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2019-2020年高三物理第二輪復習 實驗第2講力學實驗 新人教版 一、本專題共涉及以下六個實驗 實驗一：研究勻變速直線運動 實驗二：探究彈簧彈力和彈簧伸長的關(guān)系 實驗三：驗證力的平行四邊形定則 實驗四：驗證牛頓運動定律 實驗五：探究動能定理 實驗六：驗證機械能守恒定律 二、 本專題實驗特點及其在高考中的地位 物理實驗為高考必考內(nèi)容，近年的高考物理試題，越來越重視對實驗的考查，尤其是除了對教材中原有的學生實驗進行考查為，還增加了對演示實驗的考查。利用學生所學過的知識，對實驗儀器或?qū)嶒灧椒右灾亟M完成新的實驗目的的設(shè)計型實驗將逐步取代對教材中原有單純學生實驗的考查。 歷屆高考在實驗方面的命題重點為：基本儀器的使用、基本物理量的測定、物理規(guī)律的驗證和物理現(xiàn)象的研究、實驗數(shù)據(jù)的處理。 高考中物理實驗題類型大體有：⑴強調(diào)基本技能，熟識各種器材的特性。像讀數(shù)類：游標卡尺、螺旋測微器、多用電表等；選器材類：像選取什么量程的電表和滑動變阻器等⑵重視實驗原理，巧妙變換拓展。像探究勻變速直線運動的變形和測量電阻的再造等。源于課本不拘泥課本一直是高考命題與課標理念所倡導的，所以熟悉課本實驗、抓住實驗的靈魂---原理是我們復習的重中之重。⑶提倡分析討論，講究實驗的品質(zhì)，像近年高考中的數(shù)據(jù)處理、誤差分析、改良方案，甚至開放性實驗等于課標的一標多本思路是交匯的。⑷知識創(chuàng)新型實驗。像設(shè)計型、開放型、探討型實驗等都是不同程度的創(chuàng)新，比如利用所學可以設(shè)計出很多測量重力加速度的方案。 三、高考易錯問題剖析及應試策略 （一）探究型實驗 易錯問題 1.在紙帶處理中不知如何求解速度、加速度 因?qū)Σ呗裕? (1)“平均速度法”求速度，即vn＝ ，如圖所示. (2)“逐差法”求加速度，即a1＝，a2＝ ，a3＝，然后取平均值，即，這樣使所給數(shù)據(jù)全部得到利用，以提高準確度. (3)“圖象法”求加速度，即由“平均速度法”求出多個點的速度，畫出v－t圖，直線的斜率即加速度. 【高考真題探究】 1.（xx廣東理綜T34（1））圖13是某同學在做勻變速直線運動實驗中獲得的一條紙帶。 ①已知打點計時器電源頻率為50Hz，則紙帶上打相鄰兩點的時間間隔為_________。 ②ABCD是紙帶上四個計數(shù)點，每兩個相鄰計數(shù)點間有四個點沒有畫出。從圖13中讀出A、B兩點間距s=__________；C點對應的速度是________(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。 【命題立意】本題主要考查打點計時器、刻度尺的讀數(shù)、紙帶公式、有效數(shù)字。 【思路點撥】解答本題時可按以下思路分析： 由打點計時器的打點頻率可求得打點間隔。 根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)求瞬時公式： 【規(guī)范解答】① ②讀A、B兩點數(shù)值：1.00cm、1.70cm 故：s=1.70cm-1.00cm=0.70cm 【答案】①0.02s ②0.70cm；0.100m/s 2.（xx全國Ⅱ理綜T22）（5分）利用圖中所示的裝置可以研究自由落體運動。實驗中需要調(diào)整好儀器，接通打點計時器的電源，松開紙帶，使重物下落。打點計時器會在紙帶上打出一系列的小點。 （1）為了測得重物下落的加速度，還需要的實驗器材有__ ___。（填入正確選項前的字母） A．天平 B．秒表 C．米尺 （2）若實驗中所得到的重物下落的加速度值小于當?shù)氐闹亓铀俣戎?，而實驗操作與數(shù)據(jù)處理均無錯誤，寫出一個你認為可能引起此誤差的原因：_______ _____________________________________。 【命題立意】本題考查了實驗器材的選取、誤差分析，比較容易。 【思路點撥】 結(jié)合題意選擇器材，根據(jù)結(jié)果，分析誤差來源。 【規(guī)范解答】（1）為了測得重物下落的加速度，必須知道重物下落的時間與位移，時間可由打點計時器測定，位移可由米尺測定，物體的質(zhì)量沒有必要測定，故不需要天平。 （2）實驗中所得到的重物下落的加速度值小于當?shù)氐闹亓铀俣戎?，引起此誤差的原因有：打點計時器與紙帶之間存在摩擦、空氣阻力等。 【答案】（1）C （2）打點計時器與紙帶之間存在摩擦（其他合理答案同樣給分）。 3.