届高考物理二轮复习专题突破教案专题九 实验技能与创新1.docx

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届高考物理二轮复习专题突破教案专题九实验技能与创新1

专题九实验技能与创新

第1讲：

力学实验与创新

一、学习目标

1、掌握探究弹力和弹簧伸长的关系的实验原理及数据处理

2、掌握验证力的平行四边形定则的实验原理及数据处理

3、掌握验证牛顿运动定律的实验原理及数据处理

4、学会探究动能定理实验时的定性分析和定量计算

5、掌握验证机械能守恒定律实验的数据处理和误差分析

6、力学实验的创新

二、课时安排

3课时

三、教学过程

高考题型一探究弹力和弹簧伸长的关系

【例1】如图1甲为某同学用力传感器去探究弹簧的弹力和伸长量的关系的实验情景.用力传感器竖直向下拉上端固定于铁架台的轻质弹簧，读出不同拉力下的标尺刻度x及拉力大小F（从电脑中直接读出）.所得数据记录在下列表格中：

图1

拉力大小F/N

0.45

0.69

0.93

1.14

1.44

1.69

标尺刻度x/cm

57.02

58.01

59.00

60.00

61.03

62.00

（1）从图乙读出刻度尺上的刻度值为________cm；

（2）根据所测数据，在图丙坐标纸上作出F与x的关系图象；

（3）由图象求出该弹簧的劲度系数为________N/m、弹簧的原长为________cm.（均保留三位有效数字）

解析　

（1）由图可知，刻度尺的最小分度为0.1cm，故读数为63.60cm；

（2）根据表中数据利用描点法得出对应的图象如图所示；

（3）由胡克定律可知，图象的斜率表示劲度系数，则可知k＝

≈24.85N/m；

图象与横坐标的交点为弹簧的原长，则可知，原长为55.2cm.

答案　

（1）63.60（63.55～63.65）

（2）如图

（3）24.85（24.80～24.90）　55.2（55.0～55.5）

归纳小结

实验数据的处理方法

（1）列表法：

将测得的实验数据填入设计好的表格之中，可以分析两物理量间的定性关系.

（2）图象法：

根据记录的实验数据在平面直角坐标系内进行作图.若是曲线应平滑，若是直线要让尽量多的点过直线，或在直线两侧均匀分布.

（3）函数法：

往往是根据图象得到物理量间的函数关系方程式.

高考题型二验证力的平行四边形定则

【例2】如图2所示，某同学在家中尝试验证力的平行四边形定则，他找到三条长度和粗细相同的橡皮筋（遵循胡克定律），以及重物、刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子等.他设计了如下实验：

①将三条橡皮筋的一端系在一起，另一端分别连一个绳套.②他分别向两边拉住任意两个绳套，测量橡皮筋的长度是否相等.③在墙上A、B两点钉两个钉子，将白纸固定在墙面上合适的位置，再将橡皮筋的两个绳套套在两钉子上，测出此时三条橡皮筋的长.④将重物挂在第三个绳套C上，测量并记录三条橡皮筋的长度并记下结点O的位置.⑤取下白纸，画出受力图，验证平行四边形定则.⑥换用不同的重物并改变A、B的位置重复实验.

图2

（1）实验步骤②的目的是________；

（2）实验步骤④中，有一个重要遗漏是________；

（3）实验步骤⑥中________（选填“要”或“不要”）保证O点位置不变；

（4）为了使实验更准确，下述做法不正确的是________.

A.A、B要一样高B.A、B距离要适当

C.重物质量不能太大D.橡皮筋要与墙面平行

解析　

（1）他分别向两边拉住任意两个绳套，测量橡皮筋的长度是否相等，目的是判断橡皮筋的劲度系数是否相同.

（2）实验步骤④中，有一个重要遗漏是记下拉力的方向.

（3）该实验，橡皮筋遵守胡克定律，结点O处于平衡状态，所受合力为零，通过任意两个力的合力与第三个是否等值反向验证力的平行四边形定则，不要保证O点的位置不变.

（4）在该实验中，A、B不一定要一样高，但是A、B的距离要适当，不能太大，也不能太小，所挂重物的质量适当，不能太大，拉力的方向与墙面平行，则橡皮筋与墙面需平行，故A错误，B、C、D正确.

