高考物理通用版大二轮复习讲义专题十 实验及拓展创新 第1课时.docx
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高考物理通用版大二轮复习讲义专题十实验及拓展创新第1课时
第1课时 力学实验
高考命题点
命题轨迹
情境图
长度测量及读数
力的研究
2017
3卷22
17（3）22题
18
（1）22题
2018
1卷22
2019
3卷22
“纸带类”实验
2016
1卷22,3卷23
16
（1）22题
16（3）23题
19
（1）22题
19
（2）22题
2019
1卷22,2卷22
验证动量守恒定律
拓展创新
实验
2015
1卷22,2卷22
15
（1）22题
15
（2）22题
16
（2）22题
17
（1）22题
17
（2）22题
18
（2）23题
2016
2卷22
2017
1卷22,2卷22
2018
2卷23,3卷22
例1 （2019·安徽蚌埠市第二次质检）用螺旋测微器测量一根导体棒的直径，刻度如图1甲所示，读数为________mm；小明用游标为20分度的游标卡尺测量某个圆筒的深度，部分刻度如图乙所示，读数为________cm.
图1
答案 4.223（4.222～4.225） 2.185
解+析 螺旋测微器的固定刻度为4.0mm，可动刻度为22.3×0.01mm＝0.223mm，所以最终读数为4.0mm＋0.223mm＝4.223mm；这种游标卡尺的游标尺刻度是把主尺刻度19mm的长度，分为20等份，每等份为0.95mm，游标尺上第17个刻度和主尺上38mm刻度对齐，读数为38mm－17×0.95mm＝21.85mm＝2.185cm.
拓展训练1 （2019·广东揭阳市第一次模拟）某同学用频闪照相法“研究小球的自由落体运动”，选择一张清晰的频闪照片，剪掉前面小球重叠部分进行研究，如图2.已知小球在释放位置时，球心与刻度尺的零刻度线对齐．
根据照片中刻度尺的数据，请读出小球运动到照片中第5个像点时下落的高度为________m.
图2
答案 0.2120
解+析 由题图可知，下落的高度h＝21.20cm＝0.2120m.
拓展训练2 （2019·山东烟台市第一学期期末）图3中游标卡尺的读数是________mm，螺旋测微器的读数是________mm.
图3
答案 10.50 5.315（5.312～5.318）
解+析 游标卡尺的主尺读数为：
1.0cm＝10mm，游标尺上第10个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标尺读数为10×0.05mm＝0.50mm，所以最终读数为：
10mm＋0.50mm＝10.50mm.
螺旋测微器的固定刻度为5.0mm，可动刻度为31.5×0.01mm＝0.315mm，所以最终读数为5.0mm＋0.315mm＝5.315mm（5.312～5.318mm）．
例2 （2019·安徽蚌埠市第三次质量检测）某小组利用橡皮筋（弹力满足胡克定律）“验证力的平行四边形定则”，如图4甲所示，把贴有白纸的木板放在水平桌面上，他们将完全相同的三根橡皮筋的一端都固定在结点O处，另一端分别系上细线，仍保证橡皮筋原长相同，测得原长L0＝4.40cm.沿平行于纸面的方向分别通过细线将三根橡皮筋拉至某一长度（在弹性限度内），保持状态不变，如图乙所示，记录此时结点的位置和三根橡皮筋另一端的位置，量出三个端点到结点O的距离分别为L1＝9.40cm，L2＝8.40cm，L3＝7.40cm.若三根橡皮筋产生的弹力分别为F1、F2、F3，图中已作出F1的图示．
图4
（1）请根据F1的大小比例分别作出F2和F3的图示，并根据平行四边形定则画出F2和F3的合力F合；
（2）请在图中画出与F2和F3共同作用效果相同的力F的图示．若F合与F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则．
答案 见解+析
解+析 根据题意得出三根橡皮筋的形变量分别为Δx1＝9.40cm－4.40cm＝5.00cm，Δx2＝8.40cm－4.40cm＝4.00cm，Δx3＝7.40cm－4.40cm＝3.00cm，橡皮筋的弹力与形变量成正比，按比例作出平衡时F2和F3的图示、两个力的合力F合的图示，以及共同作用相同的力效果F的图示，如图
拓展训练3 （2019·河南省八市重点高中联盟第三次模拟）一个实验小组在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中：
图5
（1）甲同学在做该实验时，通过处理数据得到了图5甲所示的F－x图象，其中F为弹簧弹力，x为弹簧长度．请通过图甲，分析并计算，该弹簧的原长x0＝________cm，弹簧的劲度系数k＝________N/m.该同学将该弹簧制成一把弹簧秤，当弹簧秤的示数如图乙所示时，该弹簧的长度x＝________cm.
