高三物理二轮复习第一部分专题五物理实验第1讲力学实验学案.docx
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高三物理二轮复习第一部分专题五物理实验第1讲力学实验学案
专题五物理实验第1讲力学实验
2016高考导航——适用于全国卷Ⅰ
热点聚焦
备考对策
1.实验基本能力：
重点考查游标卡尺、螺旋测微器、多用电表等的读数、构造、原理、重要实验方法、实验器材的选择、电路实物连线和运用图象与表格分析处理实验数据、实验结论、误差分析及电学实验中的故障分析等.
2.设计与创新能力：
要求考生将教材中的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，以完成新的实验要求的设计性实验，将逐步取代对原教材中实验的考查.
3.实验题类型近年高考通常为“一力一电”模式.
1.重点关注游标卡尺、螺旋测微器、多用电表、电阻箱等的读数，电表量程、滑动变阻器及实验电路的选取等.
2.“源于课本，不拘泥于课本”一直是高考实验题命题的理念，所以熟悉课本实验、抓住实验的灵魂——原理，是我们复习的重中之重.
3.知识创新型实验．例如设计型、开放型、探讨型实验等都有不同程度的创新，比如利用所学知识设计出很多测量重力加速度的实验方案．其中，力学设计性实验在近年高考中有加强的趋势，应引起高度重视.
第1讲 力学实验
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：
测量值＝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＋估读值．
注意要估读到0.001mm.
（3）用纸带求加速度的方法：
利用a＝
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.
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．
热点一 游标卡尺和螺旋测微器的读数
命题规律 游标卡尺和千分尺的正确使用和读数是高考考查的热点，题型为填空题．
（2015·高考海南卷）某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度，测量结果如图甲和乙所示．该工件的直径为________cm，高度为________mm.
[突破点拨]
（1）游标卡尺读数时不估读．
（2）螺旋测微器读数时要估读到毫米千分位．
[解析] 题图甲为20分度的游标卡尺，其精度为0.05mm.主尺读数为12mm，游标尺上第4条刻线与主尺上的一条刻线对齐，故测量结果为12mm＋4×0.05mm＝12.20mm＝1.220cm.螺旋测微器的精度为0.01mm，由题图乙知固定刻度读数为6.5mm，可动刻度读数为“36.0”，故工件的高度为6.5mm＋36.0×0.01mm＝6.860mm.
[答案] 1.220 6.860
[总结提升]
（1）游标卡尺不估读，以mm为单位，10分度卡尺读数，小数点后只有1位，20分度和50分度读数，小数点后有2位．
（2）螺旋测微器要估读，以mm为单位，小数点后必须有3位，同时还要注意半毫米刻度线是否露出．
热点二 纸带类实验问题的处理（含频闪照相）
命题规律 力学实验中有多个实验都要用到打点计时器（如研究匀变速直线运动的规律、验证牛顿运动定律、验证机械能守恒定律等），正确使用打点计时器并根据纸带进行正确的数据运算，是高考考查的热点，题型为填空题．
（2015·江西八校联考）为了探究质量一定时加速度与力的关系．一同学设计了如图所示的实验装置．其中M为带滑轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量．（滑轮质量不计）
（1）实验时，一定要进行的操作或保证的条件是________．
A．用天平测出砂和砂桶的质量
B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力
C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数
D．改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带
E．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M
（2）该同学在实验中得到如图所示的一条纸带（相邻两计数点间还有两个点没有画出）．已知打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为________m/s2（结果保留两位有效数字）．
（3）以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a－F图象是一条直线，图线与横轴的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为________．
A．2tanθB．
C．kD．
[突破点拨]
（1）对小车的拉力数值等于测力计示数的____倍，平衡摩擦后，该拉力即为小车受到的合力．
（2）用逐差公式求加速度．
（3）θ角与a、F轴的单位长度选取有关，故小车质量不能用θ表示，用F、m、a列出的牛顿第二定律方程为_______________________________．
[解析]
（1）由实验原理图可以看出，由弹簧测力计的示数可得到小车所受的合外力的大小，故不需要测砂和砂桶的质量，也不需要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M，A、E错；为保证绳上拉力提供合外力，必须平衡摩擦力，B对；小车应靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，同时读出弹簧测力计的示数，C对；为了多测几组数据，需改变砂和砂桶的质量多做几次实验，D对．
（2）由逐差法可得：
小车的加速度
a＝
，将T＝
×3s＝0.06s，代入可得a＝1.3m/s2.
（3）由题图结合牛顿第二定律，有2F＝M·a，
得a＝
·F
则图象斜率k＝
，得小车的质量M＝
，故A、B、C错，D对．
[答案]
（1）BCD
（2）1.3 （3）D
[总结提升]
打点计时器及纸带类问题的处理方法
（1）打点计时器的认识和正确使用
①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工作时应先接通电源，后释放纸带．
（2）纸带的应用
①判断物体的运动性质．
a．若Δx＝0，则可判定物体做匀速直线运动．
b．若Δx不为零且为定值，则可判定物体做匀变速直线运动．
②求解瞬时速度．
如图所示，打n点时的速度vn＝
.
