全国卷：2020年高考物理总复习《力学实验》专题突破学案

《力学实验》专题突破【考点定位】力学实验共涉及几个具体的实验操作，主要分布在必修一和必修二。

依次为研究匀变速直线运动、探究弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、验证牛顿第二定律、探究动能定理和验证机械能守恒，这些实验的方案有共性，但数据处理又不尽相同。

考点一、研究匀变速直线运动1、打点计时器：①打点计时器分为电磁打点计时器使用4～6v 学生交流电源和电火花打点计时器使用220v 的交流电源，打点计时器的原理是每个相同的时间段打下一个点，所以纸袋上面相邻点迹间隔都相等，若交流电频率为50hz ，则相邻点迹间隔均为150秒即0.02秒。

②使用打点计时器时，先接通电源，带打点稳定后再松开纸带，也就是先接通电源再释放纸带。

若打出的点迹为短线或不清晰应调整振针和复写纸的距离。

③分析纸带时应该选取间隔较大的部分进行分析，这样可以减小误差。

2、数据处理：①瞬时速度根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度即2t sv v t ==；我们在计算各个点的瞬时速度时可以以这个点为中间时刻，取相邻两个点之间的距离为路程s ，时间则为2个打点间隔0.04s 。

如果每隔4个计时点或者每5个计时点取一个计数点，则一个打点间隔变为0.0250.1s ⨯=。

②如果分析的结果是相邻点迹的速度变化量都相等即21324354v v v v v v v v -=-=-=-，则说明运动为匀变速直线运动。

也可以用横轴表示时间，纵轴表示速度做v t -图像，若为倾斜的直线则为匀变速直线运动。

3、加速度的计算：根据v t -图像，可得斜率即加速度即va t∆=∆。

若没有图像则根据得到的纸带处理如下：根据连续相等的时间间隔内通过的位移之差都相等即2s at ∆=，可得22132435465s s s s s s s s s s at -=-=-=-=-=，若分别求加速度最后再求平均值则会出现1234521324354656122555a a a a a s s s s s s s s s s s s a t t++++-+-+-+-+--===；最终仍然只用了2组数据，误差较大。

所以选择使用24152633s s s s s s at -=-=-=，最终求得的加速度63524129s s s s s s a t-+-+-=。

考点二、探究弹力和弹簧伸长的关系1、实验记录数据：如下图所示，首先测出弹簧下端没有挂钩码时自然伸长的长度即原长记做0l ，依次增加所挂钩码数量，依次记录钩码数量和弹簧的长度1234l l l l2、数据处理：以弹力大小即钩码重力为纵轴，以弹簧长度为横轴，做图像，则图像与纵轴的焦点即原长，斜率即弹簧的劲度系数。

也可以用弹力做纵轴，以弹簧伸长量为横轴，弹簧伸长量即弹簧长度减去原长0l ；此时描点作图理论上应该过原点，若不经过原点，原因是弹簧自身重力导致测量的原长不准确。

3、注意事项：○1不要超过弹簧的弹性限度○2测量长度一定要处于平衡状态 考点三、验证力的平行四边形1、实验的关键是等效替代法，用两个弹簧测力计和一个弹簧测力计分别使得橡皮筋产生相同的效果，那么一个弹簧测力计的拉力就是原来2个力的合力。

2、实验注意事项：①记录力的方向时一定要记下细绳套的两个点，然后连线即为拉力的方向，为减小误差，细绳可以适当长些，力的大小根据弹簧测力计的读数严格按照相同比例转化为线段长度来表示。

②同一实验中，两次橡皮绳拉到节点位置O 必须保证相同。

③为便于作图，两个力的夹角不宜过大也不易过小。

④平行四边形的对角线一定是按照平行四边形定则求出的合力，而稍有偏差的才是真正的合力即一个测力计的拉力，由于实验误差二者会稍有偏差。

考点四、验证牛顿第二定律1、研究方法为控制变量法，即先控制质量不变，验证a F ∝，再控制合力F 不变，探究1a m∝2、实验开始前，首先要平衡摩擦力的影响，木板左端适当垫高，不挂砝码时轻推小车能够自由滑动为宜。

若没有平衡摩擦力或者摩擦力平衡不够，会导致做出的a F -不过原点且与横轴力F 有交点，如果摩擦力平衡过头，则会导致做出的a F -不过原点且与纵轴加速度a 有交点。

3、本实验以钩码重力作为小车受到的合力，其实这个钩码重力是小车和钩码共同的合力，这样分析过程会出现F mga M M==,加速度会随钩码重力的增大而增大，而事实上，F mg m a g g M M m M m===<++；如果钩码重力一直增加，我们绘出的a F -图像斜率逐渐变为0，最终加速度无限趋近于重力加速度g ；为保证实验的成功，减小这一误差，我们要求钩码质量要远小于小车质量即m M <<。

考点五、探究动能定理1、实验方案中，对功的大小并没有直接测量，而是根据一个橡皮筋伸长一定长度做功和多条同样的橡皮筋伸长同样长度做功的比例关系来确定的即,2,3w w w ……2、测量速度时，应该选取最后橡皮筋恢复原长后匀速直线运动的速度，即选择点迹均匀的那一段来测量速度s v t=。