（2）乙同学使用两条不同的轻质弹簧a和b，得到弹力与弹簧长度的图象如图丙所示．下列表述正确的是________．
A．a的原长比b的长
B．a的劲度系数比b的大
C．a的劲度系数比b的小
D．测得的弹力与弹簧的长度成正比
答案
（1）8 25 20
（2）B
解+析
（1）当弹力为零时，弹簧处于原长状态，故原长为x0＝8cm，在F－x图象中斜率代表弹簧的劲度系数，则k＝
＝
N/m＝25N/m，在题图乙中弹簧秤的示数F′＝3.0N，可知：
x′＝
＝
m＝0.12m＝12cm，故此时弹簧的长度x＝x′＋x0＝20cm.
（2）在题图丙中，当弹簧的弹力为零时，弹簧处于原长，故b的原长大于a的原长，故A错误；斜率代表劲度系数，故a的劲度系数大于b的劲度系数，故B正确，C错误；弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比，故D错误．
拓展训练4 （2019·福建宁德市5月质检）某实验小组用一只弹簧测力计和一个量角器等器材“验证力的平行四边形定则”，设计的实验装置如图6.固定在竖直木板上的量角器直边水平，橡皮筋一端固定在量角器圆心O的正上方A点，另一端系绳套1和绳套2.
图6
（1）实验步骤如下：
①弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达O点，记下弹簧测力计的示数F；
②弹簧测力计挂在绳套1上，手拉着绳套2，缓慢拉橡皮筋，使橡皮筋的结点达到O点，此时绳套1沿0°方向，绳套2沿120°方向，弹簧测力计的示数为F1;
③根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1′＝________；
④比较________________，即可初步验证力的平行四边形定则．
（2）将绳套1由0°方向缓慢转动到60°方向，同时绳套2沿120°方向不变，此过程中保持橡皮筋的结点在O点不动，关于绳套1的拉力大小的变化，下列结论正确的是________．
A．逐渐增大B．先增大后减小
C．逐渐减小D．先减小后增大
答案
（1）③
F ④F1与F1′的大小
（2）D
解+析
（1）③根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1′＝Ftan30°＝
F；
④比较F1和F1′的大小，即可初步验证力的平行四边形定则．
（2）保持绳套2方向不变，绳套1从图示位置向下缓慢转动60°，此过程中保持橡皮筋的结点在O处不动，说明两个细绳拉力的合力不变，作图如下：
由图可知，绳套1的拉力先减小后增大，故A、B、C错误，D正确．
例3 （2019·吉林“五地六校”合作体联考）如图7甲所示装置可以进行以下实验：
A．“研究匀变速直线运动”
B．“验证牛顿第二定律”
C．“研究合外力做功和物体动能变化关系”
图7
（1）在A、B、C这三个实验中，________需要平衡摩擦阻力．
（2）已知小车的质量为M，盘和砝码的总质量为m，且将mg视为细绳对小车的拉力，为此需要满足m≪M.前述A、B、C三个实验中，________不需要满足此要求．
（3）如果用此装置做“研究合外力做功和物体动能变化关系”这个实验，由此可求得如图乙纸带上（纸带上除O点以外的其他点为连续点且相邻两点时间间隔为T）由O点到D点所对应的运动过程中，盘和砝码受到的重力所做功的表达式W＝________，该小车动能改变量的表达式ΔEk＝________.由于实验中存在系统误差，所以W________ΔEk（选填“小于”“等于”或“大于”）．
答案
（1）BC
（2）A （3）mgx4
大于
解+析
（1）在A、B、C这三个实验中，“验证牛顿第二定律”“研究合外力做功和物体动能变化关系”都需要平衡摩擦阻力；
（2）已知小车的质量为M，盘和砝码的总质量为m，且将mg视为细绳对小车的拉力，为此需要满足m≪M.前述A、B、C三个实验中，实验A只需要小车做匀加速运动即可，不需要满足此要求；
（3）纸带上由O点到D点所对应的运动过程中，盘和砝码受到的重力所做功的表达式：
W＝mgx4；
打D点时的速度：
vD＝
，
则小车动能的改变量：
ΔEk＝
M（
）2＝
；
由于实验中存在系统误差，所以盘和砝码受到的重力所做功W大于小车动能的改变量ΔEk.