③用“逐差法”求加速度．
如图所示，由（x4＋x5＋x6）－（x1＋x2＋x3）＝a（3T）2
得a＝
.
热点三 用图象处理实验数据
命题规律 用图象处理实验数据是历年高考实验题的命题热点，力学实验、电学实验中都可能出现．这是考生必备的能力之一．
（2015·高考山东卷）某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则．
实验步骤：
①将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向．
②如图甲所示，将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上，另一端用圆珠笔尖竖直向下拉，直到弹簧秤示数为某一设定值时，将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2，记录弹簧秤的示数F，测量并记录O1、O2间的距离（即橡皮筋的长度l）．每次将弹簧秤示数改变0.50N，测出所对应的l，部分数据如下表所示：
甲
F/N
0
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
l/cm
l0
10.97
12.02
13.00
13.98
15.05
③找出②中F＝2.50N时橡皮筋两端的位置，重新标记为O、O′，橡皮筋的拉力记为FOO′.
乙
④在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图乙所示．用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端，使秤钩的下端达到O点，将两笔尖的位置标记为A、B，橡皮筋OA段的拉力记为FOA，OB段的拉力记为FOB．
完成下列作图和填空：
（1）利用表中数据在坐标纸上画出F－l图线，根据图线求得l0＝________cm.
（2）测得OA＝6.00cm，OB＝7.60cm，则FOA的大小为________N.
（3）根据给出的标度，在图丁中作出FOA和FOB的合力F′的图示．
丁
（4）通过比较F′与________的大小和方向，即可得出实验结论．
[突破点拨]
（1）作出F－l图象与l轴的交点横坐标即为l0.
（2）“在秤钩处涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上”，即为“活结”，则FOA＝FOB．求FOA可根据橡皮筋的总长度（OA＋OB）在F－l中查出．
[解析]
（1）根据表格数据，作出F－l图线，图线的横截距即表示橡皮筋原长，因此l0＝10.0cm.
（2）橡皮筋总长l＝OA＋OB＝13.60cm，根据F－l图线，可读出橡皮筋长度l＝13.60cm时的拉力为1.80N.
（3）根据平行四边形定则作图，对角线表示合力F′.
（4）若F′与FOO′在误差范围内大小相等、方向相同，就表明力的平行四边形定则是正确的．
[答案]
（1）如图1所示 10.0（9.8、9.9、10.1均正确）
（2）1.80（1.70～1.90均正确）
（3）如图2所示
（4）FOO′
[总结提升]
利用图象法处理数据时要注意以下几点
（1）注意区别横、纵坐标轴的物理意义、标度及单位．
（2）描点要准、连线不一定通过所有数据点，应尽量使数据点合理地分布在线的两侧，且线要细．
（3）明确图象的斜率、截距的物理意义．
（4）作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化，即“变曲为直”．
力学创新实验
命题规律 创新设计性实验主要考查是否理解实验原理和实验仪器的工作原理，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力，这些对学生的能力要求都较高，是近几年高考命题的热点．
[范例] （2015·山东潍坊二模）用如图所示实验装置测量滑块A与木板间的动摩擦因数．长木板水平固定，细线跨过定滑轮与滑块A、重锤B相连．将细线拉直，测出B离地面的高度h，将重锤从h高处静止释放，B落地后，测出A在木板上滑动的总距离x；改变B释放高度重复实验，实验数据如下表所示．
实验次数
1
2
3
4
5
6
h/cm
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
x/cm
14.7
22.4
30.3
37.6
44.9
52.4
（1）若测得A的质量mA＝3kg，B的质量mB＝1kg，A和B间细线的长度L＝112.0cm，木板的长度l＝98.0cm，要达到实验目的，以上四个量中没有必要测量的是________（用物理量的符号表示）．
（2）作出x随h变化的图象．
（3）由图象并结合
（1）中所测数值求得滑块与木板间的动摩擦因数为________．
[解析]
（1）由题意可知，B距地面的高度为h，A在木板上滑行的距离为x，A、B的质量为mA、mB．从静止释放让它们运动到B着地，根据动能定理得：
mBgh－μmAgh＝
（mA＋mB）v2①
从B着地到A停在木板上，根据动能定理得：
mAv2＝μmAg（x－h）②
由①②解得：
μ＝
③
可知没有必要测量L和l.
（2）作出x随h变化的图象如图所示．
（3）由③得：
x＝
h
根据数学知识得到图象中直线的斜率k＝
由图得：
k≈1.5
代入数据得：
＝1.5
解得μ＝0.2.
