全国高考考前必考考点命题揭秘之实验力学实验.docx
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全国高考考前必考考点命题揭秘之实验力学实验
物理实验是高考的主要内容之一。
高考分数15分，占卷面13.6%。
全国新课标高考物理《考试大纲》就高考物理实验共列出11个考点，其中力学6个、电学5个。
要求会正确使用的仪器主要有：
刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧秤、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等，并且对实验误差问题及有效数字问题提出了明确的要求。
物理实验年年考，年年有变化．从近年的实验题来看，其显著特点体现在如下几个方面：
1.注重基本仪器的使用与读数
基本仪器的使用和操作方法类考题侧重考查仪器的设计原理、操作技能和读数规则，其中要注意有效数字的选取。
该题型主要以填空为主，且题目已由单纯考查仪器的使用变得更加综合。
2.注重物理思想方法的迁移与应用
将教材中的实验原理和方法进行迁移来设计实验，测量并解决其他的物理问题能很好地考查考生思维的灵活性、发散性与应用性这是高考实验题命题的一种思路与方法。
3.注重学生分组实验的变化与创新
只有创新，试题才有魅力；也只有变化，才能永葆实验考核的活力。
近年来，固定模式的学生实验已经从高考物理实验题中淡出，取而代之的是学生尚未接触过的要通过解读物理原理的新颖实验（如应用性、设计性、专题性实验等）。
创新的实验题可以使能力考核真正落到实处。
伏安法测电阻、测电源的电动势与内阻、研究匀变速直线运动等是教材中的学生分组实验，对这些基本实验的创新与变化的考查在高考中出现的频率很高，应引起我们的高度重视。
4.注重实验问题的引申与探究
对问题的引申与探究能扩大和巩固研究成果，使问题的研究向更深入发展，能很好地体现出新课程课堂探究式的学习要求。
5.注重实验原理的理解与分析
实验原理是物理实验的灵魂。
理解实验原理是进行实验设计，方案评估，控制条件，测量分析的前提，也是用实验手段进行分析和解决问题的关键。
近年来，高考物理实验题既不是简单地回答“是什么”，也不是背诵“该怎样”，而是从物理实验情境中理解“为什么”，通过分析推理判断“确实是什么”，进而了解物理实验的每一个环节。
6.注重实验数据的分析与处理
能用适当的方法分析与处理实验数据，不仅是一种基本实验技能，也是灵活利用数学工具处理物理问题的一个重要表现方面。
在高考中实验的最后一问经常是对实验数据的处理。
年份
2019
2019
2019
试题展示
2019·全国卷Ⅰ，22；
2019·全国卷Ⅱ，22；
2019·全国卷Ⅲ，23；
2019·四川理综，8Ⅰ；
2019·江苏单科，11；
2019·北京理综，21；
2019·新课标全国Ⅰ，22；
2019·新课标全国Ⅱ，22；
2019·浙江理综，21；
2019·重庆理综,6
（1）；
2019·福建理综，19
（1）；
2019·四川理综,8
（1）；
2019·新课标全国Ⅰ,22；
2019·新课标全国Ⅱ,23；
2019·大纲全国，22；
2019·浙江理综，21；
2019·天津理综,9
（2）；
2019·安徽理综，21（Ⅰ）；
从近三年高考对力学实验的考查，处处渗透着新课程信息，试题“来源于教材而不拘泥于教材”。
试题侧重对学生独立完成实验的能力的考查，实验命题并不回避学生做过的经典实验，只是在经典实验基础上做有限的变化，考查学生独立解决新问题的能力和知识迁移能力，体现新课程倡导的三维目标。
物理《考试说明》中确定的力学实验有：
研究匀变速直线运动、探究弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律。
其中有四个实验与纸带的处理有关，可见力学实验部分应以纸带的处理，打点计时器的应用为核心来展开复习。
近几年力学实验中与纸带处理相关的实验、力学创新实验是高考的热点内容，以分组或演示实验为背景，考查对实验方法的领悟情况、灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势。
要求考生掌握常规实验的数据处理方法，能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。
在2019年高考中力学实验可能从以下三方面出题：
1.直接考查考纲规定的实验,主要侧重于实验原理、仪器选择、实验操作、数据处理以及误差分析等方面。
2.将常规的某一计算类题目以实验题的形式设置情景,通过操作获取数据,然后进行数据处理,得到结果或规律。
3.将常规实验方法迁移,结合物理规律对某一问题进行验证或探究,或测量某一物理量,全面考查考生的物理素养。
对力学实验的考查基本上以创新题出现，试题源于教材，又高于教材，总体来说其变化在于：
同一实验可用于不同装置，同一装置可完成不同实验。
1.【2019·全国新课标Ⅲ卷】（10分）某物理课外小组利用图（a）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：
