高考物理二轮专题突破专题九实验技能与创新1力学实验与创新导学案.docx
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高考物理二轮专题突破专题九实验技能与创新1力学实验与创新导学案
2019-2020年高考物理二轮专题突破专题九实验技能与创新1力学实验与创新导学案
一、题型、技巧归纳
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）
高考预测1
（1）某次研究弹簧所受弹力F与弹簧长度L的关系实验时得到如图2（a）所示的F－L图象，由图象可知：
弹簧原长L0＝________cm，求得弹簧的劲度系数k＝________N/m.
图2
（2）如图（b）所示，细绳的左端挂上钩码（已知每个钩码重G＝1N），右端固定在弹簧的右端，O处固定一块带孔的数字挡板，使
（1）中研究的弹簧压缩，稳定后指针指示如图（b），则指针所指刻度尺示数为________cm.由此可推测图（b）中所挂钩码的个数为________个.
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3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3
（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
高考预测2 某同学利用如图4甲所示的装置验证力的平行四边形定则.在竖直放置、贴有白纸的木板上固定有两个轻质小滑轮，细线AB和OC连接于O点，细线AB绕过两滑轮，D、E是细线与光滑滑轮槽的两个切点.在细线末端A、B、C三处分别挂有不同数量的相同钩码.设所挂钩码个数分别用N1、N2、N3表示.挂上适当数量的钩码，当系统平衡时进行相关记录.改变所挂钩码的数量，重复进行多次实验.
图4
（1）下列关于本实验操作的描述，正确的有________.
a.需要利用天平测出钩码的质量
b.∠EOD不宜过大
c.两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上
d.每次实验都应使细线的结点O处于同一位置
（2）每次实验结束后，需要记录的项目有N1、N2、N3的数值和________.
（3）该同学利用某次实验结果在白纸上绘制了如图乙所示的实验结果处理图，则根据你对本实验的理解，要验证力的平行四边形定则，还需对该图作出如下完善：
________.
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】（xx·全国丙卷·23）某物理课外小组利用图5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5
（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6所示；由图6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6
（4）利用表中的数据在图7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7
（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
高考预测3 在“用DIS研究小车加速度与所受合外力的关系”实验中时，甲、乙两组分别用如图8（a）、（b）所示的实验装置进行实验，重物通过细线跨过滑轮拉相同质量小车，位移传感器（B）随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器（A）固定在轨道一端.甲组实验中把重物的重力作为拉力F，乙组直接用力传感器测得拉力F，改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出a－F图象.
图8
（1）位移传感器（B）属于________.（填“发射器”或“接收器”）
（2）甲组实验把重物的重力作为拉力F的条件是________________________________.
（3）图9中符合甲组同学作出的实验图象的是________；符合乙组同学作出的实验图象的是________.
图9
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10所示，打n点时的瞬时速度vn＝
图10
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11（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11
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______________________________________________________________________.
高考预测4 探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图12所示.实验过程中有平衡摩擦力的步骤，并且设法让橡皮筋对小车做的功以整数倍增大，即分别为W0、2W0、3W0、4W0….
图12
（1）实验中首先通过调整木板倾斜程度平衡摩擦力，目的是________（填写字母代号）.
A.为了释放小车后小车能做匀加速运动
B.为了增大橡皮筋对小车的弹力
C.为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功
D.为了使小车获得较大的动能
（2）图13是在正确操作情况下打出的一条纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一部分，已知相邻两点打点时间间隔为0.02s，则小车获得的最大速度vm＝________m/s（保留3位有效数字）.
图13
（3）几名同学在实验中分别得到了若干组橡皮筋对小车做的功W与小车获得的最大速度vm的数据，并利用数据绘出了下列给出的四个图象，你认为其中正确的是________.
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】（xx·全国乙卷·22）某同学用图14（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14
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.
高考预测5 某同学利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图15所示.气垫导轨与水平桌面的夹角为θ，导轨底端P点有一带挡光片的滑块，滑块和挡光片的总质量为M，挡光片的宽度为b，滑块与沙桶由跨过轻质光滑定滑轮的细绳相连.导轨上Q点固定一个光电门，挡光片到光电门的距离为d.
图15
（1）实验时，该同学进行了如下操作：
①开启气泵，调节细沙的质量，使滑块处于静止状态，则沙桶和细沙的总质量为________；
②在沙桶中再加入质量为m的细沙，让滑块从P点由静止开始运动.已知光电门记录挡光片挡光的时间为Δt，则滑块通过Q点的瞬时速度为________.
（2）在滑块从P点运动到Q点的过程中，滑块的机械能增加量ΔE1＝________，沙桶和细沙的机械能减少量ΔE2＝________.在误差允许的范围内，如果ΔE1＝ΔE2，则滑块、沙桶和细沙组成的系统机械能守恒.
