2019-2020年高三物理复习 专题十 实验技能与创新 第1课时 力学实验与创新讲义.doc

2019-2020年高三物理复习 专题十 实验技能与创新 第1课时 力学实验与创新讲义专题定位高考对学生实验的考查，主要有以下十九个实验：长度的测量；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；验证动量守恒定律；研究平抛物体的运动；验证机械能守恒定律；用单摆测定重力加速度；用油膜法估测分子的大小；用描迹法画出电场中平面上的等势线；测定金属的电阻率(同时练习使用螺旋测微器)；描绘小电珠的伏安特性曲线；把电流表改装为电压表；测定电源的电动势和内阻；用多用电表探索黑箱内的电学元件；练习使用示波器；传感器的简单应用；测定玻璃的折射率；用双缝干涉测光的波长高考除了对课本中原有的学生实验进行考查外，还增加了对演示实验的考查，利用学生所学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，来完成新的实验设计设计型实验将逐步取代对课本中原有的单纯学生实验的考查应考策略1.熟知各种器材的特性.2.熟悉课本实验， 抓住实验的灵魂实验原理，掌握数据处理的方法，熟知两类误差分析第1课时力学实验与创新一、游标卡尺和螺旋测微器的读数例1用游标卡尺测得某样品的长度如图1甲所示，其读数L_mm；用螺旋测微器测得该样品的外边长a如图乙所示，其读数a_mm.图1解析根据游标卡尺的读数方法，读数为20 mm30.05 mm20.15 mm.根据螺旋测微器的读数方法，读数为1.5 mm23.00.01 mm1.730 mm.答案20.151.730以题说法1.游标卡尺的读数方法：由主尺读出整毫米数l0，从游标尺上读出与主尺上某一刻度对齐的格数n，则测量值(mm)(l0n精确度) mm.注意：(1)游标卡尺的精确度一般为游标尺上总刻度数的倒数(2)游标卡尺不需要估读2螺旋测微器的读数方法：测量值(mm)固定刻度指示的毫米数(注意半毫米刻度线是否露出)可动刻度上与固定刻度基线所对的刻度值(注意刻度值要估读一位)0.01 mm.(1)用螺旋测微器测量一小球的直径，结果如图2甲所示，则小球的直径d_ mm.图2(2)知识的迁移能力是非常重要的，应用螺旋测微器的原理，解决下面的问题：在一些用来测量角度的仪器上，有一个可转动的圆盘，圆盘的边缘标有角度刻度为了较准确地测量出圆盘转动的角度，在圆盘外侧有一个固定不动的游标，上面共有10个分度，对应的总角度为9度如图乙中画出了游标和圆盘的一部分读出此时圆盘的零刻度线相对于游标零刻度线转过的角度为_度答案(1)10.975(2)20.6解析(1)螺旋测微器主尺读数为10.5 mm，可动刻度一共50个格，代表0.5 mm，每个格表示0.01 mm，第47.5个格与固定刻度基线对齐，因此可动刻度的读数为0.475 mm，故螺旋测微器的读数为10.975 mm.(2)主尺部分的读数为20度，游标尺一共10个格，每个格代表0.1度，第6个格对齐，故游标尺的读数为0.6度，因此一共是20.6度二、验证力的平行四边形定则例2图3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和合力理论值F的图示，请在图乙中作出合力实验值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图3答案(2)测力计A的读数测力计B的读数细线Oa的方向细线Ob的方向(3)以表示FA、FB的线段为邻边作平行四边形，其对角线所表示的力就是合力实验值的大小和方向，如图所示两个力(或两个共点力)的合成以题说法1.本实验考查的重点是“力作用效果的等效性”2对实验步骤中两个分力和合力的大小和方向的确定也是考查的重点某同学找到一条遵循胡克定律的橡皮筋来验证力的平行四边形定则，设计了如下实验：图4(1)将橡皮筋的两端分别与两条细线相连，测出橡皮筋的原长；(2)将橡皮筋一端细线用钉子固定在竖直板上M点，在橡皮筋的中点O再用细线系重物，自然下垂，如图4甲所示(3)将橡皮筋另一端细线固定在竖直板上的N点，如图乙所示为完成实验，下述操作中需要的是_A橡皮筋两端连接的细线长度必须相同B要测量图甲中橡皮筋Oa的长度和图乙中橡皮筋Oa、Ob的长度CM、N两点必须在同一高度处D要记录图甲中O点的位置及过O点的竖直方向E要记录图乙中结点O的位置、过结点O的竖直方向及橡皮筋Oa、Ob的方向答案BE解析橡皮筋两端连接的细线长度不需要必须相同，M、N两点可以不在同一高度处，不需要记录题图甲中O点的位置及过O点的竖直方向由于已经测出橡皮筋的原长，只需要测量题图甲中橡皮筋Oa的长度和题图乙中橡皮筋Oa、Ob的长度，需要记录题图乙中结点O的位置、过结点O的竖直方向及橡皮筋Oa、Ob的方向操作中需要的是B、E.