答案　

（1）判断橡皮筋的劲度系数是否相同

（2）记下拉力的方向

（3）不要

（4）A

归纳小结

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.

高考题型三验证牛顿运动定律

【例3】（2016·全国丙卷·23）某物理课外小组利用图3中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010kg.实验步骤如下：

图3

（1）将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车（和钩码）可以在木板上匀速下滑.

（2）将n（依次取n＝1,2,3,4,5）个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.

（3）对应于不同的n的a值见下表.n＝2时的s-t图象如图4所示；由图7求出此时小车的加速度（保留2位有效数字），将结果填入下表.

n

1

2

3

4

5

a/（m·s－2）

0.20

0.58

0.78

1.00

图4

（4）利用表中的数据在图5中补齐数据点，并作出a-n图象.从图象可以看出：

当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比.

图5

（5）利用a-n图象求得小车（空载）的质量为________kg（保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8m·s－2）.

（6）若以“保持木板水平”来代替步骤

（1），下列说法正确的是________（填入正确选项前的标号）

A.an图线不再是直线

B.an图线仍是直线，但该直线不过原点

C.an图线仍是直线，但该直线的斜率变大

解析　（3）因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将题图中点（2.00,0.78）代入s＝

at2可得，a＝0.39m/s2.

（4）根据描点法可得如图所示图线.

（5）根据牛顿第二定律可得nmg＝（M＋5m）a，则a＝

n，图线斜率k＝

＝

，可得M＝0.44kg.

（6）若保持木板水平，则小车运动中受到摩擦力的作用，n的数值相同的情况下，加速度a变小，直线的斜率变小.绳的拉力等于摩擦力时，小车才开始运动，图象不过原点，选项B正确.

答案　（3）0.39　（4）见解析图　（5）0.44　（6）B

归纳小结

《考试大纲》规定的六个力学实验中有四个涉及打点计时器：

研究匀变速直线运动、探究加速度与力、质量的关系、探究动能定理和验证机械能守恒定律.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Δt＝0.02×5s＝0.1s.

（2）求解瞬时速度

利用做匀变速直线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6所示，打n点时的瞬时速度vn＝

图6

高考题型四探究动能定理

【例4】为验证“拉力做功与物体动能变化的关系”，某同学到实验室找到下列器材：

长木板（一端带定滑轮）、电磁打点计时器、质量为200g的小车、质量分别为10g、30g和50g的钩码、细线、学生电源（有“直流”和“交流”挡）.该同学进行下列操作：

A.组装实验装置，如图7（a）所示

B.将质量为200g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车

C.选用50g的钩码挂在拉线的挂钩P上

D.释放小车，接通打点计时器的电源，打出一条纸带

E.在多次重复实验得到的纸带中选出一条点迹清晰的纸带，如图（b）所示

F.进行数据采集与处理

图7

请你完成下列问题：

（1）进行实验时，学生电源应选择用________挡（选填“直流”或“交流”）.

（2）该同学将纸带上打出的第一个点标为“0”，且认为打“0”时小车的速度为零，其后依次标出计数点1、2、3、4、5、6（相邻两个计数点间还有四个点未画），各计数点间的时间间隔为0.1s，如图（b）所示.该同学测量出计数点0到计数点3、4、5的距离，并标在图（b）上.则在打计数点4时，小车的速度大小为________m/s；如果将钩码的重力在数值上当作小车所受的拉力，则在打计数点0到4的过程中，拉力对小车做的功为________J，小车的动能增量为________J.（取重力加速度g＝9.8m/s2，结果均保留两位有效数字）

（3）由

（2）中数据发现，该同学并没有能够得到“拉力对物体做的功等于物体动能增量”的结论，且对其他的点（如2、3、5点）进行计算的结果与“4”计数点相似.你认为产生这种实验结果的主要原因有（写出两条即可）

①______________________________________________________________________；

②______________________________________________________________________.

