(jù)，再讀游標尺數(shù)據(jù)，

11、最后兩數(shù)相加。 2螺旋測微器在讀數(shù)時注意區(qū)別整刻度線與半毫米刻度線，注意判斷半毫米刻度線是否露出。 3游標卡尺讀數(shù)時不需要估讀，而螺旋測微器讀數(shù)時需要估讀。方法總結(jié) 它的準確度是_mm； 用它測量某物體的厚度，示數(shù)如圖所示，正確的讀數(shù)是_cm。 (2)用螺旋測微器測量某金屬絲直徑，其示數(shù)如圖所示，由圖可知該金屬絲直徑為_mm；0.05 0.05 0.030 0.030 4.6984.6984.700 4.700 解析(1)新式游標卡尺的測量原理和傳統(tǒng)的游標卡尺相同，新式游標卡尺其游標尺上20個分度只有39 mm，比主尺上的40個分度短1 mm，它的測量精確度是：0.05 mm，用它測得物體厚度

12、為30 mm0.05 mm630.30 mm3.030 cm (2)游標卡尺讀數(shù)為4.5 mm20.00.01 mm4.700 mm 計時儀器的測量方法 1打點計時器 (1)tnT(n表示打點的時間間隔的個數(shù)，T表示打點周期) (2)打點頻率(周期)與所接交流電的頻率(周期)相同 2.光電計時器 光電計時器能自動記錄擋光時間，顯示在讀數(shù)窗口。 3.頻閃照相機計時 用相等時間間隔獲取圖象信息的方法記下物體在不同時刻的位置。熱點二紙帶類試驗典例典例2 2 (1)根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得小車運動的加速度表達式為a_。 D D (3)該同學接下來探究在質(zhì)量不變的情況下，加速度與合外力的關(guān)系。他平衡摩擦力后，每

13、次都將小車中的砝碼取出一個放在砝碼盤中，用天平測得砝碼盤及盤中砝碼的總質(zhì)量m，并通過打點計時器打出的紙帶求出加速度。得到多組數(shù)據(jù)后，繪出如圖丙aF圖象，發(fā)現(xiàn)圖象是一條過坐標原點的傾斜直線。圖象中直線的斜率表示_(用本實驗中可測量的量表示)。 (4)該同學在這個探究實驗中采用的物理學思想方法為_ A理想化模型法B控制變量法 C極限法 D比值法。 B B “長木板、小車、紙帶、打點計時器”實驗裝置中的細節(jié)及注意事項 (1)在驗證牛頓運動定律，探究動能定理的實驗中，都需要平衡摩擦力。平衡摩擦力的方法是將小車放在木板上，把木板不帶滑輪的一端墊高，在小車后面接一條紙帶，穿過打點計時器，讓小車在沒有牽引力

14、的情況下恰能勻速下滑。(判斷其勻速下滑的依據(jù)是：紙帶上的點間距是一樣的) (2)在測定動摩擦因數(shù)的實驗中，木板必須水平，細線必須與長木板平行，這樣才能使壓力等于木塊的重力，細線對木塊的拉力沿水平方向。 (3)小車在長木板上做勻加速直線運動時，繩上的拉力并不等于懸掛物的重力，只有當M車m掛時，繩上的力近似等于懸掛物的重力。如果繩上連接著力傳感器或測力器，則可直接讀出繩上的拉力，不需要M車m掛。方法總結(jié) (1)小車的加速度大小為_m/s2； (2)根據(jù)紙帶上所給出的數(shù)據(jù)，可求出電源的頻率為_Hz； (3)打紙帶上C點時小車的瞬時速度大小為_m/s。 2 2 40401 1 (1)為了消除運動過程中

15、所受摩擦的影響，調(diào)整時應(yīng)將木板_(選填“左”或“右”)端適當墊高以平衡摩擦力。 (2)實驗中，某同學打出一段紙帶如圖乙所示，相鄰兩計時點距離依次為：AB3.50 cm、BC3.80 cm、CDDEEFFGGH4.00 cm，則勻速運動的速度v_m/s。左左 2 2 D D 1探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系的操作關(guān)鍵 (1)實驗中不能掛過多的鉤碼，防止彈簧超過彈性限度。 (2)畫圖象時，不要連成“折線”，而應(yīng)盡量讓坐標點落在直線上或均勻分布在直線兩側(cè)。 2驗證力的平行四邊形定則的操作關(guān)鍵 (1)每次拉伸結(jié)點位置O必須保持不變。 (2)記下每次各力的大小和方向。 (3)畫力的圖示時應(yīng)選擇適當?shù)臉硕取?/p>