三、探究弹力和弹簧伸长的关系例3通过“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验，我们知道在弹性限度内，弹簧弹力F的大小与弹簧的伸长(或压缩)量x成正比，并且不同的弹簧，其劲度系数不同已知一根原长为L0、劲度系数为k1的长弹簧A，现把它截成长为L0和L0的B、C两段，设B段的劲度系数为k2，C段的劲度系数为k3，关于k1、k2、k3的大小关系，同学们做出了如下猜想：甲同学：既然是同一根弹簧截成的两段，所以k1k2k3乙同学：弹簧越短劲度系数越大，所以k1k2k2k3(1)为了验证猜想，可以通过实验来完成，实验所需的器材除铁架台外，还需要的器材有_(2)简要实验步骤如下，请完成相应填空A将弹簧A悬挂在铁架台上，用刻度尺测量弹簧A的长度L0；B在弹簧A的下端挂上钩码，记下钩码的个数(如n个)并用刻度尺测量弹簧的长度L1；C由Fmg计算弹簧的弹力；由xL1L0计算出弹簧的伸长量由k计算弹簧的劲度系数；D改变_，重复实验步骤B、C，并求出弹簧A的劲度系数k1的平均值；E按要求将弹簧A剪断成B、C两段，重复实验步骤A、B、C、D.分别求出弹簧B、C的劲度系数k2、k3的平均值比较k1、k2、k3得到结论(3)图5是实验得到的图线根据图线得出弹簧的劲度系数与弹簧长度有怎样的关系？图5答案(1)刻度尺、已知质量且质量相等的钩码(2)钩码的个数(3)同一根弹簧上截下的几段，越短的段，劲度系数越大(或同一根弹簧上截下的几段，越长的段，劲度系数越小)四、以打点计时器或光电门为工具的力学实验例4某学习小组在“研究匀变速直线运动”的实验中，用如图6所示的气垫导轨装置来测小车的加速度，由导轨标尺可以测出两个光电门之间的距离L，窄遮光板的宽度为d，窄遮光板依次通过两个光电门的时间分别为t1、t2.图6(1)通过两个光电门的瞬时速度分别为v1_，v2_.在计算瞬时速度时应用的物理方法是_(填“极限法”“微元法”或“控制变量法”)(2)则滑块的加速度可以表示为a_(用题中所给物理量表示)(3)该学习小组在测出滑块的加速度后，经分析讨论，由于滑块在气垫导轨上运动时空气阻力很小，可用上述实验装置来验证机械能守恒定律，为此还需测量的物理量是_和_，机械能守恒的表达式为_(用题中所给物理量和测量的物理量表示)解析(1)小车通过两个光电门的瞬时速度等于小车通过光电门这段时间内的平均速度，故瞬时速度分别为和.时间取的越短，瞬时速度越接近平均速度，故采用了极限法；(2)根据运动学公式2aLvv，代入可求得加速度a()；(3)要验证机械能守恒就要看沙桶重力势能的减少量和系统动能的增加量是否相等，因此需要测量沙桶的质量m和滑块的质量M，机械能守恒定律的表达式为mgL(Mm)d2()答案(1)极限法(2)()(3)沙桶的质量m滑块的质量MmgL(Mm)d2()以题说法在考试大纲规定的力学实验中有二个涉及打点计时器：研究匀变速直线运动和验证机械能守恒定律在创新实验中也经常涉及打点计时器这类实验的关键是要掌握纸带的分析处理方法，对于纸带常见有以下三大应用1由纸带确定时间要区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，便于测量和计算，一般每五个点取一个计数点，这样时间间隔为t0.025 s0.1 s.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中间时刻的瞬时速度如图7所示，打n点时的速度vn图73用“逐差法”求加速度如图8所示，a图8有些实验用光电门代替打点计时器来完成瞬时速度和加速度的测量，具体做法如下：(1)求瞬时速度：把遮光条(宽度为d)通过光电门的时间t内的平均速度看做物体经过光电门的瞬时速度，即v.(2)求加速度：若两个光电门之间的距离为L，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a.(xx四川8(2)如图9所示，某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验：图9为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做_运动连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到图10所示的纸带纸带上O为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1 s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受拉力为0.2 N，小车的质量为0.2 kg.