专题十一 力学实验导学导练含详解.docx
《专题十一 力学实验导学导练含详解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专题十一 力学实验导学导练含详解.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
专题十一力学实验导学导练含详解
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：
d＝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．
（1）（2014·高考江苏卷）用螺旋测微器测量合金丝的直径．为防止读数时测微螺杆发生转动，读数前应先旋紧如图所示的部件________（选填“A”、“B”、“C”或“D”）．从图中的示数可读出合金丝的直径为______mm.
（2）（2014·高考福建卷）某同学测定一金属杆的长度和直径，示数如图甲、乙所示，则该金属杆的长度和直径分别为________cm和________mm.
[解析]
（1）螺旋测微器读数时应先将锁紧装置锁紧，即旋紧B.螺旋测微器的示数为（0＋41.0×0.01）mm＝0.410mm.
（2）金属杆长度由刻度尺示数可得，由题图甲得L＝60.10cm.由题图乙知，此游标尺为50分度，游标尺上第10刻线与主尺上一刻线对齐，则金属杆直径为d＝4mm＋
×10mm＝4.20mm.
[答案]
（1）B 0.410
（2）60.10 4.20
[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．
（2014·高考大纲全国卷）现用频闪照相方法来研究物块的变速运动．在一小物块沿斜面向下运动的过程中，用频闪相机拍摄的不同时刻物块的位置如图所示．拍摄时频闪频率是10Hz；通过斜面上固定的刻度尺读取的5个连续影像间的距离依次为x1、x2、x3、x4.已知斜面顶端的高度h和斜面的长度s.数据如下表所示．重力加速度大小g＝9.80m/s2.
单位：
cm
x1
x2
x3
x4
h
s
10.76
15.05
19.34
23.65
48.00
80.00
根据表中数据，完成下列填空：
（1）物块的加速度a＝________（保留3位有效数字）．
（2）因为__________________，可知斜面是粗糙的．
[解析]
（1）根据匀变速直线运动的推论，利用逐差法，得
x3－x1＝2a1T2
x4－x2＝2a2T2
a＝
，又知T＝
＝0.1s
联立以上各式得a≈4.30m/s2.
（2）如果斜面光滑，根据牛顿第二定律得，物块下滑的加速度a′＝gsinθ＝g
＝5.88m/s2＞a，所以斜面是粗糙的．
[答案]
（1）4.30m/s2
（2）a＜g
＝5.88m/s2
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．
（2014·高考新课标全国卷Ⅱ）
某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度（圈数）的关系．实验装置如图甲所示：
一均匀长弹簧竖直悬挂，7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处；通过旁边竖直放置的刻度尺，可以读出指针的位置，P0指向0刻度．设弹簧下端未挂重物时，各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100kg的砝码时，各指针的位置记为x.测量结果及部分计算结果如下表所示（n为弹簧的圈数，取重力加速度为9.80m/s2）．已知实验所用弹簧总圈数为60，整个弹簧的自由长度为11.88cm.
P1
P2
P3
P4
P5
P6
x0（cm）
2.04
4.06
6.06
8.05
10.03
12.01
x（cm）
2.64
5.26
7.81
10.30
12.93
15.41
n
10
20
30
40
50
60
k（N/m）
163
①
56.0
43.6
33.8
28.8
（m/N）
0.0061
②
0.0179
0.0229
0.0296
0.0347
（1）将表中数据补充完整：
①________，②________.
（2）以n为横坐标，
为纵坐标，在图乙给出的坐标纸上画出
n图象．
（3）图乙中画出的直线可近似认为通过原点．若从实验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧，该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系的表达式为k＝________N/m；该弹簧的劲度系数k与其自由长度l0（单位为m）的关系的表达式为k＝________N/m.
[解析]
（1）根据胡克定律有mg＝k（x－x0），解得k＝
＝
N/m≈81.7N/m，
≈0.0122.
（2）
n图象如下图所示．
（3）根据图象可知，k与n的关系表达式为k＝
N/m，k与l0的关系表达式为k＝
N/m.
