2023届高考物理二轮复习板块一专题突破复习专题六物理实验第一讲力学实验学案

第一讲力学实验[知识建构][高考调研]1.考查方向：高考对本专讲的学生实验的考查，主要有以下7个实验：①研究匀变速直线运动．②探究弹力和弹簧伸长的关系．③验证力的平行四边形定那么．④验证牛顿运动定律．⑤探究动能定理．⑥验证机械能守恒定律．⑦验证动量守恒定律．2.常用的思想方法：①等效法．②控制变量法．③逐差法．④图象法．[答案](1)逐差法、平均值法、图象法．(2)(3)刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器．(4)秒表、打点计时器、光电计时系统．(5)弹簧测力计、力传感器．考向一根本仪器的使用[归纳提炼]1．毫米刻度尺的读数精确到毫米，估读一位．2．游标卡尺和螺旋测微器的读数(1)游标卡尺的读数方法：d＝主尺读数(mm)＋精度×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＋估读值)×0.01mm.注意要估算到0.001mm.[熟练强化]1．(1)某同学用自己创造的新式游标卡尺测量小钢球的直径，新式卡尺将主尺上39mm在游标尺上均分成20等份．如下图，那么小钢球的直径为d＝________cm.(2)该同学又用螺旋测微器测量某电阻丝的直径，示数如图，那么该金属丝的直径为________mm.[解析]游标卡尺20个格总长39mm，每个格1.95mm，比主尺上两格(2mm)少0.05mm，因此读数方法与普通20分度卡尺一样，读数为1.035cm，螺旋测微器读数注意上边半格没露出，还要注意估读，根据测量值＝固定刻度＋(可动刻度＋估读值)×0.01mm可得1.195mm.[答案](1)1.035(2)1.1952．(2023·河北名校联盟)一种游标卡尺，它的游标尺上有50个小的等分刻度，总长度为49mm，用它测量某工件宽度，示数如图甲所示，其读数为________mm；图乙中的螺旋测微器读数为________mm.[解析]此题考查游标卡尺和螺旋测微器读数，意在考查学生仪器的使用和读数能力.50刻度游标卡尺的精确度为0.02mm，读数23mm＋10×0.02mm＝23.20mm；螺旋测微器读数1mm＋13.0×0.01mm＝1.130mm.[答案]23.201.130(±0.002均对)3．(2023·福建厦门质检)某同学用如图甲所示的螺旋测微器测小球的直径时，他应先转动________到F靠近小球，再转动________到F夹住小球，直至听到棘轮发出声音为止，拨动________使F固定后读数(填仪器部件字母符号)．正确操作后，螺旋测微器的示数如图乙所示，那么小球的直径是________mm.[解析]用螺旋测微器测小球直径时，先转动旋钮D使测微螺杆F靠近被测小球，再转动微调旋钮H使测微螺杆F夹住小球，直到棘轮发出声音为止，拨动旋钮G使F固定后读数，读数为6.5mm＋20.0×0.01mm＝6.700mm.[答案]DHG6.7001螺旋测微器读数时应注意的问题①固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出.②可动刻度的旋钮要估读，估读到0.001mm.2游标卡尺读数技巧①读数时应以毫米为单位，读出后再进行单位换算.②主尺上的读数，应以游标尺零刻度左端主尺上的刻度为准.③20分度的游标卡尺，其读数要精确到0.05mm，读数的最后一位数字为“0〞或“5〞.50分度的游标卡尺，其读数要精确到0.02mm，读数的最后一位数字为“0〞、“2〞、“4〞、“6〞、“8〞.考向二纸带类实验[归纳提炼]1．一套装置涉及常考五个实验：(1)研究匀变速直线运动；(2)验证牛顿第二定律；(3)探究动能定理；(4)验证机械能守恒；(5)测定动摩擦因数．2．纸带的三大应用(1)由纸带确定时间要区别打点计时器(打点周期为0.02s)打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，假设每五个点取一个计数点，那么计数点间的时间间隔Δt＝0.1s.(2)求解瞬时速度利用做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于这一段时间中间时刻的瞬时速度求打某一点的瞬时速度．如图甲所示，第n点时的速度vn＝eq\f(xn＋xn＋1,2T).(3)用“逐差法〞求加速度如图乙所示，因为a1＝eq\f(x4－x1,3T2)，a2＝eq\f(x5－x2,3T2)，a3＝eq\f(x6－x3,3T2)，所以a＝eq\f(a1＋a2＋a3,3)＝eq\f(x4＋x5＋x6－x1－x2－x3,9T2).[熟练强化]角度一研究匀变速直线运动1．(2023·全国卷Ⅰ)某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动，用自制“滴水计时器〞计量时间．实验前，将该计时器固定在小车旁，如图(a)所示．实验时，保持桌面水平，用手轻推一下小车．