[答案]
（1）L、l
（2）见解析图 （3）0.2
[总结提升]
力学创新实验的特点及解法
（1）特点
①以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和力学定律设计实验．
②将实验的基本方法——控制变量法，处理数据的基本方法——图象法、逐差法，融入到实验的综合分析之中．
（2）解法
①根据题目情境，提取相应的力学模型，明确实验的理论依据和实验目的，设计实验方案．
②进行实验，记录数据，应用原理公式或图象法处理实验数据，结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析．
1．（2015·东北三校二联）读出下图中游标卡尺（50分度）与螺旋测微器的示数．
（1）________mm；
（2）________mm.
解析：
（1）主尺读数为4.2cm，游标尺读数为10×0.02mm＝0.20mm，最终读数为4.2cm＋0.20mm＝42mm＋0.20mm＝42.20mm.
（2）固定部分读数为2.5mm，可动部分读数为48.8×0.01mm＝0.488mm，最终读数为2.5mm＋0.488mm＝2.988mm.
答案：
（1）42.20
（2）2.988（2.987～2.989之间均可）
2.（2015·山东济南一模）由于当年实验条件的限制，伽利略无法直接对落体运动进行实验研究，而今天即使在中学实验室里，我们也可以通过实验来验证落体运动的规律．如图是某次实验中获得的质量为m的小球下落时的频闪照片，频闪间隔是
s．根据此照片计算（结果保留三位有效数字）
（1）小球在4.90cm位置处的速度大小为________m/s；
（2）小球下落的加速度大小为________m/s2；
（3）小球在13.60cm位置处的速度大小为________m/s.
解析：
（1）小球在4.90cm位置处的速度大小为
v4.90＝
m/s＝0.984m/s.
（2）由逐差法求加速度，可得
a＝
m/s2＝9.77m/s2.
（3）据v＝v0＋at得：
v13.60＝v4.90＋a·2T＝0.984m/s＋9.77×
m/s＝1.64m/s.
答案：
（1）0.984
（2）9.77 （3）1.64
3.（2015·安徽合肥一模）某同学用两个弹簧测力计、细线和橡皮条做共点力合成实验，最后画出了如图所示的图．
（1）在图上标出的F1、F2、F和F′四个力中，力______不是由弹簧测力计直接测得的，比较力F与力F′的大小和方向基本相同，这就验证了共点力合成的平行四边形定则．
（2）某同学对此实验的一些说法，其中正确的是（ ）
A．如果手头只有一个弹簧测力计，改变方法也可以完成实验
B．用两个测力计拉线时，橡皮条应沿两线夹角的角平分线
C．拉橡皮条的线要长一些，用以标记同一细线方向的两点要相距远些
D．拉橡皮条时，细线应沿弹簧测力计的轴线
E．在用一个测力计和同时用两个测力计拉线时，只需这两次橡皮条的伸长量相同就行
解析：
（1）本实验是通过用两个弹簧测力计的拉力作出的平行四边形得出合力，只要合力与只用一个弹簧测力计时的拉力基本相同，则实验成功；由题图可知F′是由平行四边形定则得出的，故F′不是由弹簧测力计直接测得的；
（2）如果只有一个弹簧测力计，则可以交替测出各边的拉力，但要保证两次拉的时候效果相同，故A正确；只要橡皮条与线的结点两次都到达同一点即可，即两次效果相同，而对于拉力方向没有限制，橡皮条不需要与两线夹角的角平分线在同一直线上，故B错误；为了减小误差，拉橡皮条的细线需长些，标记方向的两点要远些，故C正确；只有细线和弹簧测力计的轴线在一条直线上时，弹簧的弹力才等于拉橡皮条的拉力，否则易使弹簧或指针与外壳发生摩擦，使误差增大，故D正确；在用一个测力计和同时用两个测力计拉线时，每次要使橡皮条形变的长度和方向都相同，即使结点O拉到同一位置，这样两次的效果才相同，才符合“等效替代”法，故E错误．
答案：
（1）F′
（2）ACD
4．（2015·高考福建卷）某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验．
甲 乙 丙
（1）图甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.73cm；图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度，此时弹簧的伸长量Δl为________cm；
（2）本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是________；（填选项前的字母）
A．逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重
B．随意增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重
（3）图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线OA，造成这种现象的主要原因是________________________________________________________________________．
解析：
（1）弹簧伸长后的总长度为14.66cm，则伸长量Δl＝14.66cm－7.73cm＝6.93cm.
（2）逐一增挂钩码，便于有规律地描点作图，也可避免因随意增加钩码过多超过弹簧的弹性限度而损坏弹簧．
（3）AB段明显偏离OA，伸长量Δl不再与弹力F成正比，是超出弹簧的弹性限度造成的．
答案：
（1）6.93
（2）A （3）弹簧受到的拉力超过了其弹性限度
5．（2015·大连二模）如图所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子．沙桶的总质量（包括桶以及桶内沙子质量）记为m，小车的总质量（包括车、盒子及盒内沙子质量）记为M.
