江苏版高考物理复习专题十一力学实验学案.docx
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江苏版高考物理复习专题十一力学实验学案
专题十一 力学实验
江苏卷考情导向
考点
考题
考情
螺旋测微器和游标卡尺的读数力学基本实验
2017年T10考查探究恒力做功与物体动能变化的关系以及平衡摩擦力的方法
2016年T11考查基本测量仪器如游标卡尺、螺旋测微器的使用验证以及机械能守恒定律
2014年T11考查力的平行四边形定则及平衡条件的应用
高考热点是
（1）以打点纸带的分析为载体，考查有关速度、加速度分析的实验，以填空题为主；
（2）以教材实验为基础，结合光电门、频闪照相和现代科技生活，考查实验分析、设计能力；（3）以实验数据的处理和误差分析为载体，考查学生分析评估能力．
备考时
（1）强化基本仪器使用、读数方面的训练；
（2）领会控制变量法、逐差法等在实验操作和数据处理中的作用；（3）加强实验选取、实验情景与实验原理之间的因果逻辑推理．
力学创新实验
2015年T11考查对纸带运动情况探究小车速度随时间变化的规律
2013年T11利用自由落体运动考查匀变速直线运动的加速度
一、误差与有效数字
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，完善原理，改进方法
偶然
误差
测量、读数不准确
可大可小
画图象或取平均值
2．有效数字：
（1）有效数字的最后一位是测量者估读出来的，是偶然误差的来源．
（2）从数的左边第一个不为零的数字算起，如0．0125为三位有效数字．
二、基本仪器的使用
1．长度测量类仪器：
（1）毫米刻度尺的读数：
精确到毫米，估读一位．
（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个刻线与主尺上的某刻度线正对时）/mm
刻度
格数
刻度
总长度
每小格与
1毫米差
10
9
0．1
0．1
主尺上读的毫米数＋0．1n
20
19
0．05
0．05
主尺上读的毫米数＋0．05n
50
49
0．02
0．02
主尺上读的毫米数＋0．02n
（3）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）×0．01mm．
2．时间测量类仪器：
（1）打点计时器：
每打两个点的时间间隔为0．02s，一般每五个点取一个计数点，则时间间隔为Δt＝0．02×5s＝0．1s．
（2）频闪照相机：
用等时间间隔获取图象信息的方法将物体在不同时刻的位置记录下来．
（3）光电计时器：
记录遮光时间．
三、两类力学实验
1．验证性实验：
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．探究性实验：
探究弹力与弹簧伸长的关系，探究动能定理．
3．两种实验过程的比较：
类型
探究性实验
验证性实验
实
验
过
程
①提出问题
②猜想与假设
③制定计划与设计实验方案
④进行实验与收集数据
⑤分析与论证
⑥评估
⑦交流与合作
①实验目的
②实验器材
③实验原理
④实验步骤
⑤数据分析
⑥实验结论
四、实验数据的处理方法
1．列表法：
在记录和处理数据时，为了简单而明显地表示出有关物理量之间的关系，可将数据填写在适当的表格中，即为列表法．
2．平均值法：
把在同一状态下测定的同一个物理量的若干组数据相加求和，然后除以测量次数．
3．作图法：
用作图法处理数据的优点是直观、简便，有取平均值的效果．由图线的斜率、截距、包围的面积等可以研究物理量之间的关系．
考点1|螺旋测微器和游标卡尺的读数 难度：
低档题题型：
实验题
（对应学生用书第57页）
1．螺旋测微器读数时要估读，以毫米为单位，小数点后必须为3位，同时注意固定刻度上的半刻度是否露出，如第1题中图丁半刻度线露出，图甲、乙、丙没露出．
2．游标卡尺不估读，以毫米为单位，10分度卡尺，小数点后只有1位；20分度和50分度卡尺，小数点后有2位．
3．注意题目要求的单位是否为mm，若不是则要先以mm为单位读数，然后再转变为题目要求的单位．第1、2题中毫米和厘米各半．
●考向1 螺旋测微器的读数
1．（2017·成都检测）用螺旋测微器测不同规格的金属丝的直径，示数如图11 1所示．由图可读出金属丝的直径为
图甲________mm 图乙________cm
图丙________mm 图丁________cm．
【导学号：
17214176】
甲 乙
丙 丁
图11 1
【解析】 根据螺旋测微器的读数方法：
螺旋测微器的读数值＝固定刻度值＋可动刻度×0．01mm，读出甲、乙、丙、丁四图的读数值分别是10．002（1～3）mm、0．5365（4～6）cm、9．205（4～6）mm、0．5700cm
【答案】 10．002 0．5365 9．205 0．5700
●考向2 游标卡尺的读数
2．某同学用游标卡尺游标卡尺测定四个不同规格金属杆的直径，示数如图11 2甲、乙、丙、丁所示，则该金属杆直径分别为
甲图：
