物理二轮力学实验专题

1、【物理二轮】力学实验中常考的4个问题、误差和有效数字1.误差误差产生原因大小特点减小方法系统误差实验仪器不精确、实验原理不完善、实验方法粗略总是偏大或偏小更新仪器完善实验原理偶然误差测量、读数不准确忽大忽小画图象或取平均值2有效数字从数字左边第一个不为零的数字算起，如0.012 5为三位有效数字.二、测量性实验1包括：用游标卡尺和螺旋测微器测量长度，练习使用打点计时器.2. (1)游标卡尺的读数方法：d = 尺读数(mm) +精度x游标尺上对齐刻线数值(mm).(2)螺旋测微器的读数方法：测量值=固定刻度+可动刻度x0.01 mm+估读值.注意要估读到 0.001 mm.(3)用纸带求加速度的

2、方法& = Xn + 1 Xn= aT* 1 2利用a=：Tx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求加速度a.逐差法：如图5 10 1所示，因为图 5- 10- 1X4 X1a1=弓百，X5 X2X6 X3 比a2 = 3T2 ， a3 = 3T2，所以a=a1+ a2+ a33X4 + X5 + X6 X1 X2 X3四、探究性实验1包括：探究弹力和弹簧伸长的关系，探究动能定理.2 探究性实验与验证性实验的区别探究性实验，在实验前并不知道满足什么规律，所以在坐标纸中描点后所做的曲线是试探性的，只有在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来拟合这些点.而验证性实验，在坐标纸上描点

3、后所作图线的根据就是所验证的规律.常考问题一测量性实验（游标卡尺和螺旋测微器的读数 ）命题特点从近几年各地高考试题看，游标卡尺和螺旋测微器的试题大多数为读数问题，试题没有太多变化，给出刻度部分图片，要求读出示数.应考必备1.毫米刻度尺长度测量的基本工具是刻度尺，其最小分度一般为1 mm（此时叫做毫米刻度尺）.毫米刻度1尺可以精确读到 mm位、估读到mm位（能读取十分之几毫米）.估读的“（不能舍弃.2.游标卡尺的读数游标尺（mm）精度(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每小格与1毫米差1090.10.1主尺上读的毫米数+0.1 n20190.

4、050.05主尺上读的毫米数+ 0.05 n50490.020.02主尺上读的毫米数+0.02 n3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）x 0.01 mm.4.关于估读问题：游标卡尺不需要估读；毫米刻度尺、螺旋测微器需要估读.【典例1】（2012新课标全国卷，22）某同学利用螺旋测微器测量一金属板的厚度.该螺旋测微器校零时的示数如图 5- 10-2（a）所示，测量金属板厚度时的示数如图（b）所示.图 所示读数为mm,图（b）所示读数为 mm,所测金属板的厚度为 mm.图 5- 10-2解析 题图(a)的读数为1.0 x 0.01 mm= 0.010 mm.

5、题图(b)的读数为 6.5 mm+ 37.0 x 0.01 mm=6.870 mm,故金属板的厚度d= 6.870 mm 0.010 mm= 6.860 mm.答案 0.010 6.8706.860【典例2】当测量一钢笔帽的内径时,(填“A” “或“C进行测量；示数如图乙所示，该钢笔帽的内径2013 东卷，21(1)图5 10 3甲为一游标卡尺的结构示意图, 应该用游标卡尺的mm.解析 游标卡尺测量钢笔帽的内径时，使用内测脚,故填A ”，该游标卡尺的最小分度为0.05mm，游标尺的第6个刻度线与主尺上的某刻线对齐,所以读数为 11 mm+ 0.05 mm x 6= 11.30mm.答案 A 1

6、1.30(11.25 或 11.35)【预测1】图5 10 4甲中游标卡尺的读数是cm,图乙中螺旋测微器的读数是mm.图 5- 10-4答案 2.985.680（5.679 5.681 均对）【预测2】P时：5 10-5甲所示，由图可知其长度为某同学在测量一均匀新材料制成的圆柱体的电阻率（1）用游标卡尺为20分度的卡尺测量其长度如图cm;5a丁（单位:心）5ll|l|加刪讪屮丨D）Q20图 5- 10-5用螺旋测微器测量其直径如图乙所示，由图可知其直径为 mm.解析 从题图甲可以看出，主尺读数为50 mm，游标尺的第3条刻度线和主尺上的一刻度线对齐，则读数应为50 mm + 0.05X 3 m