在小车运动过程中，滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴，图(b)记录了桌面上连续的6个水滴的位置．(滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴)(1)由图(b)可知，小车在桌面上是________(填“从右向左〞或“从左向右〞)运动的．(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动．小车运动到图(b)中A点位置时的速度大小为________m/s，加速度大小为________m/s2.(结果均保存2位有效数字)[解析]此题考查研究匀变速直线运动．(1)由于小车获得速度后在摩擦力作用下减速运动，故相邻水滴间的距离逐渐减小，结合图(b)可知小车向左运动．(2)由题意知，30s内滴下46滴水，共45个时间间隔，故相邻两滴水的时间间隔T＝eq\f(30,45)s＝eq\f(2,3)s．由匀变速直线运动中平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得vA＝eq\f(117＋133,2×\f(2,3))mm/s＝0.19m/s.由逐差法得小车运动的加速度为a＝eq\f(150＋133－117＋100,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(2,3)))2)mm/s2＝0.037m/s2.[答案](1)从右向左(2)0.190.037角度二研究加速度与合外力的关系2．利用力传感器研究“加速度与合外力的关系〞的实验装置如下图．(1)(多项选择)以下关于该实验的说法，错误的选项是________．A．做实验之前必须平衡摩擦力B．小车的质量必须比所挂钩码的质量大得多C．应调节定滑轮的高度使细线与木板平行D．为了实验平安，打点计时器接直流电源(2)从实验中挑选一条点迹清晰的纸带，每5个点取一个计数点，用刻度尺测量计数点间的距离如下图．打点计时器每间隔0.02s打一个点．由图可知A、B两点间的距离s1＝________cm；该小车的加速度a＝________m/s2(计算结果保存2位有效数字)，实验中纸带的________(选填“左〞或“右〞)端与小车相连接．[解析](1)为确保小车所受拉力等于小车所受合外力，必须平衡摩擦力，且使拉力与木板方向平行，A、C项正确；因为小车拉力由力传感器直接测量，故小车质量与钩码质量无关，B项错误；打点计时器正常工作时必须使用交流电源，D项错误．(2)由刻度尺读数规那么可知，A、B两点间距离为7.0mm＝0.70cm；由逐差公式可知，小车的加速度a＝eq\f(Δx,T2)，计数点间隔0.1s，所以小车的加速度为0.20m/s2；小车做加速运动，所以点迹较密集的一端为与小车相连的一端．[答案](1)BD(2)0.700.20左角度三验证机械能守恒3．(2023·天津卷)如下图，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律．(1)(多项选择)对于该实验，以下操作中对减小实验误差有利的是________．A．重物选用质量和密度较大的金属锤B．两限位孔在同一竖直面内上下对正C．精确测量出重物的质量D．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物(2)(多项选择)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有局部未画出，如下图．纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点．重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用以下测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________．A．OA、AD和EG的长度B．OC、BC和CD的长度C．BD、CF和EG的长度D．AC、BD和EG的长度[解析]此题考查“验证机械能守恒定律〞实验．(1)选用质量大的金属锤，可保证下落过程中纸带竖直不松弛；金属锤密度大，体积就小，下落过程中所受阻力小；上下限位孔对正，可减小摩擦；本实验中要验证eq\f(1,2)mv2＝mgh，即验证v2＝2gh，不用测量重物的质量；实验时用手抓紧纸带上端，接通电源，打点计时器工作稳定后，再松手释放纸带，不用用手托住重物．(2)本实验中，需要测某点的瞬时速度和从起始点到该点的距离，或者两点的速度及其间距，符合要求的选项有B、C.[答案](1)AB(2)BC纸带类问题是力学实验中出现率最高的内容，多以课本实验为蓝本进行升级变形，从整体角度看，力学中的四个打点描迹类实验都存在共性，因此在某种程度上可以做到“一个装置多种用途〞的效果.考向三“橡皮条、弹簧〞类实验[考点归纳]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F和弹簧伸长的长度x，建立F－x坐标，描点作图探究．