________mm 乙图：
________cm
丙图：
________cm 丁图：
________mm．
甲
乙
丙
丁
图11 2
【解析】 根据游标卡尺的读数方法：
游标卡尺的读数值＝主尺整毫米数值＋对齐格数×精度（mm），读出甲、乙、丙、丁四图的读数值分别是
甲图：
d＝4mm＋10×0．02mm＝4．20mm
乙图：
d＝12mm＋4×0．05mm＝12．20mm＝1．220cm
丙图：
d＝11mm＋5×0．1mm＝11．5mm＝1．15cm
丁图：
d＝5mm＋5×0．05mm＝5．25mm．
【答案】 4．20mm 1．220cm 1．15cm 5．25mm
考点2|力学基本实验 难度：
中低档题型：
实验题五年3考
（对应学生用书第57页）
1．（2016·江苏高考T11）某同学用如图11 3所示的装置验证机械能守恒定律．一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点．光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条．将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v＝
作为钢球经过A点时的速度．记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒．
图11 3
（1）用ΔEp＝mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到________之间的竖直距离．
A．钢球在A点时的顶端
B．钢球在A点时的球心
C．钢球在A点时的底端
（2）用ΔEk＝
mv2计算钢球动能变化的大小．用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图11 4所示，其读数为________cm．某次测量中，计时器的示数为0．0100s．则钢球的速度为v＝________m/s．
图11 4
（3）下表为该同学的实验结果：
ΔEp（×10－2J）
4．892
9．786
14．69
19．59
29．38
ΔEk（×10－2J）
5．04
10．1
15．1
20．0
29．8
他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的．你是否同意他的观点？
请说明理由．
（4）请你提出一条减小上述差异的改进建议．
【解题关键】 解答本题应注意以下三点：
（1）小球下落的高度h可以由释放时的钢球球心测到钢球在A点时的球心，也可以是释放时的钢球顶端测到钢球在A点时的顶端．
（2）空气阻力造成机械能减少，应有ΔEp>ΔEk的结果．
（3）改进建议应从造成误差的原因角度思考．
【解析】
（1）高度变化要比较钢球球心的高度变化．
（2）毫米刻度尺读数时要估读到毫米下一位，由v＝
代入数据可计算出相应速度．（3）从表中数据可知ΔEk＞ΔEp，若有空气阻力，则应为ΔEk＜ΔEp，所以不同意他的观点．
（4）实验中遮光条经过光电门时的速度大于钢球经过A点时的速度，因此由ΔEk＝
mv2计算得到的ΔEk偏大，要减小ΔEp与ΔEk的差异可考虑将遮光条的速度折算为钢球的速度．
【答案】
（1）B
（2）1．50（1．49～1．51都算对） 1．50（1．49～1．51都算对） （3）不同意，因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp （4）分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算ΔEk时，将v折算成钢球的速度v′＝
v
2．（2014·江苏高考T11）小明通过实验验证力的平行四边形定则．
图11 5
（1）实验记录纸如图11 5所示，O点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置，两弹簧测力计共同作用时，拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点；一个弹簧测力计拉橡皮筋时，拉力F3的方向过P3点．三个力的大小分别为：
F1＝3．30N、F2＝3．85N和F3＝4．25N．请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力．
（2）仔细分析实验，小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化，影响实验结果．他用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度，发现读数不相同，于是进一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响．
实验装置如图11 6甲所示，将一张白纸固定在竖直放置的木板上，橡皮筋的上端固定于O点，下端N挂一重物．用与白纸平行的水平力缓慢地移动N，在白纸上记录下N的轨迹．重复上述过程，再次记录下N的轨迹．