16、點三彈簧類試驗典例典例3 3 (3)重物掛在頭發(fā)絲上，兩手緩慢沿刻度尺水平移動，直至頭發(fā)絲恰好被拉斷；從刻度尺上讀出兩手指尖之間的距離d30.00 cm(取重力加速度g10m/s2，掛鉤光滑且質(zhì)量不計) 由以上數(shù)據(jù)可知所用刻度尺最小刻度為_；頭發(fā)絲的最大拉力表達式T_(用以上物理量符合表示)；利用所測數(shù)據(jù)可獲得最大拉力為_N(保留三位有效數(shù)字)，在正常范圍。1.88 1.88 0.1 cm 0.1 cm , , (1)在國際單位制中，楊氏模量Y的單位應(yīng)該是_ ANBm CN/m DPa D D (2)有一段橫截面是圓形的橡皮筋，應(yīng)用如圖所示的實驗裝置可以測量出它的楊氏模量Y的值。首先利用刻度尺

17、測得橡皮筋的長度L20.00 cm，利用測量工具a測得橡皮筋未受到拉力時的直徑D4.000 mm，那么測量工具a應(yīng)該是_。 螺旋測微器螺旋測微器 (3)做出橡皮筋受到的拉力F與伸長量x的圖像，由圖象可求得該橡皮筋的勁度系數(shù)k_N/m。 (4)這種橡皮筋的Y值等于_(Y的數(shù)值保留一位有效數(shù)字)312.5 312.5 5 510106 6 Pa Pa 一、注意事項 1前提條件：碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”。 2方案提醒： (1)若利用氣墊導軌進行實驗，調(diào)整氣墊導軌時，注意利用水平儀確保導軌水平。 (2)若利用擺球進行實驗，兩小球靜放時球心應(yīng)在同一水平線上，且剛好接觸，擺線豎直，將小球拉起后

18、，兩條擺線應(yīng)在同一豎直面內(nèi)。 (3)若利用長木板進行實驗，可在長木板下墊一小木片用以平衡摩擦力。 3探究結(jié)論：尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不改變。 熱點四驗證動量守恒定律 二、誤差分析 1系統(tǒng)誤差：主要來源于裝置本身(是否符合要求)。 (1)碰撞是否為一維碰撞。 (2)實驗是否滿足動量守恒的條件，如氣墊導軌是否水平，兩球是否等大，長木板實驗時是否平衡掉摩擦力。 2偶然誤差：主要來源于質(zhì)量m和速度v的測量。 3改進措施： (1)設(shè)計方案時應(yīng)保證碰撞為一維碰撞，且盡量滿足動量守恒的條件。 (2)采取多次測量求平均值的方法減小偶然誤差。典例典例4 4 (1)為使兩球碰撞是一維碰撞，所選兩球的直

19、徑關(guān)系為：A球直徑_ (選填“大于”、“小于”或“等于”)B球直徑。 等于等于 AB( AB(不全或選錯不得分不全或選錯不得分) ) mAmAOFOFmAmAOEOEmBmBOJOJ 用天平測出兩個小球的質(zhì)量分別為m1和m2； 安裝實驗裝置，將斜槽AB固定在桌邊，使槽的末端切線水平，再將一斜面BC連接在斜槽末端； 先不放小球m2，讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止釋放，標記小球在斜面上的落點位置P； 將小球m2放在斜槽末端B處，仍讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止釋放，兩球發(fā)生碰撞，分別標記小球m1、m2在斜面上的落點位置； 用毫米刻度尺測出各落點位置到斜槽末端B的距離。圖中M、P、N點是實驗過程中記

20、下的小球在斜面上的三個落點位置，從M、P、N到B點的距離分別為SM、SP、SN。依據(jù)上述實驗步驟，請回答下面問題： (1)兩小球的質(zhì)量m1、m2應(yīng)滿足m1_m2(填寫“”、“”或“ M M N N 解析(1)為了防止入射球碰后反彈，一定要保證入射球的質(zhì)量大于被碰球的質(zhì)量； (2)小球m1和小球m2相撞后，小球m2的速度增大，小球m1的速度減小，都做平拋運動，所以碰撞后m1球的落地點是M點，m2球的落地點是N點；m m1 1S SM Mm m2 2S SN N m m1 1S SP P 1實驗器材的等效與替換，主要有3個方面的創(chuàng)新： (1)用電子秤或已知質(zhì)量的鉤碼替代彈簧秤；(2)氣墊導軌替代長