7、m= 50.15 mm = 5.015 cm；由题图乙可以看出，螺旋测微器的固定刻度为4.5 mm,可动刻度读出刻度为20.0（或20.1) X 0.01 mm = 0.200 mm(或 0.201 mm)，故圆柱体的直径为4.5 mm+ 0.200 mm(或 0.201 mm) = 4.700 mm(或 4.701 mm).答案 (1)5.015(2)4.700(或 4.701)常考问题二验证性实验命题特点新课标全国考试说明要求的力学验证性实验有“验证力的平行四边形定则”、“验证牛顿第二定律”和“验证机械能守恒定律”，考查重点是实验器材选择， 完成实验步骤填空和分析实验数据.应考必备理解实验

8、原理，弄清楚要验证的内容.“验证力的平行四边形定则”就是验证两拉力依据平行四边形定则作出的合力与同两力有同样效果的一个力是否相等，进而理解为什么两次结点O的位置不变，为什么要记录弹簧测力计示数大小与细绳套方向.“验证牛顿第二定律”就是测量物体受的合外力、物体的质量和加速度，验证合外力与质量、加速度的乘积是否相同. 那么，合外力如何测量？质量和加速度又如何测量？要用到哪些工 具？“验证机械能守恒定律”就是让物体自由下落，测出物体下落的高度和物体的速度， 计算出物体重力势能的减少量与动能增加量，看二者是否相等.怎样测量高度和速度？用到哪些工具？操作中有哪些注意事项？为什么AEp总略大于AEk?【典

9、例3】现要通过实验验证机械能守恒定律.图 5- 10-6实验装置如图5- 10- 6所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上的B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t用d表示A点到导轨底端 C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示 遮光片的宽度，x表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过 B点时的瞬时速度.用 g表示重力加速度.完成下列填空和作图：(1) 若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片

10、与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为 ,动能的增加量可表示为 .若在运动过程中机械能守恒，* 与 x 的关系式为 1=12345x/(m)0.6000.8001.0001.2001.400t/(ms)8.227.176.445.855.43t2/( X 104 s-2)1.481.952.412.923.39以x为横坐标，右为纵坐标，在图 5- 10- 7位置的坐标纸中描出第 1和第5个数据点；根X 104 m-1 s- 2（保留三位有效数字）.据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k = & r E kBB-EBB i TBRttv ，- pr s lyj. faB it hfaBfa r

11、BarK FF-BL ktIFFIBKL rfab-r-bKB - EL!1* +3-B0- aj J-J a J 1S.5-4JB - 1J Bi saa B 1 as I 11 -111 !- a,ai 1一證匿一蛊迤曽奠錨.:i遨腐 LBKbBBahLb Br E h B kb n rk Ft I Bfa - n.lm Ba8:a.Bll 5 -sg#=FlEfiFHa口uiE* 15!_hr“ EIHmn a -Bd aaBBa - au Bad aaB-MM 33 aaa w-iHiffi團:ini hbBL rBBBB TeBFHL BhfenBbLIrrFr 2121:;:T5T

12、:n:n詁nniffli 鬣 -OkF Bh brEKBB -B EL 耳!1;.:;订韭“:TJJi11Lasllp haaB allill.n aa-1 H 巒一一翻s里JH宗:!=:=:密盂第=:m B -BTI.BxsaBK VB-saz-s-VW-*Ka - El i!邙=:即超siis:Hs:s!.H:T:=?:H:Mi!+n:豹Hj;叩 FK- 1 aEMBKB iHlillBBB - lb i E IE I M Bi a 3 s 1 1 i4 i9 - VMli 9 -H9IBB -Bi to & Iff E I ia IV eRE I -1* I s I an. a ibm

13、蚩=趣!=蛊圏!rr耳蛊輪ssl;I=n=m daalaaBB SBaBliaBaiaB-IBIrapaHaBTarwraMia-IBB-aas 士丰=一 国任貫需咨1:=:=!*;=;L蒋=E4 o3.3.-2图 5- 10-71由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出t2-x直线的斜率ko,将k和ko进行比较，若其 差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律.解析（1）当滑块运动到B点时下降高度设为 h,此时砝码上升的高度为 x,由几何关系可知h=竽，故系统减少的重力势能为圧p = Mghmgx=Mh md gxdb1由于系统从静止开始运动，运动至B点时的速度VB=-，故动

