2020届高三物理专题六物理实验 第一讲 力学实验(学案)

专题六物理实验

第一讲力学实验与创新

班别姓名学号

考向一力学实验基础

【提炼核心】

1.系统误差:由于仪器本身不精密、实验方法粗略或实验原理不完善而产生的误差.系统误差总是同样偏大或偏小.系统误差可以通过更新仪器、完善原理和精确实验方法来减小.

2.偶然误差:由各种偶然因素如测量、读数不准确、作图不规范造成的误差.偶然误差表现为重复做同一实验时总是时大时小.偶然误差可用多次测量求平均值或作图的方法来减小.

3.有效数字:带有一位不可靠数字的近似数字叫有效数字.有效数字从左边第一个不为零的数字算起,如0.012 5为三位有效数字,中学阶段一般取2位或3位有效数字.

游标卡尺(

不估读)

螺旋测微器(需估读)

[例1] (2019·江苏南通二模)用游标卡尺和螺旋测微器分别测量某圆柱体的长度与直径,图(甲)(乙)是游标卡尺和螺旋测微器的读数的示意图,由图可知圆柱体的长度是 cm和圆柱体直径是

cm.

游标卡尺和螺旋测微器读数时应注意的问题

【精炼题组一】

1.(2019·河北衡水模拟)用游标卡尺和螺旋测微器分别测量不同物体的宽度和厚度,请你读出它们的数据.

(1)游标卡尺的读数: cm. (2)螺旋测微器的读数: mm.

2.(1)用螺旋测微器测量一个“圆柱形”导体的直径D,如图1所示,则D= mm. (2)用游标卡尺测量一个“圆柱形”导体的长度L,如图2所示,则L= mm.

考向二 纸带类问题 【提炼核心】

打点纸带的三大应用 (1)判断物体运动性质

①若Δx=0,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动.

②若Δx 不为零且为定值,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀变速直线运动. (2)求解瞬时速度

做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度.如图所示,求打某一点的瞬时速度,只需在这一点的前后各取相同时间间隔T 的两段位移x n 和x n+1,则打n 点时的速度v n =1

2n x x x T

++. (3)用“逐差法”求加速度 如图所示

因为a 1=412

3x x T -,a 2=5223x x T -,a 3=6323x x

T

- 所以a =

1233a a a ++=4561232

()()

9x x x x x x T ++-++.

[例2] (2019·全国Ⅱ卷,22)如图(a),某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验.所用器材有:铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50 Hz 的交流电源、纸带等.回答下列问题:

(1)铁块与木板间动摩擦因数μ= (用木板与水平面的夹角θ、重力加速度g和铁块下滑的加速度a 表示).

(2)某次实验时,调整木板与水平面的夹角使θ=30°.接通电源,开启打点计时器,释放铁块,铁块从静止开始沿木板滑下.多次重复后选择点迹清晰的一条纸带,如图(b)所示.图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出).重力加速度为9.80 m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为(结果保留2位小数).

计时点和计数点的区分

【精炼题组二】

1.(2019·全国Ⅰ卷,22)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).

2.如图(a)所示,YUN-19小组的同学将力传感器固定在小车上,然后把细绳的一端固定在传感器拉钩上,用来测量绳对小车的拉力,探究在小车及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系,根据所测数据作出了如图(b)所示的a-F图象.已知电源频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2,忽略细绳的质量和滑轮的摩擦以及空气阻力,计算结果均取两位有效数字.

(1)图线不过坐标原点的可能原因是.

A.实验过程中没有满足“沙和桶的总质量远小于小车和传感器的总质量”的条件

B.实验过程中先释放小车,再接通电源打点

C.实验过程中没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够

(2)由图(b)求出小车和传感器的总质量为 kg.

(3)其中一次实验过程中得到的纸带如图(c)所示,相邻两个计数点间还有4个打点未标出,则该次实验过程中,沙和桶的总质量等于 kg

考向三弹簧类问题

【提炼核心】

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

①实验中不能挂过多的钩码,不能使弹簧超过弹性限度;

②作图象时,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

①每次拉伸结点位置O必须保持不变;

②记下每次各力的大小和方向;

③画力的图示时应选择适当的标度.

[例3] (2019·重庆模拟)某实验小组用铁架台、毫米刻度尺和弹簧组装了如图(甲)所示的装置,用来探究弹簧产生的弹力与伸长量的关系.

(1)最初在弹簧的下端挂了5个钩码,观察发现弹簧还在弹性限度内.然后逐渐减少钩码,记录钩码个数和对应的刻度值,图(甲)为某次指针所指刻度的示意图,该刻度值为 cm.已知实验所用的每个钩码的质量均为50 g,当地的重力加速度g为9.8 m/s2.

(2)该实验小组用刻度值为横坐标,钩码个数为纵坐标,得到的实验图线如图(乙)所示,由图可得到的实验结论是,

实验中所使用的弹簧的劲度系数为 N/m.(结果保留3位有效数字)

图象法处理数据的要求

【精炼题组三】

1.某同学用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”,实验的主要步骤如下:

A.将贴有白纸的木板竖直放置,弹簧测力计A挂于固定在木板上的P点,下端用细绳挂一重物M

B.弹簧测力计B的一端用细绳系于O点,手持另一端向左拉,使结点O静止在某位置,细绳均与木板平行

C.记录O点的位置、两个弹簧测力计的读数F1和F2

D.测量重物M的重力G,记录挂重物的绳的方向

E.选择合适的标度,用刻度尺作出测力计所受拉力F1和F2的图示,并用平行四边形定则求出合力F

F.按同一标度,作出重物M重力G的图示,并比较F与G,得出结论

(1)在上述步骤中,有重要遗漏的步骤是(请填写步骤前的序号),遗漏的内容是.