（xx重慶理綜T22）（1）某同學用打點計時器測量做勻速直線運動的物體的加速度，電源頻率，在紙帶上打出的點中，選出零點，每隔4個點取1個技術(shù)點，因保存不當，紙帶被污染，如題22圖1所示，A、B、C、D是本次排練的4個計數(shù)點，僅能讀出其中3個計數(shù)點到零點的距離： 、、 若無法再做實驗，可由以上信息推知： ①相鄰兩計數(shù)點的時間間隔為 ； ②打 C點時物體的速度大小為 （取2位有效數(shù)字） ③物體的加速度大小為 （用、、和表示） 【命題立意】考查紙帶數(shù)據(jù)處理能力 【思路點撥】紙帶數(shù)據(jù)處理主要要到兩個規(guī)律：中間時刻的瞬時速度等于全程的平均速度；加速度 【規(guī)范解答】⑴①打點計時器打出的紙帶每隔4個點選擇一個計數(shù)點，則相鄰兩計數(shù)點的時間間隔為T=0.02s。②根據(jù)，得m/s③勻加速運動的位移特征是相鄰的相等時間間隔內(nèi)的位移以aT2均勻增大，有，，，所以 【答案】⑴①0.02s ②2.5 m/s ③ 4.（xx福建理綜T19）（2）（6分）某實驗小組研究橡皮筋伸長與所受拉力的關(guān)系。實驗時，將原長約200mm的橡皮筋上端固定，在豎直懸掛的橡皮筋下端逐一增掛鉤碼（質(zhì)量均為20g），每增掛一只鉤碼均記下對應的橡皮筋伸長量；當掛上10只鉤碼后，再逐一把鉤碼取下，每取下一只鉤碼，也記下對應的橡皮筋伸長量。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，作出增掛鉤碼和減掛鉤碼時的橡皮筋伸長量與拉力F關(guān)系的圖像如圖所示。 從圖像中可以得出_______。（填選項前的字母） A.增掛鉤碼時與F成正比，而減掛鉤碼時與F不成正比 B.當所掛鉤碼數(shù)相同時，增掛鉤碼時橡皮筋的伸長量比減掛鉤碼時的大 C.當所掛鉤碼數(shù)相同時，增掛鉤碼時橡皮筋的伸長量與減掛鉤碼時的相等 D.增掛鉤碼時所掛鉤碼數(shù)過多，導致橡皮筋超出彈性限度 【命題立意】以日常生活中常見的橡皮筋拉伸問題來研究橡皮筋伸長與所受拉力的關(guān)系設(shè)題，給出橡皮筋在增掛鉤碼和減掛鉤碼時的實驗圖線，要求考生在熟練掌握考綱中的“探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系”的基礎(chǔ)上進行知識遷移。 【思路點撥】根據(jù)圖像中的兩條非線性曲線提取出有關(guān)信息 【規(guī)范解答】選D，由于橡皮筋下端懸掛的鉤碼太多，導致超出橡皮筋的彈性限度，使橡皮筋無法及時恢復原狀，兩條曲線才有差異，且是非線性的。 5. （xx浙江理綜T20） Ⅰ（10分）在“探究彈簧彈力大小與伸長量的關(guān)系”實驗中，甲、乙兩位同學選用不同的橡皮繩代替彈簧，為測量橡皮繩的勁度系數(shù)，他們在橡皮繩下端面依次逐個掛上鉤碼（每個鉤碼的質(zhì)量均為m=0.1kg，取g=10m/s2），并記錄繩下端的坐標X加（下標i表示掛在繩下端鉤碼個數(shù)）。然后逐個拿下鉤碼，同樣記錄繩下端面的坐標X減，繩下端面坐標的值Xi＝（X加+X減）/2的數(shù)據(jù)如下表： （1）同一橡皮繩的X加 X減（大于或小于）； （2） 同學的數(shù)據(jù)更符合實驗要求（甲或乙）； （3）選擇一級數(shù)據(jù)用作圖法得出該橡皮繩的勁度系數(shù)k（N/m）； （4）為了更好的測量勁度系數(shù)，在選用鉤碼時需考慮的因素有哪些？ 掛在橡皮繩下端的鉤碼個數(shù) 橡皮繩下端的坐標（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 【命題立意】本題以“探究彈簧彈力大小與伸長量的關(guān)系”實驗為基礎(chǔ),體現(xiàn)了探究性，主要考查了學生實驗操作的體驗 【規(guī)范解答】Ⅰ（1）因橡皮條被拉伸后有可能恢復到原長,故X加小于X減 （2）乙.由所給的改變量如下表所示，由下表數(shù)據(jù)知乙同學的數(shù)據(jù)中的改變量與增減的鉤碼數(shù)的正比例關(guān)系更明顯。 （3）由上表根據(jù)乙同學的數(shù)據(jù)作圖得 由圖可得 或根據(jù)甲同學的數(shù)據(jù)作圖得 對于甲同學的數(shù)據(jù)，因為只有前幾個數(shù)據(jù)可認為在彈性范圍內(nèi)，由圖中切線的斜率得 （4）盡可能使伸長量在彈性范圍內(nèi)，同時有足夠大的伸長量，以減小長度測量的誤差. 6.（xx江蘇物理卷T11）為了探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規(guī)律，某同學采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實驗裝置（如圖所示）。實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運動的阻力。 （1）往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車 ▲ （選填“之前”或“之后”）接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點。 （2）從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量，得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表： 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出小車的v-t圖像。 （3）通過對實驗結(jié)果的分析，該同學認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點？請根據(jù)v-t圖象簡要闡述理由。 【命題立意】本題以探究“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系” 實驗為母板，設(shè)置“探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規(guī)律”實驗，題目來源于教材，但又高于教材， 靈活考查對牛頓第二定律實驗方法的理解和應用。題目設(shè)置難度中等。 【思路點撥】本題關(guān)鍵是實驗第（3）問題的解決，要正確地作出v-t圖象，根據(jù)圖象特點，分析理由，闡述觀點。 【規(guī)范解答】（1）本進行本實驗時，要求釋放小車之前接通打點計時器的電源。 （2）根據(jù)所給數(shù)據(jù)在所給圖象中準確描點，圖象 如圖所示。（3）由圖象可知，速度越大時，其圖象斜率越來越小，即加速度越來越小，可知小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大。 【答案】（1）之前。（2）作出的v-t圖像如圖所示。（3）同意 在v-t圖象中，速度越大時，加速度越小，小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大。 【備課資源】 1.（xx山東理綜T 23）（12分）請完成以下兩小題。 某同學設(shè)計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系。彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接。在桌面上 畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距。開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動摩擦力的大小。再將木板放回原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間。 ①木板的加速度可以用、表示為＝　　　?。粸榱藴p小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是（一種即可）　　　　　　。 ②改變瓶中水的質(zhì)量重復實驗，確定加速度與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系。下列圖象能表示該同學實驗結(jié)果的是　　　　　　。 ③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是　　　　　。 a．可以改變滑動摩擦力的大小 b．可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) c．可以比較精確地測出摩擦力的大小 d．可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 【命題立意】本題屬于創(chuàng)新性實驗，以教材中學生實驗“探究加速度與力的關(guān)系”為原型，體現(xiàn)了高考源于課本，但又高于課本的理念，主要考查“探究加速度與力的關(guān)系”的實驗原理、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等知識點。 【思路點撥】解答本題時可按以下思路分析： 誤差分析 數(shù)據(jù)處理 實驗原理 【規(guī)范解答】①木塊在繩子拉力的作用下做初速度為零的勻加速直線運動，由可知：。為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是保持F1不變，重復實驗多次測量d、t，取平均值。 ②該實驗原理與教材實驗原理類似，同樣需要滿足木塊的質(zhì)量M遠大于礦泉水瓶的質(zhì)量m，此時可認為繩上的拉力T近似等于彈簧秤示數(shù)F1。本實驗中沒有平衡摩擦力，但通過題意可知受到的摩擦力為F0，木塊受到的合外力為（F1- F0）。