14、能的增加量 AEk= 2（M + m）vB =M + mb2, r !=ra_ bitpili;:?科芫:J:dilL;:;3耳.21 t2在图中直线上取相距较远的两点，读出两点坐标，由k=可得 k= 2.40X 104 m1 s 2答案Mh md gxdxM + mb22 Mh md gx2t2M + m db2(2) 描点与作图见解析2.40【预测3】(1)某实验小组用如图5 10 8所示图 5 10 8的装置验证“力的平行四边形定则”.将弹簧测力计A挂于固定点P,下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的挂钩处系一细线，把细线的另一端系在A下端细线上的 0点手持B水平向左拉，使 O点缓慢地向左

15、移动，保持 B的拉力方向不变不计弹簧测力计重力，拉力不超出量程，则 A、B的示数Fa、Fb的变化情况是 A . Fa、Fb均变大，其合力大小和方向都不变B . Fa、Fb均变大，其合力大小和方向都改变C. Fa变大，Fb变小，其合力大小不变，方向改变D . Fa、Fb的合力大小改变，方向不变(2)另一实验小组的甲、乙、丙三位同学做此实验，所用弹簧测力计的量程为05 N，他们都把橡皮条的一端固定在木板上的A点，橡皮条的另一端通过细绳连接弹簧测力计，用两个弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点，此时细绳都与平板平行，用F1和F2表示拉力的方向和大小.甲同学F1和F2的方向互相垂直，F1= 3

16、.0 N、F2= 3.8 N ;乙同学F1和F2方向间的夹角约为30 F1= F2= 4.0 N ;丙同学 F1和F2方向间的夹角约为 120 F1= F2= 4.0 N .这三位同学中操作不合适的是 (填“甲”、“乙”或“丙”)解析 当0点缓慢地向左移动时，合力大小和方向都不变，禾U用图解法可以判断Fa、Fb均变大，选项A正确.(2)因为乙的两个力的合力超过了测力计刻度的最大值5 N ,再用一个弹簧测力计拉时超出其量程.答案 (1)A(2)乙【预测4】为了用实验“验证牛顿第二定律”，现提供如图5- 10-9所示的实验装置.请回答下列问题：(1) 为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取的

17、做法是 ;A .将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动 B .将木板带滑轮的一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动C.将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动D .将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车能够静止在木板上在实验中，得到一条打点的纸带，如图5- 10- 10所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T,且间距X1、X2、X3、X4、X5、X6已量出，则小车加速度的表示式为a =；OABCDEF*图 5 10- 10nnzr图 5 10- 11(3) 有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，研究加速度a与所受外力F的

18、关系，他们在轨道水平和倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条a- F图线，如图5- 10- 11所示.图线是在轨道倾斜情况下得到的(选填“”或“”)；小车及车中的砝码总质量m =kg.解析（1）为平衡滑动摩擦力，应使小车重力沿斜面的分力与滑动摩擦力相等，此时不能连接钩码，所以选C.（2）计算加速度可由逐差法得到三个加速度再取平均值，此时误差较小.（3）轨道倾斜太大，即使没有钩码拉小车也将加速下滑，因此图线为轨道倾斜情况下得到的.由 图线可得 mgs in 0 Ff= mao, Fi+ mgsi n 0 Ff= mai，可得质量为 0.5 kg.答案X4 + X5 + X6 X1 + X2+ X

19、3(1)C 9T20.5常考问题三 探究性实验命题特点新课标全国考试说明要求的力学探究性实验有：探究加速度与力、质量的关系（也可以为“验证牛顿第二定律”），探究弹力与弹簧伸长的关系和探究功与物体速度变化的关系近四年 新课标全国卷没有对这几个实验进行考查，但自主命题省份高考题中多次出现，如2011年浙江卷21题考查“探究加速度与力、质量的关系”实验，2012年广东卷34（2）题考查“探究弹力与弹簧伸长量的关系”实验，2013新课标全国卷H 22题考查“探究弹性势能”.考查的重点是实验器材选择、实验注意事项和用作图法处理数据.应考必备探究性实验的重点不是为了求得某个物理量的值，而在于它的探索性.“

20、研究匀变速直线运动”重点是学会使用打点计时器，学会研究分析纸带的方法“探究弹力与弹簧伸长的关 系”重点是学会用列表法、图象法分析实验数据， 探索物理量间的关系.“探究功和物体速度变化的关系”重点掌握本实验的原理，如功的计算，纸带测量位置的选择， 学会对实验数据的研究分析方法，分析 W v, W v2, W v3的关系，最终确定 W与v2成正比.【典例4】（2013新课标全国卷n, 22）某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究，一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连弹簧处于原长时，小球恰好在桌面边缘，如图5 10 12所示.向左推小球，使弹簧压缩一段距离后