(2)某同学认为在实验过程中必须注意以下几项,其中正确的是.

A.OA,OB两根绳必须等长

B.OA,OB两根绳的夹角应该等于120°

C.OA,OB两根绳要长一点,标记同一细绳方向的两个点要远一点

D.改变拉力的大小与方向,再次进行实验时,仍要使结点O静止在原位置

(3)本实验采用的科学方法是.

A.微元法

B.等效替代法

C.理想实验法

D.科学推理法

2.(2019·北京大兴区一模)在探究弹簧弹力大小与伸长量关系的实验中,第一组同学设计了如图1所示的实验装置.在弹簧两端各系一轻细的绳套,利用一个绳套将弹簧悬挂在铁架台上,另一端的绳套用来悬挂钩码.先测出不挂钩码时弹簧的长度,再将钩码逐个挂在弹簧的下端,每次都测出钩码静止时相应的弹簧总长度L,再算出弹簧伸长的长度x,并将数据填在下面的表格中.

(1)在图2所示的坐标纸上作出F-x图线.

(2)根据(1)所得的F-x图线可知,下列说法正确的是.(填选项前的字母)

A.弹簧弹力大小与弹簧的总长度成正比

B.弹簧弹力大小与弹簧伸长的长度成正比

C.该弹簧的劲度系数为25 N/m

D.该弹簧的劲度系数为0.25 N/m

(3)第二小组同学将同一弹簧水平放置测出其自然长度,然后竖直悬挂完成实验.他们得到的F-x图线用虚线表示(实线为第一组同学实验所得).下列图线最符合实际的是.

(4)某同学想粗略测量一个原长约为20 cm的弹簧的劲度系数,但他手头只有一个量程是20 cm的刻度尺,于是他在弹簧的中央固定一个用于读数的指针,如图3所示.弹簧下端未悬挂钩码,静止时指针对应的刻度为l1;弹簧下端挂一质量为m的钩码,静止时指针对应的刻度为l2.已知当地的重力加速度g,则该弹簧的劲度系数为.

考向四力学创新实验

【提炼核心】

力学创新实验的特点

(1)实验器材的等效与替换,主要有3个方面的创新:①用力传感器或已知质量的钩码替代弹簧测力计;

②气垫导轨替代长木板;

③用光电门、闪光照相机替代打点计时器.

(2)实验结论的拓展与延伸:主要通过一些实验装置得出常规实验中需测量的物理量,然后运用相关物理规律求出某些物理量,例如由实验仪器得出物体的加速度,再利用牛顿第二定律求出物体所受阻力或小车与木板间的动摩擦因数.

(3)情景的设计与创新:近几年在试题情景的设计上进行了较多的创新,不过考查的实验原理和实验处理方法仍然不变,因此只要把最根本的方法从新情景中分离出来,找出与常规实验相同之处就可以.

[例4] 如图(甲)所示,气垫导轨上质量为M的滑块通过轻质细绳绕过滑轮与质量为m的钩码相连,细绳的悬挂点与拉力传感器相连,遮光条宽度为d.气源开通后,滑块在细绳拉力的作用下由静止释放,遮光条通过光电门的时间为Δt,拉力传感器的读数为F.不计滑轮质量、不计滑轮轴、滑轮与轻质细绳之间的摩擦.

(1)某同学用螺旋测微器测遮光条宽度,螺旋测微器示数如图(乙)所示,d= mm.

(2)某学习小组的同学欲探究细绳拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系,记录滑块释放时遮光条与光电门的距离L及其通过光电门的时间Δt,得到一系列L和Δt的数据,通过图象法处理数据时,为了获得线性

图象应作[选填“L-1

t?”“L-

2

1

()t?

”或“L-(Δt)2”]图象,该图象的斜率k= (用题中字

母表示).

审题突破:

创新实验题的解法

【精炼题组四】

1.(2019·广西桂林二模)如图所示装置可以用来测量滑块和水平面间的动摩擦因数.在水平面上将弹簧一端固定,另一端与滑块接触(两者不固连).压缩弹簧,静止释放,滑块被弹出,离开弹簧后经过O点光电门,最终停在P点.已知挡光片的宽度d,记录滑块上挡光片通过光电门的时间t,重力加速度大小为g.

(1)滑块经过O点的速度为.

(2)除了记录滑块上挡光片通过O点光电门的挡光时间之外,还需要测量的一个物理量是(填选项前的字母).

A.滑块释放点到P点距离x

B.光电门与P点间的水平距离s

C.滑块(带挡光片)质量m

D.弹簧的长度l

(3)动摩擦因数的表达式为(用上述测量量和重力加速度g表示).

2.(2019·广东茂名二模)某实验小组应用机械能守恒定律验证弹簧弹性势能的表达式E p=1

2

kx2.实验装置如图所示,一光滑细管套在轻质弹簧外,细管与弹簧原长相等,将细管与弹簧固定在水平面上,细管上端与1

4

光滑圆弧轨道内侧相切,圆弧轨道最高点水平,整个装置在同一竖直面内.实验时,将略小于细管直径的金属球放在弹簧上端,用外力压缩弹簧,在某一位置用销钉固定,测岀弹簧被压缩的长度x,然后拔出销钉,弹簧将小球弹出.弹出后,小球沿圆弧轨道运动,最后从轨道最高点水平抛出,测出小球抛出的水平距离s.实验前先测出轨道的半径为R,弹簧的原长L,小球的质量m,已知重力加速度为g.

(1)为了保证小球做平抛运动,小球在轨道最高点的速度最小值v0为.

(2)若关系式1

2kx2= 成立,则E p=1

2

kx2.(用已知量和测量量的符号表示)