拓展训练5 （2019·全国卷Ⅰ·22）某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行探究．物块拖动纸带下滑，打出的纸带一部分如图8所示．已知打点计时器所用交流电的频率为50Hz，纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出．在A、B、C、D、E五个点中，打点计时器最先打出的是______点．在打出C点时物块的速度大小为________m/s（保留3位有效数字）；物块下滑的加速度大小为________m/s2（保留2位有效数字）．
图8
答案 A 0.233 0.75
解+析 根据题述，物块加速下滑，在A、B、C、D、E五个点中，打点计时器最先打出的是A点．根据刻度尺读数规则可读出，B点对应的刻度为1.20cm，C点对应的刻度为3.15cm，D点对应的刻度为5.85cm，E点对应的刻度为9.30cm，AB＝1.20cm，BC＝1.95cm，CD＝2.70cm，DE＝3.45cm.两个相邻计数点之间的时间T＝5×
s＝0.10s，根据做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得，打出C点时物块的速度大小为vC＝
≈0.233m/s.由逐差法可得a＝
，解得a＝0.75m/s2.
拓展训练6 （2019·四川南充市第二次适应性考试）“验证机械能守恒定律”的实验装置如图9甲所示，图乙为实验所得的一条纸带，在纸带上选取了点迹清晰的连续7个点，若只测出了点4与点0之间的距离为h4以及点6与点0的距离h6，已知打点周期为T，当地重力加速度为g.（以下的三个结论均由题中所给符号表示）
图9
（1）打点5时重物的速度v＝________；
（2）由已知条件从理论上计算点5到点0的距离h5＝________；
（3）若打点0时重物的速度为零，则要验证从点0到点5间重物下落过程中机械能守恒的等式为____________________________．
答案
（1）
（2）
（3）g（h4＋h6－gT2）＝
解+析
（1）打点5时重物的速度v＝
；
（2）h6－h4＝h45＋h56而h56－h45＝gT2，
则h45＝
（h6－h4－gT2），
则h5＝h4＋h45＝
（h4＋h6－gT2）
（3）要验证的等式是：
mgh5＝
mv2
即g（h4＋h6－gT2）＝
.
拓展训练7 （2019·全国卷Ⅱ·22）如图10，某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验．所用器材有：
铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50Hz的交流电源、纸带等．回答下列问题：
图10
（1）铁块与木板间动摩擦因数μ＝______（用木板与水平面的夹角θ、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示）．
（2）某次实验时，调整木板与水平面的夹角θ＝30°.接通电源，开启打点计时器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下．多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图11所示．图中的点为计数点（每两个相邻的计数点间还有4个点未画出）．重力加速度为9.80m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为________（结果保留2位小数）．
图11
答案
（1）
（2）0.35
解+析
（1）对铁块受力分析，由牛顿第二定律有
mgsinθ－μmgcosθ＝ma，解得μ＝
.
（2）两个相邻计数点之间的时间间隔
T＝5×
s＝0.10s，
由逐差法和Δx＝aT2可得
a＝
≈1.97m/s2，
代入μ＝
，解得μ≈0.35.
例4 （2019·广东清远市期末质量检测）某校学生“验证Fn＝m
”的实验中，设计了如下实验：
（如图12）
图12
第1步：
先用粉笔在地上画一个直径为2L的圆；
第2步：
通过力传感器，用绳子绑住一质量为m的物块，人站在圆内，手拽住绳子离物块距离为L的位置，用力甩绳子，使物块做匀速圆周运动，调整位置，让转动物块的手肘的延长线刚好通过地上的圆心，量出手拽住处距离地面的高度为h，记下力传感器的读数为F；
第3步：
转到一定位置时，突然放手，让物块自由抛出去；
第4步：
另一个同学记下物块的落地点C，将通过抛出点A垂直于地面的竖直线在地面上的垂足B与落地点C连一条直线，这条直线近似记录了物块做圆周运动时的地面上的投影圆在B处的运动方向，量出BC间的距离为s.
第5步：
保持物块做圆周运动半径不变，改变物块做圆周运动的速度，重复上述操作．
试回答：
（用题中的m、L、h、s和重力加速度g表示）
（1）放手后，物块在空中运动的时间t＝________.
（2）物块做圆周运动的速度v0＝________.
（3）物块落地时的速度v＝________.
（4）在误差范围内，有F＝________.
答案
（1）
（2）s
（3）
（4）
解+析
（1）物块飞出后做平抛运动，根据h＝
gt2得，物块在空中运动的时间t＝
.
（2）物块做圆周运动的速度v0＝
＝s
；
（3）落地时的竖直分速度vy＝
，根据平行四边形定则知，物块落地时的速度v＝
＝
（4）绳子的拉力等于物块做圆周运动的向心力，则拉力F＝Fn＝m
＝
.