[答案]
（1）81.7 0.0122
（2）
n图象见解析图
（3）
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 （2014·江西师大附中、临川一中联考）某学习小组利用自行车的运动“探究阻力做功与速度变化的关系”．人骑自行车在平直的路面上运动，当人停止蹬车后，由于受到阻力作用，自行车的速度会逐渐减小至零，如图所示．在此过程中，阻力做功使自行车的速度发生变化．设自行车无动力后受到的阻力恒定．
（1）在实验中使自行车在平直的公路上获得某一速度后停止蹬车，需要测出人停止蹬车后自行车向前滑行的距离s，为了计算自行车的初速度v，还需要测量________________________________________________________________________
________________________________________________________________________（填写物理量的名称及符号）．
（2）设自行车受到的阻力恒为f，计算出阻力做的功W及自行车的初速度v.改变人停止蹬车时自行车的速度，重复实验，可以得到多组测量值．以阻力对自行车做功的大小为纵坐标，自行车初速度为横坐标，作出W－v曲线．分析这条曲线，就可以得到阻力做的功与自行车速度变化的定性关系．在实验中作出W－v图象如图所示，其中符合实际情况的是________．
[解析]
（1）人停止蹬车后做匀减速运动，初速度v＝2
＝
，则还需要测量自行车滑行的时间t.
（2）由动能定理得，W＝
mv2，则W－v图象为抛物线，即图C.
[答案]
（1）人停止蹬车后自行车滑行的时间t
（2）C
[总结提升]
（1）要完成好创新拓展实验，必须掌握基本仪器的使用方法、基本实验方法和基本物理原理.
（2）实验过程的研究应以减小实验误差和不造成错误为主要依据.应在明确实验原理的基础上进行实验数据处理，往往需要先根据物理规律推导出物理量间的关系式，通过图象或函数处理数据.）
1．（2014·广州一模）
（1）用游标为20分度的卡尺测量某物体的长度如图甲所示，由图可知其长度为________mm.
（2）用螺旋测微器测量某物体的直径如图乙，由图可知其直径为________mm.
解析：
（1）根据游标卡尺的读数方法，读数为
50mm＋3×0.05mm＝50.15mm.
（2）根据螺旋测微器的读数规则，读数为
4．5mm＋20.0×0.01mm＝4.700mm.
答案：
（1）50.15
（2）4.700
2．（2014·衡水调研）在“探究弹簧形变与外力关系”的实验中，将弹簧水平放置测出其自然长度，然后竖直悬挂让其自然下垂，在其下端竖直向下施加外力F，实验过程是在弹簧的弹性限度内进行的，用记录的外力F与弹簧的形变量x作出F－x图线如图所示，由图可知弹簧的劲度系数为k＝________N/m，图线不过原点的原因是由于________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
解析：
由图线可以算出斜率，即弹簧的劲度系数，图线不过原点说明弹簧在竖直向下不施加外力的时候，已经有伸长量了．
答案：
200 弹簧自身具有重量
3．（2014·安徽名校联考）在“验证力的平行四边形定则”的实验中，某小组利用如图甲所示的装置完成实验，橡皮条的一端C固定在木板上，用两只弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点．
（1）则下列叙述正确的是________．
A．该实验中CO的拉力是合力，AO和BO的拉力是分力
B．两次操作必须将橡皮条和绳的结点拉到相同位置
C．实验中AO和BO的夹角应尽可能大
D．在实验中，弹簧测力计必须保持与木板平行，读数时视线要正对弹簧测力计的刻度线
（2）对数据处理后得到如图乙所示的图线，则F与F′两力中，方向一定沿CO方向的是________．
解析：
（1）AO和BO的拉力与CO的拉力的合力为零，它们之间不是合力与分力的关系，A错误；实验中两次拉伸橡皮条，注意将橡皮条和绳的结点拉到相同位置，以保证两次操作中CO的拉力是相同的，则选项B正确；如果AO和BO的夹角适当，则两个分力可以将结点拉到O点，若夹角过大，则两拉力不一定能将结点拉到O点，所以选项C错误；弹簧测力计与木板平行以便保证各力在同一平面内，正对弹簧测力计的刻度线读数可以减小偶然误差，因此D正确．
（2）由图乙知，F是二力用平行四边形定则合成所得，F′是用一个力拉橡皮条时的外力，故一定与CO共线的是F′.