(2)操作关键①实验中不能挂过多的钩码，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两侧．2．验证力的平行四边形定那么(1)实验原理使一个力作用效果跟两个力共同作用效果相同．(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．[熟练强化]角度一验证力的平行四边形定那么1．(2023·全国卷Ⅲ)某探究小组做“验证力的平行四边形定那么〞实验，将画有坐标轴(横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示1mm)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(位于图示局部之外)，另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长．(1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O，此时拉力F的大小可由测力计读出．测力计的示数如图(b)所示，F的大小为________N.(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A点；现使用两个测力计同时拉橡皮筋，再次将P端拉至O点．此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2N和F2＝5.6N.①用5mm长度的线段表示1N的力，以O为作用点，在图(a)中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定那么画出它们的合力F合；②F合的大小为________N，F合与拉力F的夹角的正切值为________．假设F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，那么该实验验证了力的平行四边形定那么．[解析](1)由测力计的读数规那么可知，读数为4.0N．(2)①利用平行四边形定那么作图；②由图可知F合＝4.0N，从F合的顶点向x轴和y轴分别作垂线，顶点的横坐标对应长度为1mm，顶点的纵坐标长度为20mm，那么可得出F合与拉力F的夹角的正切值为0.05.[答案](1)4.0(2)①F1、F2和F合如下图②4.00.05角度二探究弹簧弹力与伸长量的关系2．某同学利用如图甲所示的装置探究弹簧的弹力与其伸长量的关系，在铁架台的顶端固定一刻度尺，另将一下端固定有指针的弹簧也固定在铁架台上．然后该同学进行了如下的操作：首先在弹簧的下端不挂任何重物，记录指针在刻度尺上所指位置的刻度值，然后在弹簧的下端挂上钩码，并将弹簧下端所挂钩码的个数逐个增加，依次记录指针在刻度尺上所指位置的刻度值，将所得的数据记录在下表中．每个钩码的质量均为m＝100g，重力加速度取g＝9.8m/s2.钩码个数01234567刻度值x/cm15.0018.9422.8226.7830.6634.6042.0054.50(1)由表中记录的数据，在图乙的坐标系中作出刻度值与弹簧下端所挂钩码的质量的变化规律图线．(2)胡克定律ΔF＝kΔx，那么由作出的图线可确定在0到________N的范围内弹簧的弹力与伸长量成正比，此弹簧的劲度系数k＝________N/m.而图线末端发生弯曲的原因为_____________．[解析](1)根据题目中所测量的数据进行描点，然后用平滑的曲线(或直线)连接各点，在连接时应让尽量多的点落在线上(偏差比拟大的点舍去)，不在线上的点尽量平均分配在线的两侧．(2)根据所作出的图象可以看出，当m≤5×102g＝0.5kg时，标尺刻度x与钩码质量m成一次函数关系，所以在F≤4.9N范围内弹力大小与弹簧伸长量满足胡克定律．由胡克定律ΔF＝kΔx可知，k＝eq\f(ΔF,Δx)＝25N/m，根据图象可知，当弹簧的弹力大于4.9N时图线末端发生弯曲，其原因是弹簧超出了弹性限度．[答案](1)如下图(2)4.925弹簧超出了弹性限度角度三探究弹簧的弹性势能3．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(a)所示．向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放；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．答复以下问题：(1)(多项选择)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．重力加速度大小为g.为求得Ek，至少需要测量以下物理量中的________(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ΔxE．弹簧原长l0(2)用所选取的测量量和量表示Ek，得Ek＝________.