甲
乙
图11 6
两次实验记录的轨迹如图11 6乙所示．过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点，则实验中橡皮筋分别被拉伸到a和b时所受拉力Fa、Fb的大小关系为________．
（3）根据
（2）中的实验，可以得出的实验结果有________．（填写选项前的字母）
A．橡皮筋的长度与受到的拉力成正比
B．两次受到的拉力相同时，橡皮筋第2次的长度较长
C．两次被拉伸到相同长度时，橡皮筋第2次受到的拉力较大
D．两次受到的拉力相同时，拉力越大，橡皮筋两次的长度之差越大
（4）根据小明的上述实验探究，请对验证力的平行四边形定则实验提出两点注意事项．
【解题关键】 解答此题应注意以下三点：
（1）拉力F1和F2的方向分别过P1、P2两点，但
、
并不代表F1和F2．
（2）由平行四边形定则求出的合力并不一定与F3相等．
（3）重物重力一定和橡皮筋拉力与水平拉力方向一定时，橡皮筋拉力大小也是一定的．
【解析】 根据力的合成法则及平衡条件解题．
（1）作出的图示如图所示．
（2）重物受力情况如图所示，由于重力不变，两次实验时，橡皮筋拉力T的方向相同，故水平拉力F大小相等，即Fa＝Fb．
（3）根据题图乙可知，选项B、D正确，选项A、C错误．
（4）橡皮筋拉伸不宜过长，选用新橡皮筋等可减小误差．
【答案】
（1）如解析图所示（F合＝4．6～4．9N都算对）
（2）Fa＝Fb （3）BD
（4）橡皮筋拉伸不宜过长；选用新橡皮筋．（或：
拉力不宜过大；选用弹性好的橡皮筋；换用弹性好的弹簧）．
3．（2017·江苏高考T10）利用如图11 7所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系．小车的质量为M＝200．0g，钩码的质量为m＝10．0g，打点计时器的电源为50Hz的交流电．
【导学号：
17214177】
图11 7
（1）挂钩码前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车观察到________．
（2）挂上钩码，按实验要求打出的一条纸带如图11 8所示，选择某一点为O，依次每隔4个计时点取一个计数点．用刻度尺量出相邻计数点间的距离Δx，记录在纸带上．计算打出各计数点时小车的速度v，其中打出计数点“1”时小车的速度v1＝________m/s．
图11 8
（3）将钩码的重力视为小车受到的拉力，取g＝9．80m/s2，利用W＝mgΔx算出拉力对小车做的功W．利用Ek＝
Mv2算出小车动能，并求出动能的变化量ΔEk．计算结果见下表．
W/×10－3J
2．45
2．92
3．35
3．81
4．26
ΔEk/×10－3J
2．31
2．73
3．12
3．61
4．00
请根据表中的数据，在图11 9中作出ΔEkW图象．
图11 9
（4）实验结果表明，ΔEk总是略小于W．某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的．用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F＝________N．
【解析】
（1）完全平衡摩擦力的标志是轻推小车，小车做匀速运动．
（2）两计数点间的时间间隔T＝5×0．02s＝0．1s
v1＝
＝
m/s＝0．228m/s．
（3）确定标度，根据给出数据描点．作图如图所示．
（4）从图线上取两个点（4．5，4．24），（2．15，2．0）
图线的斜率是k＝
≈0．953①
又有k＝
＝
②
根据运动学公式有v2＝2aΔx③
根据牛顿第二定律有
F＝Ma④
由①②③④式解得F≈0．093N．
【答案】
（1）小车做匀速运动
（2）0．228 （3）见解析图 （4）0．093
纸带的三大应用
（1）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，为便于测量和计算，一般每五个点（或每隔四个点）取一个计数点，这样时间间隔为Δt＝0．02×5s＝0．1s．
（2）求瞬时速度
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1110a所示，求纸带上某一点的瞬时速度，只需在这一点的前后各取相同时间间隔T的两段位移xn和xn＋1，则打n点时的速度vn＝
．
a
b
图11 10
（3）求加速度
①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．
②逐差法：
a＝
＝
③两段法：
把图11 10b中x1、x2、x3、x4、x5、x6分成时间相等（均为3T）的两大段，则由xⅡ－xⅠ＝aT2得：
（x4＋x5＋x6）－（x1＋x2＋x3）＝a（3T）2，解出的a与上面逐差法结果相等，但却要简单得多．
④图象法：
a．由vn＝
，求出相应点的速度．
b．确定各计数点的坐标值（v1，T）、（v2，2T）、…（vn，nT）．