图10请计算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化Ek.补填表中空格(结果保留至小数点后第四位).OBOCODOEOFW/J0.043 20.057 20.073 40.091 5Ek/J0.043 00.057 00.073 40.090 7分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内WEk.与理论推导结果一致实验前已测得托盘质量为7.7103kg，实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为_kg(g取9.8 m/s2，结果保留至小数点后第三位)答案匀速直线0.111 50.110 50.015解析WFxOF0.255.75102 J0.111 5 JvF m/s1.051 m/sEkmv0.21.0512 J0.110 5 J设放入砝码质量为m，则(m7.7103 kg)g0.2 N(m7.7103 kg)a对小车：a m/s21 m/s2联立得：m0.015 kg14力学创新实验的分析技巧审题示例(xx新课标22)(7分)图11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：图11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；调整轻滑轮，使细线水平；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所用的时间tA和tB，求出加速度a；多次重复步骤，求a的平均值 ；根据上述实验数据求出动摩擦因数.回答下列问题：(1) 测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图12所示其读数为_ cm.图12(2)物块的加速度a可用d、s、tA和tB表示为a_.(3)动摩擦因数可用M、m、和重力加速度g表示为_.(4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于_(填“偶然误差”或“系统误差”)审题模板答题模板(1)0.9 cm120.05 mm0.960 cm(2分)(2)因为vA，vB，又由2asvv，得a()2()2(2分)(3)设细线上的拉力为FT，则mgFTm，FTMgM两式联立得(2分)(4)细线没有调整到水平，属于实验方法粗略，这样会引起系统误差(1分)答案(1)0.960(2)()2()2(3)(4)系统误差为了探究合外力做功与物体动能改变的关系，某同学设计了如下实验方案：第一步：如图13甲所示，把木板一端垫起，滑块通过细绳与一重锤相连，然后跨过定滑轮，重锤下连一纸带，穿过打点计时器，调整木板倾角，直到轻推滑块，滑块沿木板向下匀速运动第二步：如图乙所示，保持木板倾角不变，取下细绳和重锤，将打点计时器安装在木板靠近滑轮处，将滑块与纸带相连，使其穿过打点计时器第三步：接通电源，释放滑块，使之从静止开始加速运动，打出的纸带如图丙所示其中打下计数点O时，滑块的速度为零，相邻计数点的时间间隔为T.图13(1)根据纸带求打点计时器打E点时滑块的速度vE_.(2)已知重锤质量为m，当地的重力加速度为g，合外力在OE段对滑块做功的表达式WOE_.(3)利用图丙数据求出各段合外力对滑块所做的功W及A、B、C、E各点的速度v.以v2为纵轴，以W为横轴建立坐标系，作出v2W图象，发现它是一条过坐标原点的倾斜直线，测得直线斜率为k，则滑块质量M_.答案(1)(2)mgs5(3)解析(1)根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可得vE.(2)本实验中将重锤的重力当作合外力，合外力在OE段对滑块做的功为mgs5.(3)根据动能定理有WMv2，得v2W，所以k，M.