(3)图(b)中的直线是实验测量得到的s－Δx图线．从理论上可推出，如果h不变，m增加，s－Δx图线的斜率会________(选填“增大〞“减小〞或“不变〞)；如果m不变，h增加，s－Δx图线的斜率会________(选填“增大〞“减小〞或“不变〞)．由图(b)中给出的直线关系和Ek的表达式可知，Ep与Δx的________次方成正比．[解析](1)(2)如下图，小球抛出时动能Ek＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0).平抛运动有s＝v0t，h＝eq\f(1,2)gt2.解三式得Ek＝eq\f(mgs2,4h)，那么需测量小球质量m、桌面高度h及落地水平距离s.(3)由能量守恒定律得，弹簧的弹性势能Ep＝Ek＝eq\f(mgs2,4h).①由①式知Ep∝s2，由题给直线关系知s∝Δx，那么Ep∝(Δx)2.由①式知s∝eq\r(Ep)，那么s∝2eq\r(\f(h,mg))Δx.s－Δx图线的斜率正比于eq\r(\f(h,mg))，如果h不变，m增加，s－Δx图线的斜率将会减小．如果m不变，h增加，那么s－Δx图线的斜率会增大．[答案](1)ABC(2)eq\f(mgs2,4h)(3)减小增大2弹簧类问题数据处理方法(1)列表法：直接从表格数据中得到弹力F与伸长量x的比值是一个常数．(2)图象法：以弹力F为纵坐标，弹簧的伸长量x为横坐标，根据所测数据，在坐标系中描点连线，可得到一条过原点的直线．作图象时要使尽可能多的点在一条直线上，不在直线上的点也要尽可能对称分布在直线两侧，如果遇到个别偏差较大的点属误差较大或错误的，应舍去．如果横坐标是弹簧的总长度，那么画出的F－x关系图象不过原点，但是F－x图象中倾斜直线的斜率都等于弹簧的劲度系数．(3)函数法：在误差允许范围内，可写出弹力与弹簧伸长量的函数关系式F＝kx.实际解题中常与图象法配合使用，以得到函数式或比照实际关系式以计算物理量等．高考题型预测——力学创新实验[考点归纳]创新设计实验通常可分为两类：第一类为通过实验和实验数据的分析得出物理规律；第二类为给出实验规律，让你选择实验仪器，设计实验步骤，并进行数据处理．第一类必须在实验数据上下工夫，根据数据特点，掌握物理量间的关系，得出实验规律；第二类必须从规律入手，正确选择测量的物理量，根据问题联想相关的实验模型，确定实验原理，选择仪器设计实验步骤、记录实验数据并进行数据处理．[典题例如](2023·河北名校联盟)某实验小组利用弹簧秤和刻度尺，测量滑块在木板上运动的最大速度．实验步骤：①用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力，记作G；②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上，通过水平细绳和固定弹簧秤相连，如图甲所示．在A端向右拉动木板，待弹簧秤示数稳定后，将读数记作F；③改变滑块上橡皮泥的质量，重复步骤①②；实验数据如下表所示：G/N1.502.002.503.003.504.00F/N0.590.830.991.221.371.61④如图乙所示，将木板固定在水平桌面上，滑块置于木板上左端C处，细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物P连接，保持滑块静止，测量重物P离地面的高度h；⑤滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的D点(未与滑轮碰撞)，测量C、D间的距离s.完成以下作图和填空：(1)根据表中数据在给定坐标纸上作出F—G图线．(2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数μ＝________(保存2位有效数字)．(3)滑块最大速度的大小v＝________(用h、s、μ和重力加速度g表示)．[审题指导]第一步读题干—提信息题干信息1)向右拉动木板说明滑块与板之间是滑动摩擦力2)弹簧秤示数稳定后说明滑块静止，处于平衡状态3)最终停在木板上的D点说明滑块末速度为0第二步审程序—顺思路[解析](1)如下图(2)因弹簧秤示数稳定后滑块静止，由题意知此时滑动摩擦力f＝F，又因滑块与板间压力N＝G，故由f＝μN得F＝μG，即F－G图线的斜率即为μ，由图线可得μ＝k＝0.40.(3)设最大速度为v，从P下降h高度到滑块运动到D点的过程中由动能定理得0－eq\f(1,2)mv2＝－μmg·(s－h)，故有v＝eq\r(2μgs－h).[答案](1)见解析(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42均正确)(3)eq\r(2μgs－h)灵活选取研究对象及解题过程是解题关键.此题P重力未知，但着地后可单独研究滑块，除动能定理外也可用运动学公式解题.[预测题组](2023·怀化市一模)某研究小组设计了一种“用一把尺子测定动摩擦因数〞的实验方案．如以下图所示，A是可固定于水平