(新课标大纲解读)高考物理-重点-难点-核心考点全演练-专题10-力学实验

PAGE专题10力学实验高考对物理实验的考查，是在《考试说明》规定的实验基础上进行重组与创新，旨在考查考生是否熟悉这些常规实验器材，是否真正动手做过这些实验，是否能灵活地运用学过的实验理论、实验方法、实验仪器，去处理、分析、研究某些未做过的实验，包括设计某些比较简单的实验等。实验试题多源于教材而高于教材，所给的物理情景和要求跟教材内容多有明显区别，是以教材中实验为背景或素材，通过改变实验条件或增加条件限制，加强对考生迁移能力、创新能力和实验设计能力的考查。题目命制的形式多为一力一电，力学实验比重有所加大，采用组合题的方式，增大了实验题的覆盖面，加强了对物理问题进行定性分析的设问及开放性设问，很好地体现了新课程改革引导学生主动学习、加强探究、培养创新精神的理念。【命题趋势】一、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0.0125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＝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×0.01mm注意要估读到0.001mm(3)用纸带求加速度的方法①利用a＝eq\f(Δx,T2)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Δx＝xn＋1－xn＝aT2求加速度a.②逐差法：图5－10－1如图5－10－1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).三、验证性实验1．包括：验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、验证机械能守恒定律．2．验证性实验的两种方法(1)对于现象直观明显或者只需讨论的验证性实验问题，常常通过观察分析进行证实；(2)对有测量数值且实验要求根据数据分析验证结果的，一般要进行分析归纳，通过作图、计算、测量进行比较验证．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，在坐标纸上描点后所作图线的根据就是所验证的规律。一、游标卡尺和螺旋测微器的读数游标卡尺读数技巧：(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。(3)20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“0二、与打点计时器和纸带相关的力学实验（1)打点计时器的正确使用：①先接通电源，再释放纸带；②电磁打点计时器工作电压为低压交流4~6V；电火花计时器工作电压为交流220V。(2)纸带的选取：一般实验在点迹清晰、无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带；在“验证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二点，并且第一、二两点距离接近2.2．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＋0.1n20190.050.05主尺上读的毫米数＋0.05n50490.020.02主尺上读的毫米数＋0.02n3.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)×0.01mm4．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．【变式探究】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.【变式探究】某同学在测量一均匀新材料制成的圆柱体的电阻率ρ时：(1)用游标卡尺为20分度的卡尺测量其长度如图5－10－5甲所示，由图可知其长度为________cm；(2)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.考点2、验证性实验【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，eq\f(1,t2)与x的关系式为eq\f(1,t2)＝________________________________________________________________________.(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(A点)下滑，测量相应的x与t值．结果如下表所示：12345x/(m)0.6000.8001.0001.2001.400t/(ms)8.227.176.445.855.43eq\f(1,t2)/(×104s－2)1.481.952.412.923.39以x为横坐标，eq\f(1,t2)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；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k＝________×104m－1·s－2(保留三位有效数字)．由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出eq\f(1,t2)－x直线的斜率k0，将k和k0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．【变式探究】(1)某实验小组用如图5－10－8所示的装置验证“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O点．手持B水平向左拉，使O点缓慢地向左移动，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0～5N，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＝3.0N、F2＝3.8N；乙同学F1和F2方向间的夹角约为30°，F1＝F2＝4.0N；丙同学F1和F2方向间的夹角约为120°，F1＝F2＝4.0N．这三位同学中操作不合适的是________．(填“甲”、“乙”或“丙”)【变式探究】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(2)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＝________；(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“①”或“②”)；小车及车中的砝码总质量m＝________kg.考点3、探究性实验【例4】(2013·新课标全国卷Ⅱ，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．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ΔxE．弹簧原长l0(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek＝________________________________________________________________________.(3)图5－10－13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________(填“增大”、“减小”或“不变”)：如果m不变，h增加，s－Δx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Δx的__________次方成正比．【变式探究】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．(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．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一定时，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【变式探究】(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：①W∝eq\r(v)，②W∝v，③W∝v2.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．同学们设计了以下表格来记录实验数据，其中L1、L2、L3、L4……代表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，v1、v2、v3、v4……表示物体每次通过Q点的速度．