拓展训练8 （2019·山东青岛二中上学期期末）为了测定滑槽对物体的摩擦力所做功的大小，利用刻度尺和如图13所示的实验装置进行实验．其中，a是质量为m的小球（可视为质点），b是固定于桌面的滑槽（滑槽末端切线沿水平方向），实验时让小球a从滑槽上同一位置C点多次由静止释放滑下，落在地面上的平均落地点为p点，当地重力加速度为g，不计空气阻力．则实验时
图13
（1）需要测量的物理量（用文字和字母表示）：
________、________、________.
（2）计算滑槽b对小球a的摩擦力所做的功的关系式（用测得的物理量的字母表示）：
Wf＝________.
答案
（1）C点到桌面的高度h1 桌面到地面的高度h2 O点到p点的水平距离x
（2）
－mgh1
解+析
（1）实验中需要测量的物理量有：
C点到桌面的高度h1，桌面到地面的高度h2，O点到p点的水平距离x；
（2）设小球离开滑槽时的速度是v，在空中的运动时间为t，小球离开滑槽后做平抛运动，
在水平方向上，做匀速直线运动：
x＝vt①
在竖直方向上做自由落体运动：
h2＝
gt2②
由①②计算得出：
v＝x
小球从C点滑到滑槽末端的过程中，由动能定理可得：
mgh1＋Wf＝
mv2－0，
故可得Wf＝
－mgh1.
例5 （2019·东北三省四市教研联合体模拟）某研究性学习小组要研究弹簧的劲度系数与绕制弹簧的金属丝直径间的关系，为此他们选择了同种材料制成的不同直径的钢丝来绕制弹簧．
（1）进行此项实验需要采用控制变量法，除了材料相同外，你认为还应控制哪些因素相同（写出两项即可）：
________________、________________.
（2）用游标卡尺测量绕制弹簧的钢丝直径，某次测量示数如图14所示，则该钢丝的直径为________mm；
图14
（3）根据下表中相关数据，分析可得：
在其他条件相同的情况下，弹簧的劲度系数与其所用钢丝直径的________次幂成正比．
劲度系数k（N/m）
钢丝的直径D（mm）
D－1（mm－1）
D2
（mm2）
D3
（mm3）
D4
（mm4）
1
132
0.9
1.11
0.81
0.73
0.66
2
414
1.2
0.83
1.44
1.73
2.07
3
1012
1.5
0.67
2.25
3.38
5.06
答案
（1）弹簧的自然长度、总匝数[单位长度的匝数、弹簧圈的直径（半径）、弹簧的粗细、弹簧的横截面积]
（2）1.4 （3）4
解+析
（1）由题意可知，本实验主要探究弹簧的劲度系数与材料直径的关系，根据控制变量法可知，还要保证弹簧的自然长度、总匝数、单位长度的匝数等相同；
（2）由题图可知，游标卡尺是10分度的，主尺上的读数为0.1×10mm＝1mm，游标尺上读数为0.1×4mm＝0.4mm，故读数为1mm＋0.4mm＝1.4mm；（3）根据表中数据可知，
＝
＝
＝200，故弹簧的劲度系数与其所用钢丝直径的4次幂成正比．
拓展训练9 （2019·陕西汉中市下学期模拟）某同学将带滑轮的滑板放置在水平桌面上，调节滑板上表面水平，将力传感器固定在小车上，然后把绳的一端固定在传感器拉钩上，用来测量绳对小车的拉力，在小车及传感器总质量不变的情况下，探究加速度跟它们所受拉力的关系时，根据测得的数据在坐标系中作出了如图15所示的a－F图象．
图15
（1）由a－F图象可知小车和传感器的总质量为______kg.（保留两位有效数字）
（2）图象不过坐标原点的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
（3）为使图象过原点可垫高滑板的________（填“左”或“右”）侧，使传感器拉钩不挂绳时，小车能做________（填“加速”“匀速”或“减速”）运动．
答案
（1）0.50
（2）未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足 （3）右 匀速
解+析
（1）a－F图象中的斜率表示质量的倒数，由题图可知，k＝
＝
kg－1＝2kg－1，所以质量M＝
kg＝0.50kg；
（2）由图象可知，当F≠0时，加速度仍然为零，说明小车与滑板之间有摩擦，未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；
（3）为使图象过原点必须要平衡摩擦力，可垫高滑板的右侧，使传感器拉钩不挂绳时，小车能做匀速运动．
例6 （2019·陕西宝鸡市高考模拟检测