解析　

（1）打点计时器是一种计时仪器，使用交流电源；

（2）根据匀变速直线运动中中间时刻的速度等于该过程中的平均速度，相邻的两个计数点间的时间间隔为T＝0.1s，

得：

v4＝

＝

m/s＝0.58m/s，

在打计数点0到4的过程中，拉力对小车做的功为：

W＝mgx04＝0.05×9.8×0.12J≈0.059J；

小车的动能增量为：

ΔEk＝

Mv

＝

×0.2×0.582J≈0.034J；

（2）该实验产生误差的主要原因一是钩码重力大小并不等于绳子拉力的大小，设绳子上拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：

F＝Ma①

对钩码有：

mg－F＝ma②

F＝

mg，

由此可知当M≫m时，钩码的重力等于绳子的拉力，显然该实验中没有满足这个条件；另外该实验要进行平衡摩擦力操作，否则也会造成较大误差.

答案　

（1）交流

（2）0.58　5.9×10－2　3.4×10－2

（3）①小车质量不满足远大于钩码质量；②没有平衡摩擦力；③没考虑钩码动能的增加.

归纳小结

在探究动能定理时，通常有定性分析和定量计算两种考查方式.定性分析一般要求作出W－v2图象，也可以拓展为与W或v2相关的物理量间的关系图象，如l－v2等；定量计算时需要用W＝Fl计算合外力做的功，再利用ΔEk＝

mv2－

mv

计算出动能的变化量，比较即可.

高考题型五验证机械能守恒定律

【例5】（2016·全国乙卷·22）某同学用图8（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz，打出纸带的一部分如图（b）所示.

图8

该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其它题给条件进行推算.

（1）若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图（b）中给出的物理量可以写出：

在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，打出C点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度大小为________.

（2）已测得s1＝8.89cm，s2＝9.50cm，s3＝10.10cm；当重力加速度大小为9.80m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为________Hz.

解析　

（1）由于重物匀加速下落，B点的速度vB等于AC段的平均速度，即vB＝

由于T＝

，故vB＝

（s1＋s2）

同理可得vC＝

（s2＋s3）

匀加速直线运动的加速度a＝

故a＝

＝

＝

（s3－s1）①

（2）重物下落的过程中，由牛顿第二定律可得

mg－F阻＝ma②

由已知条件F阻＝0.01mg③

由②③得a＝0.99g

由①得f＝

，代入数据得f≈40Hz

答案　

（1）

（s1＋s2）　

（s2＋s3）　

（s3－s1）　

（2）40

归纳小结

1.验证机械能守恒定律的数据处理

方法一：

利用起始点和第n点计算.代入ghn和

v

，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝

v

，则验证了机械能守恒定律.

方法二：

任取两点计算.任取两点A、B测出hAB，算出ghAB；算出

v

－

v

的值；在实验误差允许的范围内，若ghAB＝

v

－

v

，则验证了机械能守恒定律.

方法三：

图象法.从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以

v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出

v2－h图线.若在实验误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律.

2.误差分析

教材中验证机械能守恒定律的实验是利用自由落体运动进行研究的，在重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量一定略小于重力势能的减少量，这是不可避免的，属于系统误差.而利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律，动能的减少量略大于重力势能的增加量，所以在对误差进行分析时，要根据实验方法和条件合理分析，不能盲目套用公式或结论.

高考题型六力学创新实验

【例6】（2016·全国甲卷·22）某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图9所示：

轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接.向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能.

图9

（1）实验中涉及到下列操作步骤：

①把纸带向左拉直

②松手释放物块

③接通打点计时器电源

④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量

上述步骤正确的操作顺序是________（填入代表步骤的序号）.

（2）图10中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为50Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s.比较两纸带可知，________（填“M”或“L”）纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.

图10

解析　

（1）根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②.

（2）物块脱离弹簧时速度最大，v＝

＝

m/s＝1.29m/s；由动能定理ΔEp＝

mv2，据纸带中打点的疏密知M纸带获得的最大速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大.

答案　

（1）④①③②　

（2）1.29　M

四、板书设计

1、探究弹力和弹簧伸长的关系

2、验证力的平行四边形定则

3、验证牛顿运动定律

4、探究动能定理

5、验证机械能守恒定律

6、力学创新实验

五、作业布置

完成实验技能与创新

（1）的课时作业

六、教学反思

借助多媒体形式，使同学们能直观感受本模块内容，以促进学生对所学知识的充分理解与掌握。

采用启发、诱思、讲解和讨论相结合的方法使学生充分掌握知识。

进行多种题型的训练，使同学们能灵活运用本节重点知识。