21、由静止释放，小球离开桌面后落到水平地面通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能.L#尹占仝X # # F h F X F* f卢#图 5 10 12回答下列问题：（1）本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能 Ek相等.已知重力加速度大小为g.为求得Ek,至少需要测量下列物理量中的 （填正确答案标号）.A .小球的质量mB .小球抛出点到落地点的水平距离sC.桌面到地面的高度 hD .弹簧的压缩量 AxE.弹簧原长lo用所选取的测量量和已知量表示Ek , 得Ek =图5- 10- 13中的直线是实验测量得到的s- Ax图线.从理论上可推出，如果 h不变.m增加，s Ax

22、图线的斜率会 （填“增大”、“减小”或“不变”）：如果m不变，h增加，s Ax图线的斜率会 （填“增大”、“减小”或“不变”）由图中给出的直线关系和Ek的表达式可知，Ep与Ax的次方成正比.解析（1）小球离开桌面后做平抛运动，设桌面到地面的高度为h,小球抛出点到落地点的水平距离为s,则有h =新2, s= vot,解得vo= s =迭所以 Ek= 2mv2=晋.由此可知需要测量的量有m、s、h,故选 A、B、C.由（1）的解析知Ek=晋二（3）在Ax相同的情形下，弹簧的弹性势能相同，由Ep= mvo可知：在 m增加时，速度vo减小，因而h不变时s减小，故图线的斜率减小.m不变时，vo不变，h增

23、加时，时间变长，s变大，故图线的斜率增大. 由s Ax图象可知，s正比于 Ax，即卩s= k Ax.则 Ep=*mv0=mgs=mg?皿=k a24h 4h所以Ep与Ax的二次方成正比.答案（1）ABC 晋孚减小增大二【预测5】某组同学在做探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系，采用了如图5- 10- 14装置,小车和车中砝码的总质量用 M表示，砂和砂桶的总质量用m表示.图 5 10- 14（1）现有下列器材：电火花计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、砂桶、砂子、细线、秒表、导线、砝码、刻度尺其中不需要的器材是 ，还需要的器材是.（2）在做实验过程中，以下做法正确的是 .A

24、 平衡摩擦力时，应把砂桶用细线通过定滑轮系于小车上B .砂和砂桶质量 m定时，改变小车（含砝码）质量M，都需重新平衡摩擦力C.实验中，要求砂和砂桶质量m远小于小车（含砝码）质量MD .在探究外力一定，加速度与质量关系时，应该改变砂桶与砂的质量m解析（1）根据该实验的原理和所给实验器材可知不需要的器材是秒表，还需要的器材是天平（测量小车和车中砝码的总质量、砂和砂桶的总质量）.（2）平衡摩擦力时不应把砂桶用细线通过定滑轮系于小车上，且只要不改变长木板的倾角都不需要重新平衡摩擦力，故A、B选项错误；对系统而言，根据牛顿第二定律可得，（m+ M）a = mg,当M? m时，对小车 洽砝码）才有Ma =

25、 mg,故C选项正确；根据控制变量法可知，当探究外力一定，加速度与质量的关系时，应改变小车（含砝码）的质量，而不是改变砂和砂桶的质量，故D选项错误.答案秒表天平（2）C【预测6】（1）某兴趣小组想通过物块在斜面上运动的实验探究“合外力做功和物体速度变化的关系”.实验开始前，他们提出了以下几种猜想：Wx ,；v,Wxv,Wxv2.他们的实验装置如图5- 10- 15甲所示，PQ为一块倾斜放置的木块，在 Q处固定一个速度传感器（用 来测量物体每次通过 Q点时的速度），每次实验，物体从不同初始位置由静止释放.图 5 - 10- 15同学们设计了以下表格来记录实验数据，其中Li、L2、L3、L4 代表

26、物体分别从不同初始位置处无初速释放时初始位置到速度传感器的距离，VI、V2、V3、V4 表示物体每次通过Q点的速度.个小球当第1个小球撞击M时，M与触头分开，第2个小球开始下落这样，就可测 出多个小球下落的总时间.A 电路中的电源只能选用交流电源B. 实验前应将M调整到电磁铁的正下方C. 用直尺测量电磁铁下端到M的竖直距离作为小球下落的高度D. 手动敲击 M的同时按下秒表开始计时(2) 实验测得小球下落的高度H = 1.980 m,10个小球下落的总时间 T= 6.5 s.可求出重力加速度g=m/s2.(结果保留两位有效数字)(3) 在不增加实验器材的情况下，请提出减小实验误差的两个办法.(4