(限时：45分钟)1 (xx广东34(1)研究小车匀变速直线运动的实验装置如图1(a)所示，其中斜面倾角可调，打点计时器的工作频率为50 Hz，纸带上计数点的间距如图(b)所示，其中每相邻两点之间还有4个记录点未画出图1部分实验步骤如下：A测量完毕，关闭电源，取出纸带B接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车C将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连D把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔上述实验步骤的正确顺序是：_(用字母填写)图(b)中标出的相邻两计数点的时间间隔T_ s.计数点5对应的瞬时速度大小计算式为v5_.为了充分利用记录数据，减小误差，小车加速度大小的计算式应为a_.答案DCBA0.1解析时间tnT050.02 s0.1 s(n为相邻两个计数点的间隔数)在匀变速直线运动中：中间时刻的速度等于平均速度取s1s1s2s3，s2s4s5s6，则：T3T，就可用ss2s1aT2求a.2 橡皮筋也像弹簧一样，在弹性限度内伸长量x与弹力F成正比，即Fkx，k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关，理论与实际都表明k，其中Y是一个由材料决定的常数，材料力学上称之为杨氏模量(1)在国际单位中，杨氏模量Y的单位应该是_AN Bm CN/m DPa(2)用如图2甲所示的实验装置可以测量出一段横截面积是圆形的橡皮筋的杨氏模量Y的值，首先利用毫米刻度尺测得橡皮筋的长度L20.00 cm，利用测量工具a测得橡皮筋未受到拉力时的直径D4.000 mm，那么测量工具a应该是_图2(3)用如图甲所示的装置就可以测出这种橡皮筋的Y值，下面的表格是橡皮筋受到的拉力F与伸长量x的实验记录处理数据时，可在图乙中作出Fx的图象，由图象可求得该橡皮筋的劲度系数k_N/m.(保留两位有效数字)拉力F(N)510152025伸长量x(cm)1.63.24.86.48(4)这种橡皮筋的杨氏模量Y_.(保留一位有效数字)答案(1)D(2)螺旋测微器(或千分尺)(3)图象见解析图3.1102(4)5106 Pa解析(1)根据表达式k得：Y已知k的单位是N/m，L的单位是m，S的单位是m2，所以Y的单位是N/m2，也就是Pa，故选D.(2)测量橡皮筋未受到拉力时的直径用螺旋测微器(或千分尺)(3)根据Fkx可知，图象的斜率大小等于劲度系数大小，由图象求出劲度系数为k3.1102 N/m.(4)根据Y求得，Y5106 Pa.3 (xx安徽21)根据单摆周期公式T2，可以通过实验测量当地的重力加速度如图3所示，将细线的上端固定在铁架台上，下端系一小钢球，就做成了单摆图3图4(1)用游标卡尺测量小钢球直径，示数如图4所示，读数为_mm.(2)以下是实验过程中的一些做法，其中正确的有_a摆线要选择细些的、伸缩性小些的、并且尽可能长一些b摆球尽量选择质量大些、体积小些的c为了使摆的周期大一些，以方便测量，开始时拉开摆球，使摆线相距平衡位置有较大的角度d拉开摆球，使摆线偏离平衡位置不大于5，在释放摆球的同时开始计时，当摆球回到开始位置时停止计时，此时间间隔t即为单摆周期Te拉开摆球，使摆线偏离平衡位置不大于5，释放摆球，当摆球振动稳定后，从平衡位置开始计时，记下摆球做50次全振动所用的时间t，则单摆周期T答案(1)18.6(2)abe解析(1)十分度游标尺的第6个刻度线与主尺刻度线对齐，所以读数为18.6 mm.(2)对于单摆，摆线质量可忽略且不可伸长，所以应选伸缩性小的细线，摆球应选密度较大、体积小的钢球；为使摆动周期长些，由T2 知，摆线应长些，所以选项a、b正确，为使单摆具有等时性，摆角应小于5 ，要减小测量周期的误差，计时起点应选在摆球的平衡位置，且测量多次(N)全振动的总时间(t)，然后再算出周期T，选项e正确4用图5所示的装置做“验证牛顿第二定律”的实验图5(1)为了减小长木板对小车摩擦力的影响，必须在长木板_(填“远离”或“靠近”)滑轮的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，直至小车能单独在长木板上做_运动(2)为了验证小车的加速度与其质量的定量关系，必须采用_法(3)保持小车受力不变，测量不同质量的小车在这个力作用下的加速度某次实验中打出如图6所示的纸带(打点计时器电源的频率为50 Hz)，则这个加速度值a_m/s2.图6(4)某同学把实验得到的几组数据画成图7的am图象，为了更直观描述小车的加速度跟其质量的关系，请你根据他的图象在图8中画出a图象图7图8答案(1)远离匀速直线(2)控制变量(3)0.8(或0.80)(4)如图所示解析(1)为了减小长木板对小车摩擦力的影响，必须平衡摩擦力，在长木板远离滑轮的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，直至小车能单独在长木板上做匀速直线运动(2)由于小车的加速度与合外力和质量有关，为了验证小车的加速度与其质量的定量关系，必须采用控制变量法(3)根据纸带，由0.035 3 m0.019 3 m2a(5/f)2解得a0.8 m/s2.