3、一定要平衡摩擦力，保证只有橡皮筋对小车做功即为合力做功。

4、根据动能定理212w mv =，则有2w v ∝，所以描点作图一定以w 为纵轴以2v 为横轴，若斜率恒定即图像为倾斜的直线则动能定理得以验证。

其他非一次函数图像则无法判断无法验证动能定理。

考点六、验证机械能守恒1、实验原理是根据自由落体运动只有重力做功，重力势能转化为动能，即212mgh mv =，整理即可212gh v =，所以实验中不需要测量质量。

由于摩擦阻力的不可避免，实际减少的重力势能总是略大于增加的动能。

2、纸袋选取的第一个点应该是初速度为0的点，根据自由落体运动，释放后前0.02秒下降高度约为2毫米，所以应该选择第一个间隔接近2毫米的纸带。

若不是从第一个点开始计算，则验证的公式转化为22211122mg h mv mv ∆=-，仍然不需要测质量。

只有速度的测量则参考匀变速直线运动瞬时速度的计算来求解。

3、为减小阻力带来的误差，可以适当增大重物质量。

【例题演练】1．某实验小组利用如题图甲所示的装置探究功和动能变化的关系，他们将宽度为d 的挡光片固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与砝码盘相连，在水平桌面上的A 、B 两点各安装一个光电门，记录小车通过A 、B 时的遮光时间，小车中可以放置砝码。

（1）实验主要步骤如下：①将木板略微倾斜以平衡摩擦力，使得细线拉力做的功等于合力对小车做的功。

②将小车停在C 点，在砝码盘中放上砝码，小车在细线拉动下运动，记录此时小车、小车中砝码和挡光片的质量之和为M ，砝码盘和盘中砝码的总质量为m ，小车通过A 、B 时的遮光时间分别为1t 、2t ，则小车通过A 、B 过程中动能的变化量ΔE =_______（用字母M 、1t 、2t 、d 表示）。

③在小车中增减砝码或在砝码盘中增减砝码，重复②的操作。

④用游标卡尺测量挡光片的宽度d（2）下表是他们测得的多组数据，其中M 是小车、小车中砝码和挡光片的质量之和，|v 22－v 21| 是两个速度的平方差，可以据此计算出动能变化量ΔE ，取绳上拉力F 大小近似等于砝码盘及盘中砝码的总重力，W 是F 在A 、B 间所做的功。

表格中ΔE 3＝_______，W 3＝__________(结果保留三位有效数字) 。

上面的实验器材完成如下操作：保证小车质量不变，改变砝码盘中砝码的数量（取绳上拉力近似为砝码盘及盘中砝码的总重力），测得多组m 、1t 、2t 的数据，并得到m 与212211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛t t的关系图像，如图乙所示。

已知图像在纵轴上的截距为b ，直线PQ 的斜率为k ，A 、B 两点的距离为s ，挡光片的宽度为d ，则μ=_______(用字母b 、d 、s 、k 、g 表示)。

【答案】（1）])()[(212122t d t d M -；（2）0.498J ， 0.505J ；（3）gsk bd 222．用如图所示装置做《探究功与速度变化的关系》实验 （1）该实验釆用了的方法使实验数据处理得以简化。

A ．极限法B ．成倍增加C ．理想化模型D ．等效替代 （2）实验时，以下说法正确的是 A ．该实验不需要平衡摩擦力B ．橡皮筋每次拉伸的长度应越来越长C ．先释放小车，再接通打点计时器电源D ．每次都应选择纸带上点迹均匀的部分计算小车速度 【答案】（1）B （2）D3．如图为“验证力的平行四边形定则”实验，三个细线套123L L L 、、一端共系于一个结点，另一端分别系于轻质弹簧测力计A 、B 和重物M 上，A 挂于固定点P ，手持B 拉动细线，使结点静止于O 点。

（1）某次实验中A 的指针位置如图所示，其读数为________N ；（2）实验时要读出A 、B 的示数，还要再贴与竖直木板的白纸上记录O 点的位置，_____、______和_________。

（3）下列实验要求中必要的是__________ A ．弹簧测力计需要在实验前进行校零 B ．需要测量重物M 的重力C ．多次实验时弹簧测力计B 始终保持水平D ．多次实验时结点必须在同一点【答案】（1）2.00N （2）123L L L 、、的方向（3）AB4．【2017·新课标Ⅱ卷】（6分）某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系。

使用的器材有：斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器。

实验步骤如下：①如图（a），将光电门固定在斜面下端附近；将一挡光片安装在滑块上，记下挡光片前端相对于斜面的位置，令滑块从斜面上方由静止开始下滑；②当滑块上的挡光片经过光电门时，用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间∆t；③用∆s表示挡光片沿运动方向的长度，如图（b）所示，v表示滑块在挡光片遮住光线的∆t 时间内的平均速度大小，求出v；④将另一挡光片换到滑块上，使滑块上的挡光片前端与①中的位置相同，令滑块由静止开始下滑，重复步骤②、③；⑤多次重复步骤④；⑥利用实验中得到的数据作出v–∆t图，如图（c）所示。

完成下列填空：（1）用a表示滑块下滑的加速度大小，用v A表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小，则v与v A、a和∆t的关系式为v= 。

（2）由图（c）可求得，v A= cm/s，a= cm/s2。

（结果保留3位有效数字）【答案】（1）12Av v a t=+∆（2）52.1 16.3（15.8~16.8）5．【2017·新课标Ⅲ卷】（6分）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。