答案：
（1）BD
（2）F′
4．（2014·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 1.84 （3）A
5．（2014·东北三校联考）某同学利用如图所示的装置验证动能定理．将木板竖直放置在斜槽末端的前方某一固定位置，在木板上依次固定好白纸、复写纸．将小球从不同的标记点由静止释放，记录小球到达斜槽底端时下落的高度H，并根据落点位置测量出小球离开斜槽后的竖直位移y.改变小球在斜槽上的释放位置，进行多次测量，记录数据如下表．
高度H
（h为单位长度）
h
2h
3h
4h
5h
6h
7h
8h
9h
竖直位移y/cm
30.0
15.0
10.0
7.5
6.0
5.0
4.3
3.8
3.3
（1）在安装斜槽时，应注意________________________________________________________________________．
（2）已知斜槽倾角为θ，小球与斜槽之间的动摩擦因数为μ，木板与斜槽末端的水平距离为x，小球在离开斜槽后的竖直位移为y，不计小球与水平槽之间的摩擦，小球从斜槽上滑下的过程中，若动能定理成立则应满足的关系式是____________________．
（3）若想利用图象直观得到实验结论，最好应以H为横坐标，以________为纵坐标，描点作图．
解析：
（1）小球离开斜槽末端后要做平抛运动，因而斜槽末端O点的切线要水平．
（2）小球从斜槽上下滑到斜槽末端时速度为v，根据动能定理有mgH－μmgcosθ
＝
mv2，小球离开O点后做平抛运动，水平方向有x＝vt，竖直方向有y＝
gt2，联立解得Hy＝
.
（3）由
（2）可知，要利用图象直观得到实验结论，图象应为直线，因而以H为横坐标，以
为纵坐标，描点作图即可．
答案：
（1）使斜槽末端O点的切线水平
（2）Hy＝
（3）
6．（2014·高考新课标全国卷Ⅰ）某同学利用如图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图乙所示．实验中小车（含发射器）的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到．回答下列问题：
（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成________（填“线性”或“非线性”）关系．
（2）由图乙可知，am图线不经过原点，可能的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
（3）若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是________________________________________________________________________，
钩码的质量应满足的条件是________________________________________________________________________．
解析：
（1）由图象可知小车的加速度与钩码的质量成非线性关系．
（2）am图线不经过原点，在m轴上有截距，即挂上小钩码后小车加速度仍为零，可能的原因是存在摩擦力．
（3）本实验直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则应采取的措施是调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力，钩码的质量应满足的条件是远小于小车的质量．
答案：
（1）非线性
（2）存在摩擦力 （3）调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车的质量
7．（2014·黄冈一模）物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数，实验装置如图．一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接；打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz.开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点．
（1）如图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分：
0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．根据图中数据计算的加速度a＝________（保留三位有效数字）．
（2）为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有________．（填入所选物理量前的字母）
A．木板的长度l B．木板的质量m1
C．滑块的质量m2D．托盘和砝码的总质量m3
E．滑块运动的时间t
（3）滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________（用被测物理量的字母表示，重力加速度为g），与真实值相比，测量的动摩擦因数________（选填“偏大”或“偏小”）．写出支持你的看法的一个论据：
________________________________________________________________________.
解析：
（1）由逐差法公式得
a＝
＝0.496m/s2.
（2）由牛顿第二定律得m3g－μm2g＝（m2＋m3）a，则需要测定滑块的质量m2及托盘和砝码的总质量m3，则选C、D.