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】（xx·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16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16
（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17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17
高考预测6 某研究小组设计了一种“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方案.如图18所示，A是可固定于水平桌面上任意位置的滑槽（滑槽末端与桌面相切），B是质量为m的滑块（可视为质点）.
图18
第一次实验，如图（a）所示，将滑槽末端与桌面右端M对齐并固定，让滑块从滑槽最高点由静止滑下，最终落在水平地面上的P点，测出滑槽最高点距离桌面的高度h、M距离地面的高度H、M与P间的水平距离x1；
第二次实验，如图（b）所示，将滑槽沿桌面向左移动一段距离并固定，让滑块B再次从滑槽最高点由静止滑下，最终落在水平地面上的P′点，测出滑槽末端与桌面右端M的距离L、M与P′间的水平距离x2.
（1）在第二次实验中，滑块到M点的速度大小为________.（用实验中所测物理量的符号表示，已知重力加速度为g）.
（2）通过上述测量和进一步的计算，可求出滑块与桌面间的动摩擦因数μ，下列能引起实验误差的是________.（选填序号）
A.h的测量B.H的测量
C.L的测量D.x2的测量
（3）若实验中测得h＝15cm、H＝25cm、x1＝30cm、L＝10cm、x2＝20cm，则滑块与桌面间的动摩擦因数μ＝________.（结果保留1位有效数字）
参考答案
【例1】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）
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.
高考预测1 答案
（1）3.0 200
（2）1.50 3
【例2】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
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.
高考预测2 答案
（1）bc
（2）OC、OD、OE三段细线的方向 （3）过O点作出与FOC等大反向的力F′
解析
（1）用钩码的个数可以代表拉力的大小，因此不需要测量钩码的质量，故a错误；
∠EOD若太大，导致其合力较小，增大了误差，故∠EOD不宜过大，故b正确；
只要便于记录通过滑轮的力的方向即可，两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上，故c正确；
该题应用了物体的平衡来验证力的平行四边形定则，不需要每次实验都使细线的结点O处于同一位置，故d错误.
（2）为验证力的平行四边形定则，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的位置，其次要作出力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此从力的三要素角度出发，要记录钩码的个数和记录OC、OD和OE三段细线的方向.
（3）本实验是要验证力的平行四边形定则，故应将由平行四边形定则得出的合力，与真实的合力进行比较而去判断平行四边形定则得出的结果是否正确，由图乙可知，要验证力的平行四边形定则，还需要过O点作出与FOC等大反向的力F′.
【例3】答案 （3）0.39 （4）见解析图 （5）0.44 （6）B
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.
高考预测3 答案
（1）发射器
（2）小车的质量远大于重物的质量 （3）② ①
解析
（1）位移传感器（B）属于发射器.
（2）在该实验中实际是：
mg＝（M＋m）a，要满足mg＝Ma，应该使重物的质量远小于小车的质量.即小车的质量远大于重物的质量.
（3）在质量不变的条件下，加速度与合外力成正比；由实验原理：
mg＝Ma
得a＝
而实际上a′＝
，即随着重物的质量增大，不再满足重物的质量远小于小车的质量，
所以图中符合甲组同学作出的实验图象的是②.
乙组直接用力传感器测得拉力F，随着重物的质量增大，拉力F测量是准确的，a－F关系为一倾斜的直线，符合乙组同学作出的实验图象的是①.
【例4】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.
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.
高考预测4 答案
（1）C
（2）1.22 （3）D
解析
（1）实验目的是探究合外力做功与物体速度的关系，平衡摩擦力后，橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功.
（2）由图可知，小车先做加速度变化的加速运动，后做匀速运动.当小车做匀速运动时，小车获得的速度最大，即vm＝
m/s＝1.22m/s.
（3）由W∝v
，知D正确.
【例5】答案
（1）
（s1＋s2）
（s2＋s3）
（s3－s1）
（2）40
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
高考预测5 答案
（1）①Msinθ ②
（2）
M（
）2＋Mgdsinθ （Msinθ＋m）gd－
（Msinθ＋m）（
）2
解析
（2）沙和沙桶总质量为Msinθ＋m，
重力势能减少量为ΔEp＝（Msinθ＋m）gd，
而动能增量为ΔEk＝
（Msinθ＋m）（
）2
所以ΔE2＝ΔEp－ΔEk
＝（Msinθ＋m）gd－
（Msinθ＋m）（
）2
【例6】答案
（1）④①③②
（2）1.29 M
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.
高考预测6 答案
（1）x2
（2）BCD （3）0.5
解析
（1）滑块在桌面右端M点的速度大小为：
v1＝
，v2＝
①
由竖直方向有：
H＝
gt2②
由①②式求得：
v2＝x2
③
（2）第一次测的速度为：
v1＝x1
④
滑块在水平桌面上运动，由动能定理：
－μmgL＝
mv
－
mv
⑤
由③④⑤式可得：
μ＝
由表达式可知能引起实验误差的是B、C、D.
（3）μ＝
＝
＝0.5
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