（1）验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：
从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出．多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度．本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变．以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a－F图象，图象是一条过原点的直线．
①a－F图象斜率的物理意义是________________________．
②你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理？
答：
________（选填“合理”或“不合理”）．
③本次实验中，是否应该满足M≫m这样的条件？
答：
________（选填“是”或“否”）；
理由是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
（2）验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：
保持桶内沙子质量m不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系．本次实验中，桶内的沙子总质量不变，故系统所受的合外力不变．用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以________的倒数为横轴．
解析：
（1）①将车内的沙子转移到桶中，就保证了M＋m不变，即系统的总质量不变，研究对象是整个系统，a＝
＝
，可见a－F图象斜率的物理意义是
，②③系统的合外力就等于所悬挂沙桶的总重力mg，不必满足M≫m这样的条件．
（2）向盒子内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量M＋m，而系统的合外力仍等于所悬挂沙桶的重力mg，保证了合外力不变．所以用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应以M＋m的倒数为横轴，即小车质量、盒子及盒内沙子与悬挂的沙桶（包括桶与桶内的沙子）质量之和．
答案：
（1）①系统的总质量的倒数（小车、盒子及盒内沙子、悬挂的桶及桶内沙子质量之和的倒数） ②合理
③否，因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的合外力就等于mg
（2）M＋m
6．（2015·山东文登第三次统考）在探究动能定理的实验中，某实验小组组装了一套如图甲所示的装置，拉力传感器固定在小车上，一端与细绳相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小．穿过打点计时器的纸带与小车尾部相连接，打点计时器打点周期为T，实验的部分步骤如下：
甲
（1）平衡小车所受的阻力：
不挂钩码，调整木板右端的高度，用手轻推小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列________的点．
（2）测量小车和拉力传感器的总质量M，按图组装好仪器，并连接好所需电路，将小车停在打点计时器附近，先接通拉力传感器和打点计时器的电源，然后________，打出一条纸带，关闭电源．
（3）在打出的纸带中选择一条比较理想的纸带如图乙所示，在纸带上按打点先后顺序依次取O、A、B、C、D、E等多个计数点，各个计数点到O点间的距离分别用hA、hB、hC、hD、hE、……表示，则小车和拉力传感器在计时器打下D点时的动能表达式为________________，若拉力传感器的读数为F，计时器打下A点到打下D点过程中，细绳拉力对小车所做功的表达式为__________．
（4）某同学以A点为起始点，以A点到各个计数点动能的增量ΔEk为纵坐标，以A点到各个计数点拉力对小车所做的功W为横坐标，得到一条过原点的倾角为45°的直线，由此可以得到的结论是________________________．
解析：
（1）当打点计时器能在纸带上打出一系列间距相等的点时，小车做匀速直线运动，受力平衡．
（2）在组装好实验装置的基础上，进行实验时应先接通电源，再释放小车．
（3）D点的瞬时速度等于CE段的平均速度，即vD＝
，故打下D点时的动能为EkD＝
Mv
＝
；拉力对小车做的功为W＝F（hD－hA）．
（4）因图线是一条过原点的直线且直线的倾角为45°，可得出方程式ΔEk＝W，故可得结论：
外力所做的功等于物体动能的变化量．
答案：
（1）间距相等
（2）释放小车 （3）
F（hD－hA） （4）外力所做的功等于物体动能的变化量
7．（2015·南昌一模）在验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m＝1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示．O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的连续点中的三个点．已知打点计时器每隔0.02s打一个点，当地的重力加速度为g＝9.80m/s2，那么：
（1）根据图上所得的数据，应取图中O点到________点来验证机械能守恒定律较为简便；
（2）从O点到
（1）问中所取的点，重物重力势能的减少量ΔEp＝________J，动能增加量ΔEk＝________J；（结果取三位有效数字）
（3）若测出纸带上所有各点到O点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v及重物下落的高度h，则以
为纵轴、以h为横轴画出的图象是下图中的________．
解析：
（1）验证机械能守恒时，我们验证的是减少的重力势能ΔEp＝mgh和增加的动能ΔEk＝
mv2之间的关系，因B点能够测出h和v的数据，而A、C两点无法测出v，故选B点．
（2）减少的重力势能ΔEp＝mgh＝1.88J，B点的速度vB＝
＝
×10－2m/s＝1.92m/s，所以增加的动能ΔEk＝
mv
＝1.84J.
（3）在实验允许的误差范围内可认为mgh＝
mv2，则
v2＝gh，即
v2与h成正比，图A正确．
答案：
（1）B
（2）1.88 1.8
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