（3）由
（2）中等式可得μ＝
，因纸带与限位孔之间存在阻力等，测量的动摩擦因数偏大．
答案：
（1）0.495m/s2至0.497m/s2之间均可
（2）CD
（3）
偏大 纸带与限位孔之间存在阻力等
8．（2014·高考山东卷）某实验小组利用弹簧秤和刻度尺，测量滑块在木板上运动的最大速度．
实验步骤：
①用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力，记作G；
②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上，通过水平细绳和固定弹簧秤相连，如图甲所示．在A端向右拉动木板，待弹簧秤示数稳定后，将读数记作F；
甲
③改变滑块上橡皮泥的质量，重复步骤①②；
实验数据如下表所示：
G/N
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
F/N
0.59
0.83
0.99
1.22
1.37
1.61
④如图乙所示，将木板固定在水平桌面上，滑块置于木板上左端C处，细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物P连接，保持滑块静止，测量重物P离地面的高度h；
乙
⑤滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的D点（未与滑轮碰撞），测量C、D间的距离s.
完成下列作图和填空：
（1）根据表中数据在给定坐标纸上作出F-G图线．
（2）由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数μ＝________（保留2位有效数字）．
（3）滑块最大速度的大小v＝________（用h、s、μ和重力加速度g表示）．
解析：
（1）在坐标系中描点，用平滑的曲线（直线）将各点连接起来，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧．
（2）根据F＝μG，F-G图线的斜率反映了滑块与木板间的动摩擦因数，所以μ≈0.40.
（3）根据牛顿第二定律，P落地后，滑块运动的加速度的大小为a＝
＝μg，且P落地后滑块的位移x＝s－h，根据速度和位移的关系得0－v2＝－2ax
所以滑块的最大速度
v＝
＝
.
答案：
（1）见解析图
（2）0.40（0.38～0.42均正确）
（3）
第2讲 电学实验
一、电学仪表
1．电流表、电压表、欧姆表的使用与读数
仪器
极性
量程选择
读数
电流表
有正、负
极的电
表，电流
由电表的正极流
入，负极
流出
使指针指
示比满偏
刻度
多的位置
若最小分度为1、0.1、0.01等，需要估读到最小分度的下一位；如果最小分度不是1、0.1、0.01等的只需要读到最小分度位即可
电压表
欧姆表
使指针尽
量指在表
盘的中间
位置附近
取两位有效数字并乘以相应挡位的倍率
2.欧姆表原理
（1）电路：
欧姆表是多用电表电阻挡的一个挡位，电路如图．
电流的流向：
使用欧姆挡时，多用电表内部电池的正极接的是黑表笔，负极接的是红表笔，从电表外部看，电流从红表笔流入，从黑表笔流出．
（2）调零：
当红、黑表笔短接时，表头电流表指针满偏，此时Ig＝
.
（3）测量：
当红、黑表笔之间接电阻Rx时，电路中电流I＝
，Rx的一个值对应I的一个值，故将电流刻度标上相应的电阻刻度，即可直接读出待测电阻Rx的阻值．
（4）中值电阻：
当被测电阻Rx＝R＋Rg＋r时，电流变为满偏电流的一半，欧姆表指针指向刻度正中央，称为“中值电阻”．
3．电学仪表的选择
一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表；根据待测电流的最大电流选择电流表；选择的电表的量程应使电表的指针偏转的幅度较大，一般应使指针能达到半偏以上，以减小读数的偶然误差，提高精确度．
二、电流表内、外接法的比较与选择
1．内、外接法的比较
比较项目
电流表内接法
电流表外接法
电路
误差来源
电流表的分压
电压表的分流
测量结果
R测＝
>Rx，偏大
R测＝
适用条件
Rx≫RA（测大电阻）
RV≫Rx（测小电阻）
2.内、外接法的选择
（1）比值判断法：
若
＜
，Rx为大电阻，内接法误差小，应选用内接法；若
＞
，Rx为小电阻，外接法误差小，应选用外接法．
（2）试触法：
当无法估计电阻的阻值，难以比较
及
的大小时，可采用电压表试触法看电流表、电压表变化大小来确定．
三、控制电路（滑动变阻器的接法）的比较与选择
1．控制电路的比较
比较项目
限流式接法
分压
升级会员 