（二））某同学利用如图16甲所示装置来“验证机械能守恒定律”．将长为L的轻绳一端固定在O点，另一端拴在一个质量为m的正方体小铁块A上，在小铁块A的上表面边缘放一个小铁片．将铁块拉起，使绳拉直且偏离竖直方向成θ角时由静止开始释放铁块，当其到达最低点时，受到竖直挡板P阻挡而停止运动，之后铁片将飞离铁块A做平抛运动．
图16
（1）用20分度的游标卡尺测量正方体铁块厚度d的结果如图乙所示，则d＝________cm；
（2）若测得小铁片从水平抛出到落到地面的水平位移x和竖直位移y，就可求得小铁片做平抛运动的初速度v0＝________（已知重力加速度为g）．若假设铁块与小铁片运动到最低点时的速度为v，则v与v0的大小关系为v________v0（填“＝”“＞”或“＜”）；
（3）该同学在实验中发现，若θ角改变，小铁片平抛运动的水平位移x随之发生改变．于是他多次实验，得到了多组（θ，x）值，通过计算分析得出了“铁块与小铁片一起由静止释放到运动到最低点过程中机械能守恒”的结论，并作出了x2随cosθ变化的x2－cosθ图象，你认为他作出的x2－cosθ图象应该是图中的________（实验中近似认为v＝v0）．
答案
（1）2.350
（2）
＞ （3）C
解+析
（1）游标卡尺的主尺刻度为23mm，游标尺刻度为10×0.05mm＝0.50mm，
所以d＝23mm＋0.50mm＝23.50mm＝2.350cm；
（2）根据铁片做平抛运动有：
x＝v0t①
y＝
gt2②
联立①②可解得：
v0＝
；
由于存在阻力作用，故根据平抛运动的规律计算的速度小于实际速度；
（3）铁块与小铁片下落过程中机械能守恒，设小铁片质量为m0，则（m＋m0）gh＝
（m＋m0）v2
又v＝v0，h＝L（1－cosθ）
联立得gL（1－cosθ）＝
即：
x2＝－4yLcosθ＋4yL
所以x2－cosθ图象应该是图中的C.
拓展训练10 （2019·山东菏泽市下学期第一次模拟）某同学用气垫导轨做“验证动能定理”实验装置，如图17甲所示，重力加速度为g，按要求完成下列问题．
图17
（1）实验前先用游标卡尺测出遮光条的宽度，测量示数如图乙所示，则遮光条的宽度d＝________mm.
（2）实验中需要的操作是________．
A．调节螺钉，使气垫导轨水平
B．调节定滑轮，使连接滑块的细线与气垫导轨平行
C．滑块与遮光条的总质量M一定要远大于钩码的质量m
D．使滑块释放的位置离光电门适当远一些
（3）按图示安装并调节好装置，开通气源，将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为Δt，则滑块通过光电门时的速度为v＝________（用测得的物理量字母表示）．
（4）若保持钩码质量不变，改变滑块开始释放的位置，测出每次释放的位置到光电门的距离x及每次实验时遮光条通过光电门的时间Δt，通过描点作出线性图象来反映合力的功与动能改变量的关系，则所作图象关系是________时才能符合实验要求．
A．x－ΔtB．x－（Δt）2
C．x－（Δt）－1D．x－（Δt）－2
答案
（1）5.45
（2）ABD （3）
（4）D
解+析
（1）游标卡尺的主尺读数为5mm，游标尺读数为0.05mm×9＝0.45mm，所以最终读数为5.45mm.
（2）调节螺钉使气垫导轨水平，A项正确；为了使细线的拉力等于滑块受到的合外力，调节定滑轮，使连接滑块的细线与气垫导轨平行，B项正确；对于系统来说，无需滑块与遮光条的总质量M远大于钩码的质量m，C项错误；使滑块释放的位置离光电门适当远一些，可以减小测量滑块运动位移的相对误差，D项正确．
（3）滑块通过光电门时的速度v＝
（4）由mgx＝
（M＋m）（
）2得x＝
·（Δt）－2，因此D项正确．
专题强化练
（限时20分钟）
1．（2019·吉林“五地六校”合作体联考）如图1所示实验装置，a、b是两个半径相等的小球．某同学按照以下步骤研究弹性正碰实验操作：
图1
①在平木板表面钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于紧靠槽口处，使小球a从斜槽轨道上固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O；
②将木板水平向右移动一定距离并固定，再使小球a从固定点处由静止释放，撞到木板上．重复多次，用尽可能小的圆把小球的落点圈在里面，其圆心
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