圖像反映的是a與F1的關(guān)系，而不是a與（F1- F0）的關(guān)系，所以圖像不過原點。當F1增大時，即礦泉水瓶的質(zhì)量m增大時，實驗的前提條件不再滿足，此時a越大，繩上的拉力T就越小于彈簧秤示數(shù)F1，加速度增加的就越慢，圖線向下彎曲，c正確。 ③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù)和比較精確地測出摩擦力的大小，b、c說法是正確的。兩種實驗方法都可以改變滑動摩擦力的大小，a錯誤；通過②中分析可以知道當加速度增大時，實驗條件便不再滿足，此時實驗誤差變大，d說法錯誤。 【答案】 2.（xx四川理綜T22）（2）有4條用打點計時器（所用交流電頻率為50Hz）打出的紙帶A、B、C、D，其中一條是做“驗證機械能守恒定律”實驗時打出的。為找出該紙帶，某同學在每條紙帶上取了點跡清晰的、連續(xù)的4個點，用刻度尺測出相鄰兩個點間距離依次為S1、S2、S3。請你根據(jù)下列S1、S2、S3的測量結(jié)果確定該紙帶為 。（已知當?shù)氐闹亓铀俣葹?.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 【命題立意】結(jié)合驗證機械能守恒定律考查紙帶類實驗數(shù)據(jù)處理能力 【思路點撥】勻變速運動相鄰的相等時間內(nèi)的距離之差 【規(guī)范解答】選C，驗證機械能守恒采用重錘的自由落體運動實現(xiàn)，所以相鄰的0.02s內(nèi)的位移增加量為mm 3.（xx新課標全國卷T22）（4分）圖為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖?，F(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平?；卮鹣铝袉栴}： （1）為完成此實驗，除了所給的器材，還需要的器材有______ 。（填入正確選項前的字母） A．米尺 B. 秒表 C. 0～12V的直流電源 D. 0～12V的交流電源 （2）實驗中誤差產(chǎn)生的原因有______ 。（寫出兩個原因） 【命題立意】本題以驗證機械能守恒定律的學生實驗命題，考查考生對實驗器材的選擇和實驗誤差的分析。 【思路點撥】在了解實驗裝置和實驗原理的基礎(chǔ)上，選擇所需實驗儀器和進行實驗誤差分析即可得到正確答案。 【規(guī)范解答】（1）用A項米尺測量長度，用D項交流電源供打點計時器使用。（2）紙帶與打點計時器之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差；計算勢能變化時選取的始末兩點距離過近；交流電頻率不穩(wěn)定。 【答案】（1）AD（2）紙帶與打點計時器之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差；計算勢能變化時，選取始末兩點距離過近；交流電頻率不穩(wěn)定。 4.（xx.海南理綜T14）利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意圖如圖1所示： (1)實驗步驟： ①將氣墊導軌放在水平桌面上，桌面高度不低于lm ，將導軌調(diào)至水平； ②用游標卡尺測量擋光條的寬度，結(jié)果如圖2所示，由此讀出________mm； ③由導軌標尺讀出兩光電門中心之間的距離__________m； ④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動時，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2； ⑤從數(shù)字計時器（圖1中未畫出）上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間和； ⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量。 (2)用表示直接測量量的字母寫出下列所示物理量的表達式： ①滑塊通過光電門1和光電門2時瞬時速度分別為__________和________。 ②當滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為___________和__________。 ③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)勢能的減少__________(重力加速度為)。 (3)如果______________，則可認為驗證了機械能守恒定律。 【命題立意】利用氣墊導軌、光電門驗證機械能守恒定律 【思路點撥】用光電門測量速度，天平測量質(zhì)量，刻度尺測量下落距離，從而驗證動能的增加等于重力勢能的減少。 