21、木板；(3)用光電門、閃光照相機替代打點計時器。 2實驗結(jié)論的拓展與延伸： 主要通過一些實驗裝置得出物體的加速度，再利用牛頓第二定律求出物體所受阻力或小車與木板間的動摩擦因數(shù)。熱點五力學創(chuàng)新型試驗的分析技巧 3情景的設(shè)計與創(chuàng)新： 近幾年在試題情景的設(shè)計上進行了較多的創(chuàng)新，不過考查的實驗原理和實驗處理方法仍然不變，因此只要把最根本的方法從新情景中分離出來，找出與常規(guī)實驗相同之處就可以。保持平板傾角不變，去掉沙和沙桶，小車即在平板上沿斜面向下做勻加速直線運動，通過紙帶測量其加速度a；典例典例5 5 保持小車質(zhì)量M不變，多次改變沙和沙桶的總質(zhì)量m，每次重復(fù)兩步操作，得到小車加速度與合力的關(guān)系； 多次

22、改變小車的質(zhì)量，進行適當?shù)牟僮鳎玫叫≤嚰铀俣群唾|(zhì)量的關(guān)系。 (1)在上述實驗操作過程中，以下說法正確的是 _。 A可以用電池盒給打點計時器供電 B應(yīng)在小車開始運動后再接通打點計時器的電源 C要保持細繩與平板平行 D應(yīng)讓小車從靠近定滑輪處開始運動CDCD (2)在操作中若打了一條如下圖所示的紙帶，已知紙帶左端為連接小車處，則應(yīng)將平板的傾角適當_(選填“增大”或“減小”)些； (3)在操作中，小車所受的合力大小等于_(用題中所給定的字母以及重力加速度g表示)； (4)在本實驗中_(選填“需要”或“不需要”)滿足沙和沙桶的質(zhì)量遠小于小車的總質(zhì)量；在操作中，每次改變小車質(zhì)量后，_(選填“需要”或“不

23、需要”)重新調(diào)節(jié)平板的傾角。減小減小 mg mg 不需要不需要 需要需要 解析(1)打點計時器必須要用交流電源供電，故不可以用電池盒給打點計時器供電。選項A錯誤；應(yīng)接通打點計時器的電源后再讓小車開始運動，選項B錯誤；要保持細繩與平板平行，選項C正確；應(yīng)讓小車從靠近定滑輪處開始運動，選項D正確；故選CD。(2)由紙帶可看出，小車做加速運動，說明木板傾角過大，故應(yīng)該減小木板傾角；(3)在操作中，因開始時小車拖著沙和沙桶運動，故去掉沙桶后，小車受的合力大小等于沙和沙桶的重力mg；(4)在本實驗中，因小車加速下滑時不帶沙和沙桶，故不需要滿足沙和沙桶的質(zhì)量遠小于小車的總質(zhì)量；因平衡摩擦力時要調(diào)節(jié)沙和沙桶

24、的重力，故在操作中，每次改變小車質(zhì)量后，需要重新調(diào)節(jié)平板的傾角。 (1)用10分度的游標卡尺測量鋼球的直徑，示數(shù)如圖乙所示，可知鋼球的直徑d_cm。 (2)多次改變光電門的位置，測量出光電門到電磁鐵下端O的距離為h(hd)，并計算出小球經(jīng)過光電門時的速度v，若畫出v2h的圖象是線性圖線，則本實驗最可能得到的線性圖是_。0.96 0.96 A A (3)鋼球通過光電門的平均速度_(選填“大于”或“小于”)鋼球球心通過光電門的瞬時速度，由此產(chǎn)生的誤差_(選填“能”或“不能”)通過增加實驗次數(shù)減小。 (4)若實驗中得到v2與h成線性關(guān)系，能否說明鋼球在下落過程中機械能守恒？_。 解析(1)游標卡尺的主尺讀數(shù)為：0.9 cm，游標尺上第6個刻度和主尺上某一刻度對齊，游標讀數(shù)為0.16 mm0.6 mm，所以最終讀數(shù)為：0.96 cm。 小于小于 不能不能 不能，可能存在空氣阻力做功而消耗部分機械能不能，可能存在空氣阻力做功而消耗部分機械能