(4)某同学把实验得到的几组数据画成题图所示的am图象，为了更直观描述小车的加速度跟其质量的关系，可根据他的图象上的一些数据点，画出a图象5 “动能定理”和“机械能守恒定律”是物理学中很重要的两个力学方面的物理规律有一名同学设计了如图9甲所示的实验装置一个电磁铁吸住一个小钢球，当将电磁铁断电后，小钢球将由静止开始向下加速运动小钢球经过光电门时，计时装置将记录小钢球通过光电门所用的时间t，用直尺测量出小钢球由静止开始下降至光电门时的高度h.图9(1)这名同学为了验证“动能定理”，用游标卡尺测量了小钢球的直径，结果如图乙所示，他记录的小钢球的直径d_cm.(2)这名同学在验证“动能定理”的过程中，忽略了空气阻力的影响，除了上述的数据之外是否需要测量小钢球的质量？_(填“需要”或“不需要”)(3)该同学如果打算用这套装置验证机械能守恒定律，下面的做法能提高实验精度的是()A在保证其他条件不变的情况下，减小小球的直径B在保证其他条件不变的情况下，增大小球的直径C在保证其他条件不变的情况下，增大小球的质量D在保证其他条件不变的情况下，减小小球的质量答案(1)1.00(2)不需要(3)AC解析(1)游标卡尺读数时，先读主尺为10 mm，再读游标尺，共10个格，每个格代表0.1 mm，第0个格与主尺刻度线对齐，故游标卡尺读数为10.0 mm，因此小钢球的直径为1.00 cm；(2)在验证动能定理时，我们使用的方法是验证mghmv2，v，因为两边都有质量，故不需要测质量；(3)由于空气阻力的影响，实际的方程应该是mghFfhmv2，v，可以推得ghv2，v，所以质量越大，越小，可以提高精确性，C正确；另外从推导过程来看d越小，速度的测量越精确，所以A正确6 为了测定滑块与水平桌面之间的动摩擦因数，某同学设计了如图10所示的实验装置，其中圆弧形滑槽末端与桌面相切第一次实验时，滑槽固定于桌面右端，末端与桌子右端M对齐，滑块从滑槽顶端由静止释放，落在水平面的P点；第二次实验时，滑槽固定于桌面左侧，测出末端N与桌子右端M的距离为L，滑块从滑槽顶端由静止释放，落在水平面的Q点，已知重力加速度为g，不计空气阻力图10(1)实验还需要测出的物理量是_(用选项前字母表示)A滑槽的高度hB桌子的高度HCO点到P点的距离d1DO点到Q点的距离d2E滑块的质量m(2)根据(1)中测出的物理量，写出动摩擦因数的表达式是_.(3)如果第二次实验时，滑块没有滑出桌面，测得滑行距离为s.则动摩擦因数可表示为_.答案(1)BCD(2)(3)解析(1)还需要测出的物理量是桌子的高度H、O点到P点的距离d1、O点到Q点的距离d2；故应填写BCD.(2)根据题意，由动能定理可得mgLm()2m()2，t ，解得.(3)根据题意，由动能定理可得mgs0m()2，t ，解得.7 (xx新课标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11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11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xE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12中的直线是实验测量得到的sx图线从理论上可推出，如果h不变m增加，sx图线的斜率会_(填“增大”、“减小”或“不变”)；如果m不变，h增加，sx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x的_次方成正比图12答案(1)ABC(2)(3)减小增大二解析(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hgt2，sv0t，解得v0s所以Ekmv.由此可知需要测量的量有m、s、h，故选A、B、C.(2)由(1)的解析知Ek.(3)在 x相同的情形下，弹簧的弹性势能相同，由Epmv可知：在m增加时，速度v0减小，因而h不变时s减小，故图线的斜率减小m不变时，v0不变，h增加时，时间变长，s变大，故图线的斜率增大由sx图象可知，s正比于x，即skx.则Epmvx2kx2所以Ep与x的二次方成正比