【規(guī)范解答】由于擋光條寬度很小，因此將擋光條通過光電門時的平均速度當作瞬時速度，擋光條的寬度l可用游標卡尺測量，擋光時間可從數(shù)字計時器讀出，因此，滑塊過光電門的瞬時速度為，由于質(zhì)量事先已用天平測出，所以，滑塊的動能就是已知數(shù)了。測出動能的增加值，測出重力勢能的減小值，在誤差范圍內(nèi)相等，就驗證了機械能守恒定律。 【答案】 （1）②9.30 ③60.00(答案在59.96~60.04之間的，也給分) （2）①， ②， ③ (3) 4.(xx山東高考)某同學在家中嘗試驗證平行四邊形定則，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、細繩、白紙、釘子，設(shè)計了如圖7-2-10實驗：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)點為O，將第三條橡皮筋的另一端通過細繩掛一重物. (1)為完成該實驗，下述操作中必需的是__________. a.測量細繩的長度 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O的位置 (2)釘子位置固定，欲利用現(xiàn)有器材，改變條件再次驗證，可采用的方法是 ______________________________________________. 【解析】(1)根據(jù)實驗目的和要求，無需測量細繩的長度，a操作沒必要.在畫力的平行四邊形時，需要知道力的大小和方向及結(jié)點位置，故b、c、d是必須的. (2)利用現(xiàn)有器材，若要改變條件再次驗證，可以更換不同的小重物，以改變合力的大小，從而改變分力的大小和方向，再做平行四邊形，即可驗證力的平行四邊形定則. 答案:(1)bcd (2)更換不同的小重物 5.(xx天津高考)如圖7-2-11所示，將打點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加速度. (1)所需器材有打點計時器（帶導線）、紙帶、復寫紙、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 (2)通過作圖的方法可以剔除偶然誤差較大的數(shù)據(jù)，提高實驗的準確程度.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】本題考查用打點計時器測重力加速度，涉及器材的選取和用圖象處理數(shù)據(jù)的方法. (1)打點計時器需接交流電源.重力加速度與物體的質(zhì)量無關(guān)，所以不需要天平和砝碼.計算速度需要測相鄰計數(shù)點間的距離，需要刻度尺，選D. (2)由公式v2=2gh,如繪出-h圖象，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.為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，現(xiàn)提供如圖7-2-15所示實驗裝置.請思考探究思路并回答下列問題： (1)為了消除小車與水平木板之間摩擦力的影響應采取的做法是___________________. A.將不帶滑輪的木板一端適當墊高，使小車在鉤碼拉動下恰好做勻速運動 B.將不帶滑輪的木板一端適當墊高，使小車在鉤碼拉動下恰好做勻加速運動 C.將不帶滑輪的木板一端適當墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運動 D.將不帶滑輪的木板一端適當墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻加速運動 (2)在“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實驗中，得到一條打點的紙帶，如圖7-2-16所示，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，且間距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，則小車加速度的表達式為a=________. (3)消除小車與水平木板之間摩擦力的影響后，可用鉤碼總重力代替小車所受的拉力，此時鉤碼m與小車總質(zhì)量M之間應滿足的關(guān)系為______. (4)在“探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系”時，保持砝碼質(zhì)量不變，改變小車質(zhì)量M，得到的實驗數(shù)據(jù)如下表： 為了驗證猜想，請在圖7-2-17所示的坐標系中作出最能直觀反映a與M之間關(guān)系的圖象. 【解析】(1)要消除小車與木板間的摩擦阻力必須采用平衡摩擦力的方法.該方法是在不掛鉤碼的情況下，抬高不帶滑輪的一端使小車帶紙帶做勻速直線運動，故選C.