c．画出vt图象，图线的斜率为物体做匀变速直线运动的加速度．
●考向1 “纸带”类实验
3．（2017·南京一模）
（1）用游标卡尺测量小球的直径如图11 11甲、乙所示．测量方法正确的是________（选填“甲”或“乙”）．
甲 乙
丙
图11 11
（2）用螺旋测微器测量合金丝的直径，此示数为______mm．
（3）在“用打点计时器测速度”的实验中，交流电源频率为50Hz，打出一段纸带如图11 12所示．纸带经过2号计数点时，测得的瞬时速度v＝________m/s．若实验时交流电源频率大于50Hz，则纸带经过2号点的实际速度________（选填“大于”“小于”“等于”）测量速度．
图11 12
【解析】
（1）游标卡尺测量小球的直径时，应将小球卡在外爪的刀口上，故选甲；
（2）螺旋测微器的固定刻度为6．5mm，可动刻度为：
20．0×0．01mm＝0．200mm，所以最终读数为：
6．5mm＋0．200mm＝6．700mm．
（3）从0点开始每5个点取一个计数点，所以相邻计数点间的时间间隔为0．02×5s＝0．1s根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度，可以求出打纸带上2点时小车的瞬时速度大小．
小车到计数点2时的瞬时速度v2＝
＝
×10－2m/s＝0．36m/s，如果在某次实验中，交流电的频率大于50Hz，那么实际打点周期变小，据v＝
可知，测出的速度数值将比真实值偏小．
【答案】
（1）甲
（2）6．700 （3）0．36；大于
●考向2 “弹簧”“橡皮条”类实验
4．（2017·镇江一模）在“探究求合力的方法”的实验中，某同学用两把弹簧秤将橡皮筋的端点拉到点O，作出这两个拉力F1、F2的图示（图11 13甲），然后用一把弹簧秤将橡皮筋的端点仍然拉到O，弹簧秤示数F如图乙所示．
【导学号：
17214178】
甲 乙
图11 13
（1）弹簧秤的示数F＝________N；
（2）请帮他在图甲中画出力F的图示（图中a为记录F方向时所记录的一点）；
（3）该同学用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连起来．他观察图形后受到了启发．你认为他紧接着应进行的两个实验步骤是________．
（A）整理实验器材
（B）提出求合力方法的猜想
（C）改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验
（D）与同学交流讨论实验结果，得出结论
【解析】
（1）弹簧秤的最小刻度为0．2N，可知弹簧秤的示数F＝2．8N．
（2）根据图示法作出F的图示，如图所示．
（3）用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连起来．观察图形后受到了启发．提出求合力方法的猜想，然后改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验，故BC正确．
【答案】
（1）2．8
（2）见解析 （3）BC
5．（2017·徐州期末）如图11 14甲所示，在“探究功与速度变化的关系”的实验中，主要过程如下：
A．设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W、…；
B．分析纸带，求出橡皮筋做功使小车获得的速度v1、v2、v3、…；
C．作出Wv图象；
D．分析Wv图象．如果Wv图象是一条直线，表明W∝v；如果不是直线，可考虑是否存在W∝v2、W∝v3、W∝
等关系．
（1）实验中得到的一条如图乙所示的纸带，求小车获得的速度应选________（选填“AB”或“CD”）段来计算．
甲 乙
图11 14
（2）关于该实验，下列说法正确的有（ ）
A．通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加
B．通过改变小车质量可以改变橡皮筋对小车做的功
C．每次实验中，橡皮筋拉伸的长度必须保持一致
D．先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出
（3）在该实验中，打点计时器正常工作，纸带足够长，点迹清晰的纸带上并没有出现一段等间距的点，造成这种情况的原因可能是________．（写出一条即可）
【解析】
（1）由图知：
在AB之间，由于相邻计数间的距离不断增大，而打点计时器每隔0．02s打一个点，所以小车做加速运动．在CD之间相邻计数点间距相等，说明小车离开橡皮筋后做匀速运动，应选用CD段纸带来计算小车的速度v．求小车获得的速度应选CD段来计算．
（2）该实验中利用相同橡皮筋形变量相同时对小车做功相同，通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加，故A正确，B错误；为保证每根橡皮条对小车做功一样多，每次实验中，橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，故C正确；用打点计时器测量时间时，为有效利用纸带，总是先接通电源后释放纸带，故D正确．