27、) 某同学考虑到电磁铁在每次断电后需要时间At磁性才消失，因此，每个小球的实际下落时间与它的测量时间相差At,这导致实验误差.为此，他分别取高度Hi和H2，测量n个小球下落的总时间Ti和T2.他是否可以利用这两组数据消除At对实验结果的影响？请推导说明.解析(1)无论是交流电还是直流电电磁铁都可以具有磁性而正常工作，A项错；满足实验条件M必须在电磁铁的正下方， B项正确；考虑到实验实际情况，应从小球下边缘到M点的距离作为小球下落的高度，则 C错；敲击M的同时开始计时是准确的， D正确.(2)由公1 t式H = 2gt2、t= 10,计算结果g= 9.4 m/s2,本题关键是准确计时，因此采用累

28、加法计时，同时适当增加小球下落高度可以减小误差，多次测量求平均值是减小偶然误差常用的方1 t11 T22n 2HiVH2法.由H1 = ：g匚一A 2和H2=TgAt 2,可解得g =2从而消去 At的2 n2 nT1_T22影响.(4) g =答案 (1)BD(2)9.4(3)增加小球下落的高度；多次重复实验，结果取平均值2n2,Hi H22Ti T2 2【预测7】某学习小组利用自行车的运动“探究阻力做功与速度变化的关系”.人骑自行车在平直的路面上运动，当人停止蹬车后，由于受到阻力作用，自行车的速度会逐渐减小至零，如图5 10 17所示在此过程中，阻力做功使自行车的速度发生变化设自行车无动力

29、后受到的 阻力恒定.(1) 在实验中使自行车在平直的公路上获得某一速度后停止蹬车，需要测出人停止蹬车后自行车向前滑行的距离 s,为了计算自行车的初速度 v,还需要测量 (填写物理量的名称及符号)(2) 设自行车受到的阻力恒为f,计算出阻力做的功 W及自行车的初速度 v.改变人停止蹬车时自行车的速度，重复实验，可以得到多组测量值.以阻力对自行车做功的大小为纵坐标，自行车初速度为横坐标，作出 Wv曲线分析这条曲线，就可以得到阻力做的功与自行车速解析(1)人停止蹬车后做匀减速运动，初速度v=2 v=罕，则还需要测量自行车滑行的时间t.1(2)由动能定理得，W= 2mv2，贝U W v图象为抛物线，即

30、图 C.答案(1)人停止蹬车后自行车滑行的时间t (2)C【预测8】如图5 10 18所示，列点卄时28、图 5 10 18利用打点计时器测量小车沿斜面下滑时所受阻力，小车在斜面上下滑时打出的一段纸带如图5 10 19所示，其中0为小车开始运动时打出的点设在斜面上运动时所受阻力恒定.伸位:an)图 5 10- 19已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，由纸带数据分析可知小车下滑的加速度a =m/s2，打E点时小车速度 ve=m/s(均取2位有效数字).(2)为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，可运用牛顿运动定律或动能定理求解，在这两种方案中除知道小车下滑的加速度a、打E点时速度ve、小车

31、质量m、重力加速度g外，利用米尺、三角板还需要测量哪些物理量，列出阻力的表达式.方案一:需要测量的物理量阻力的表达式(用字母表示);方案-二二:需要测量的物理量阻力的表达式(用字母表示) .解析 由交流电频率为50 Hz，可知打点计时器打出相邻点的时间间隔为 0.02 s,则计数 点的周期为T = 0.04 s,因小车所受阻力恒定，所以小车所受合外力恒定，加速度恒定，根据相邻时间间隔的位移之差为一恒量，即X2 xi= aT2,所以a = 丁2X2 xi 0.102 6 0.096 1m/s20.042=4.1 m/s2;因匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，即VE =X2 + X10.102 6 + 0.096 12t =m/s = 2.5 m/s;2X 0.04(2)方案一：运用牛顿运动定律求解时，根据 F合等于下滑力与阻力的合力，即合=F下一Ff= ma,所以要求出下滑力，就需要知道斜面倾角的正弦值，所以测量出斜面的长度高度H就可以求出斜面倾角