实验次数1234……LL1L2L3L4……vv1v2v3v4……他们根据实验数据绘制了如图乙所示的L－v图象，并得出结论W∝v2.他们的做法是否合适，你有什么好的建议？________________________________________________________________________(2)在此实验中，木板与物体间摩擦力的大小________(填“会”或“不会”)影响探究结果．【例1】(2013·江苏卷，11)某兴趣小组利用自由落体运动测定重力加速度，实验装置如图5－10－16所示．倾斜的球槽中放有若干个小铁球，闭合开关K，电磁铁吸住第1个小球．手动敲击弹性金属片M，M与触头瞬间分开，第1个小球开始下落，M迅速恢复，电磁铁又吸住第2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．(1)在实验中，下列做法正确的有________．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＝1.980m，10个小球下落的总时间T＝6.5s．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)某同学考虑到电磁铁在每次断电后需要时间Δt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Δt，这导致实验误差．为此，他分别取高度H1和H2，测量n个小球下落的总时间T1和T2.他是否可以利用这两组数据消除Δt对实验结果的影响？请推导说明．【变式探究】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W－v曲线．分析这条曲线，就可以得到阻力做的功与自行车速度变化的定性关系．在实验中作出W－v图象如图所示，其中符合实际情况的是________．【变式探究】如图5－10－18所示，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O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．(1)已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，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：需要测量的物理量________________________________________________________________________，阻力的表达式(用字母表示)________________________________________________________________________．1．(1)如图5－10－20所示的是两把游标卡尺，它们的游标尺自左至右分别为9mm长10等分、19mm长20等分，它们的读数依次为______mm，______mm.(2)使用螺旋测微器测量两个金属丝的直径，示数如图5－10－21所示，则a、b金属丝的直径分别为________mm，________mm.2．(2013·重庆卷，6(1))我国舰载飞机在“辽宁舰”上成功着舰后，某课外活动小组对舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣．他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水，制作了如图5－10－22所示的装置，准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系．要达到实验目的，需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的________和在橡皮条阻拦下前进的距离，还必须增加的一种实验器材是________．忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力，重力加速度已知，根据________定律(定理)，可得到钢球被阻拦前的速率．3．请将下列实验步骤或结果补充完整：在“研究弹簧伸长量与弹力关系”的实验中，取一待测弹簧，将弹簧________测出其长度，在其下端竖直悬挂钩码，稳定后测出弹簧的长度，并记录________．改变钩码个数，重复上述步骤．某同学在图5－10－23所示坐标中，根据弹力F与弹簧形变x的数据标出了五个点．请你在图中描绘出相应的F－x图象，根据图象求出弹簧的劲度系数为______N/m.(保留两位有效数字)4．(2013·浙江卷，21)如图5－10－24所示，装置甲中挂有小桶的细线绕过定滑轮，固定在小车上；装置乙中橡皮筋的一端固定在导轨的左端，另一端系在小车上．一同学用装置甲和乙分别进行实验，经正确操作获得两条纸带①和②，纸带上的a、b、c……均为打点计时器打出的点．(1)任选一条纸带读出b、c两点间距离为________；(2)任选一条纸带求出c、e两点间的平均速度大小为________，纸带①和②上c、e两点间的平均速度eq\x\to(v)①________eq\x\to(v)②(填“大于”、“等于”或“小于”)；(3)图中________(填选项字母)．A．两条纸带均为用装置甲实验所得B．两条纸带均为用装置乙实验所得C．纸带①为用装置甲实验所得，纸带②为用装置乙实验所得D．纸带①为用装置乙实验所得，纸带②为用装置甲实验所得5．图5－10－25甲是“验证力的平行四边形定则”的实验装置，请完成实验操作与记录：①将弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线ac挂一重物G，如图中虚线所示，记录：测力计A的读数F0.②用弹簧测力计B的挂钩拉另一细线的b端，该细线的另一端系在细线ac上的O点处，手持测力计B保持水平方向缓慢向左拉，到达如图所示位置，记录：O点的位置、________、________、________、______和细线Oc的方向．③某同学已作出FA、FB和合力实验值F′的图示，请在图乙中作出合力理论值F的图示，比较F′和F的大小和方向，可以得出结论：互成角度的________遵循平行四边形定则．6．[2013·天津卷，9(2)]某实验小组利用图5－10－26所示的装置探究加速度与力、质量的关系．①下列做法正确的是________(填字母代号)．A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度②为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________木块和木块上砝码的总质量．(填“远大于”、“远小于”或“近似等于”)③甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码、在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图5－10－27中甲、乙两条直线．设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木块间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙．(填“大于”、“小于”或“等于”)7．(2013·福建卷，19(1))在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图5－10－28)：①下列说法哪一项是正确的________．(填选项前字母)A．平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上B．为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量C．实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放②图5－10－29是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为________m/s(保留三位有效数字)．8．(2013·新课标全国卷Ⅰ，22)图5－10－30为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图．实验步骤如下：①用天平测量物块和遮光片的总质量M，重物的质量m，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，用米尺测量两光电门之间的距离s；②调整轻滑轮，使细线水平；③让物块从光电门A的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时