（3）在该实验中，打点计时器正常工作，纸带足够长，点迹清晰的纸带上并没有出现一段等间距的点，造成这种情况的原因可能是没有平衡摩擦力或木板的倾角过大或过小．
【答案】
（1）CD
（2）ACD （3）没有平衡摩擦力或木板的倾角过大或过小
●考向3 应用图象法处理实验数据
6．（2017·苏州一模）为了探究物体的加速度与物体所受外力、物体质量间的关系，某小组安装了如图11 15甲所示的实验装置并开始实验．已知小车以及车上的砝码质量用M表示，盘以及盘中砝码质量用m表示，当地重力加速度为g．
【导学号：
17214179】
甲 乙
图11 15
（1）假如已经平衡摩擦力，则在小车做匀加速直线运动的过程中，绳子拉力FT＝________；只有当M与m的大小关系满足________时，FT＝mg才能成立．
（2）该小组同学先保持盘及盘中的砝码质量m不变，探究加速度a与质量M的关系，其具体操作步骤如下，则下列做法正确的是________．（填合适选项前面的符号）
A．平衡摩擦力时，应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上
B．每次改变小车的质量时，需要重新平衡摩擦力
C．实验时，先接通打点计时器的电源，再放开小车
D．用天平测出m以及M，小车运动的加速度直接用公式a＝
求出
（3）该小组同学后来又保持小车以及车上砝码质量M一定，探究加速度a与所受外力F的关系，由于他们操作不当，这组同学得到的aF关系图象如图乙所示，则：
图线不过原点的原因是______________________________；图线上端发生弯曲的原因是________________________________．
【解析】
（1）该实验的研究对象是小车，采用控制变量法研究．当质量一定时，研究小车的加速度和小车所受合力的关系．那么小车的合力怎么改变和测量呢？
为消除摩擦力对实验的影响，可以把木板的右端适当垫高，以使小车的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消，那么小车的合力就是绳子的拉力．
根据牛顿第二定律得：
对m：
mg－T＝ma
对M：
T＝Ma
解得：
T＝
当M≫m时，即当砝码和盘的总重力要远小于小车的重力，绳子的拉力近似等于砝码和盘的总重力．
（2）平衡摩擦力时，应将绳从小车上拿去，轻轻推动小车，使小车沿木板运动，通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动，故A错误．每次改变小车的质量时，小车的重力沿斜面的分力和摩擦力仍能抵消，不需要重新平衡摩擦力，故B错误．实验时，若先放开小车，再接通打点计时器电源，由于小车运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于数据的采集和处理，故C正确．小车运动的加速度是利用打点计时器打点测量并计算，如果用天平测出m以及小车质量M，直接用公式求出，这是在直接运用牛顿第二定律计算的，而我们实验的目的就是在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系，故D错误．
（4）当F≠0时，a＝0．也就是说当绳子上有拉力时小车的加速度还为0，说明小车的摩擦力与绳子的拉力抵消了．该组同学实验操作中遗漏了平衡摩擦力或平衡摩擦力不足这个步骤；随着F的增大，即盘和盘中砝码质量的增大，不再满足盘和盘中砝码远小于小车的质量，因此曲线上部出现弯曲现象．
【答案】
（1）
M≫m
（2）C （3）遗漏了平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；不满足盘和盘中砝码远小于小车的质量，因此曲线上部出现弯曲现象
7．（2017·无锡一模）某同学用如图11 16甲所示的装置验证机械能守恒定律，他将两物块A和B用轻质细绳连接并跨过轻质定滑轮，B下端连接纸带，纸带穿过固定的打点计时器．用天平测出A、B两物块的质量mA＝300g、mB＝100g，mA从高处由静止开始下落，mB拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．图乙给出的是实验中获取的一条纸带：
0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．已知打点计时器计时周期为T＝0．02s，则：
（1）在打点0～5过程中系统动能的增量ΔEk＝________J，系统势能的减小量ΔEp＝________J，由此得出的结论是________________________________；（重力加速度g取9．8m/s2，结果保留三位有效数字）
（2）用v表示物块A的速度，h表示物块A下落的高度．若
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