（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快，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图像，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图像如图（b）所示；由图（b）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
0.20
0.58
0.78
1.00
（4）利用表中的数据在图（c）中补齐数据点，并作出a-n图像。
从图像可以看出：
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。
（5）利用a–n图像求得小车（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．a–n图线不再是直线
B．a–n图线仍是直线，但该直线不过原点
C．a–n图线仍是直线，但该直线的斜率变大
【解析】（3）因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，故将（2，0.78）代入
可得
。
（4）根据描点法可得如图所示图线
【答案】（3）0.39（4）如图所示（5）0.45（6）BC
【方法技巧】对于高中实验，要求能明确实验原理，认真分析各步骤，从而明确实验方法；同时注意掌握图象的性质，能根据图象进行分析，明确对应规律的正确应用。
2.【2019·江苏卷】某同学用如题1图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带为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
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．
（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=
计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如题11–2图所示，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。
（3）下表为该同学的实验结果：
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。
【解析】
（1）小球下落的高度为初末位置球心间的距离，所以选B；
（2）由题图知读数为1.50cm，小球的速度为
，代入数据解得v=1.50m/s；
（3）若是空气阻力造成的，则ΔEk小于ΔEp，根据表格数据知ΔEk大于ΔEp，故不是空气阻力造成的。
【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
。
【方法技巧】本题重在考查实验的误差分析，空气阻力的影响是使得一部分势能转化为内能，势能的减少量大于动能的增加量。
3.【2019·新课标全国卷Ⅱ，22】某同学用图（a）所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数。
已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图（b）所示，图中标出了五个连续点之间的距离。
（1）物块下滑时的加速度a＝________m/s2，打C点时物块的速度v＝________m/s；
（2）已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是________（填正确答案标号）。
A.物块的质量B.斜面的高度C.斜面的倾角
【答案】
（1）3.251.79
（2）C
4.【2019·四川理综，8
（1）】某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时，安装好实验装置，让刻度尺零刻度与弹簧上端平齐，在弹簧下端挂1个钩码，静止时弹簧长度为l1，如图所示，图14是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺（最小分度是1毫米）上位置的放大图，示数l1＝________cm。
在弹簧下端分别挂2个、3个、4个、5个相同钩码，静止时弹簧长度分别是l2、l3、l4、l5。
已知每个钩码质量是50g，挂2个钩码时，弹簧弹力F2＝___N（当地重力加速度g＝9.8m/s2）。
要得到弹簧伸长量x，还需要测量的是______，作出F－x曲线，得到弹力与弹簧伸长量的关系。
【答案】25.850.98弹簧原长
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
（1）实验仪器不精密
（2）实验原理不完善
（3）实验方法粗糙
总是偏大
或总是偏小
（1）更新仪器
（2）完善实验原理
偶然
误差
（1）测量不准确
（2）读数不准确
忽大忽小
（1）多次测量求平均值
（2）累积法
（3）图像法
2.有效数字
（1）有效数字的最后一位是测量者估读出来的,是误差的来源.
（2）有效数字位数为从数的左边第一个不为零的数字算起的位数,如0.0125为三位有效数字.
二、基本仪器的使用和读数
1．长度测量类
（1）游标卡尺的读数
游标尺（mm）
精度（mm）
测量结果（游标尺上第n个格与主尺上的某刻度线对正时）（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
（2）螺旋测微器的读数方法：
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。
①注意半毫米刻度线是否露出;②估读,最后结果要估读一位数,即使固定刻度的零点正好与可动刻度的某一刻度线对齐,千分位上也应读取为“0”。
（1）10分度的游标卡尺，以mm为单位，小数点后只有1位，而20分度和50分度的游标卡尺，以mm为单位，小数点后有2位，且对齐格数不估读。
（2）螺旋测微器，以mm为单位，小数点后必须有3位，对齐格数要估读，同时还要注意半毫米刻度线是否露出。
2．时间测量类
（1）机械秒表的读数
①原理：
机械秒表的长针是秒针，转一周是30s。
因为机械表采用的是齿轮传动，指针不可能停留在两小格之间，所以不能估读出比0.1s更短的时间。
位于秒表上部中间的小圆圈里面的短针是分针，指针走一圈15min，每小格为0.5min。
②秒表的读数方法是：
T＝短针读数（t1）＋长针读数（t2）。
（2）打点计时器
计时器种类
工作电源电压
打点间隔
电磁打点计时器
交流50Hz,4V～6V
0.02s
电火花打点计时器
交流50Hz,220V
0.02s
a.要先打点后拉动纸条；b.不能用直流电源；c.区分计时点和计数点，若每5个计时点取1个计数点，此时计数点的时间间隔为0.1s。
（3）频闪照相机
其作用和处理方法与打点计时器类似，它是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，使用时要明确频闪的时间间隔。
（4）光电计时器：
记录遮光时间。
三、“纸带类”（或“直线运动”类）实验
1.研究匀变速直线运动
（1）实验原理
a．由纸带判断物体做匀变速直线运动的方法：
如图所示，0、1、2……为时间间隔相等的各计数点，s1、s2、s3、……为相邻两计数点间的距离，若△s=s2-s1=s3-s2=……=恒量，即若连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量，则与纸带相连的物体的运动为匀变速直线运动。
b．由纸带求物体运动加速度的方法：
（1）用“逐差法”求加速度：
即根据s4-s1=s5-s2=s6-s3=3aT2（T为相邻两计数点间的时间间隔）求出a1=
、a2=
、a3=
，再算出a1、a2、a3的平均值即为物体运动的加速度。
（2）用v-t图法：
即先根据vn=
求出打第n点时纸带的瞬时速度，后作出v-t图线，图线的斜率即为物体运动的加速度。
（2）操作关键
①不要分段测量各段位移,应依次测出各计数点与第0个计数点的距离,再逐个计算x1,x2,x3…读数时要注意有效数字的要求.
②尽可能保证小车做匀加速直线运动的方法
a.细绳尽可能与长木板面保持平行;
b.长木板表面粗糙程度、纸带与打点计时器之间的摩擦基本保持一致。
【案例探究】
【2019·天津卷】某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动。
①实验中必要的措施是______。
A．细线必须与长木板平行B．先接通电源再释放小车
C．小车的质量远大于钩码的质量D．平衡小车与长木板间的摩擦力
②他实验时将打点计时器接到频率为50HZ的交流电源上，得到一条纸带，打出的部分计数点如图所示（每相邻两个计数点间还有4个点，图中未画出）。
s1=3.59cm，s2=4.41cm，s3=5.19cm，s4=5.97cm，s5=6.78cm，s6=7.64cm。
则小车的加速度a=______m/s2（要求充分利用测量的数据），打点计时器在打B点时小车的速度vB=_______m/s。
（结果均保留两位有效数字）
【答案】①AB②0.800.40
【名师点睛】此题是一道考查研究小车的匀变速直线运动的常规实验题；注意不要把此实验与验证牛顿第二定律的实验相混淆；在验证牛顿第二定律的实验中，要求小车的质量远大于钩码的质量和平衡小车与长木板间的摩擦力，但在此实验中是不必要的；此题考查学生对力学基本实验的掌握情况。
2.验证牛顿运动定律
（1）实验原理
小车的质量m不变,讨论a与F的关系,再控制小桶和沙的质量不变,即F不变,讨论a与m的关系。
（2）操作关键
①平衡摩擦力;
②小车与车上所加砝码的总质量远大于小桶和沙的总质量。
3.探究动能定理
（1）实验原理
小车在一根橡皮筋的作用下弹出,用2根、3根…同样的橡皮筋进行第2次、第3次…实验时,每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致,如果把第一次实验时橡皮筋做的功记为W,以后各次做的功就是2W,3W…小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出,作出W-v（或W-v2,W-v3等）曲线探究。
（2）操作关键
①平衡摩擦力;
②选间距均匀的那一段纸带来计算小车的速度。
4.验证机械能守恒定律
（1）实验原理
当物体自由下落时，只有重力做功，物体的重力势能和动能互相转化，机械能守恒。
若某一时刻物体下落的瞬时速度为v，下落高度为h，则应有：
mgh=
mv2，借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能是否守恒，实验装置如图所示。
测定第n点的瞬时速度的方法是：
测出第n点的相邻前、后两段相等时间T内下落的距离sn和sn+1，由公式
vn=
，或由vn=
算出。
（2）操作关键
重物应选用质量和密度较大的物体以减小摩擦阻力的影响。
若验证mgh12=
mv22—-
mv12,h12为1、2两点间的距离，v1、v2为打1、2两点时分别对应的瞬时速度。
四、“静止平衡类”实验
1.探究弹力和弹簧伸长量的关系
（1）实验原理
要测出每次悬挂重物的重力大小F和弹簧伸长的长度x,建立F-x坐标系,描点作图探究。
（2）操作关键
①实验中不能挂过多的钩码,以防使弹簧超过弹性限度。
②作图像时,不要连成“折线”,而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在直线两侧。
2.验证力的平行四边形定则
（1）实验原理
使一个力作用效果跟两个力共同作用效果相同。
（2）操作关键
①每次拉伸结果位置O必须保持不变;
②记下每次各力的大小和方向;
③画力的图示时应选择适当的标度。
五、力学创新拓展实验
1.力学创新型实验的特点
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——图像法、逐差法,融入到实验的综合分析之中。
2.创新实验题的解法
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,应用原理公式或图像法处理实验数据,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。
【案例探究】
如图（甲）所示,力传感器A与计算机相连,可获得力随时间变化的规律.将力传感器固定在水平桌面上,测力端通过轻质细绳与一滑块相连,调节传感器高度使细绳水平,滑块放在较长的小车上,滑块的质量m=1.5kg,小车的质量为M=2.0kg,小车与桌面间的摩擦忽略不计.一根轻质细绳跨过光滑的轻质滑轮,其一端连接小车,另一端系一只空沙桶,调节滑轮使桌面上部细绳水平,整个装置处于静止状态.现打开传感器,同时缓慢向沙桶里倒入沙子,当小车刚好开始运动时,立即停止倒沙子.若力传感器采集的F-t图像如图（乙）所示,重力加速度g取10m/s2,则
（1）滑块与小车间的动摩擦因数μ= ;小车稳定运动的加速度大小
a= m/s2.
（2）若实验中传感器测力端与滑块间的细绳不水平,左端略低一些,由此而引起的误差属于 （填“偶然误差”或“系统误差”）,它会导致动摩擦因数μ的测量结果 （填“偏大”或“偏小”）.
分析：
（1）当小车由静止刚好开始运动时，滑块与小车间的摩擦力是最大静摩擦力，此时小车处于静止状态，第小车进行受力分析求出沙桶及所装沙子的总质量，对滑块进行受力分析，由图象求出传感器对滑块的拉力，由平衡条件求出滑块受到的摩擦力，进而求出动摩擦力因数；
（2）对沙桶及所装沙子、小车进行受力分析，根据牛顿第二定律列式，联立方程即可求解加速度。
对沙桶及所装沙子，根据牛顿第二定律得：
m0-T=m0a…①
对小车运用牛顿第二定律得：
T-f=Ma…②
由①②解得：
a=0.5m/s2
（2）传感器测力端与滑块间的细绳不水平,左端略低一些,则绳的拉力增大了正压力,绳在水平方向的分量平衡滑动摩擦力,传感器示数大于滑动摩擦力,所测动摩擦因数偏大,由此引起的误差属于系统误差.
【答案】
（1）0.30.5
（2）系统误差 偏大
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