高考物理知识点之力学实验.docx

1、高考物理知识点之力学实验高考物理知识点之力学实验一、误差和有效数字1.误差测量值与真实值的差异叫做误差。误差可分为系统误差和偶然误差两种。（1）系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。（2）偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。减小偶然误差的方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。2.有效数字带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字。（1）有效数字是指近似数字而言。（2）只能带有一位不可靠数字，不是位数越多越好。注：凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值（可

2、靠数字）后，再向下估读一位（不可靠数字），这里不受有效数字位数的限制。间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用23位有效数字表示。二、考试大纲规定的学生实验1.长度的测量（游标卡尺和螺旋测微器）（1）游标卡尺10分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.9mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.1mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出0.1毫米位的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，0.1毫米位就读几（不能读某）。其读数准确到0.1mm。20分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.95mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.05mm。读数时先从主尺

3、上读出厘米数和毫米数，然后用游标 读出毫米以下的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，毫米以下的读数就是几乘0.05毫米。其读数准确到0.05mm。50分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.98mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.02mm。这种卡尺的刻度是特殊的，游标上的刻度值，就是毫米以下的读数。这种卡尺的读数可以准确到0.02mm。注意：游标卡尺都是根据刻线对齐来读数的， 所以都不再往下一位估读。要知道主要构造的名称：主尺、游标尺、外测量爪、内测量爪、深度尺、紧固螺钉。（2）螺旋测微器固定刻度上的最小刻度为0.5mm（在中线的上侧）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.

4、5mm。在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以相邻两条刻线间代表0.01mm。读数时，从固定刻度上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分（因为是10分度，所以在最小刻度后必须再估读一位），再把两部分读数相加，得测量值。要知道主要构造的名称：以下的-依次是：测砧、测微螺杆、固定刻度、可动刻度、旋钮、微调旋钮和尺架。例1 读出下列游标卡尺测量的读数。 解：（1）2.98cm；（2）6.170cm；（3）1.050cm例2 读出下列螺旋测微器测量的读数。 解：（1）0.642mm ；（2）10.294mm2.互成角度的两个共点力的合成（1）原理是两只弹簧秤成角度拉橡皮条AB和一只弹簧秤拉

5、 橡皮条AB的效果相同，这个效果就是指橡皮条的形变量（大小和方向）相同。（2）在画力的图示时，必须有箭头、标度、刻度。（3）实验往往有一定的偶然误差，只要用平行四边形定则求得的合力F和一只弹簧秤的拉力F / 的图示大小和方向在误差允许的范围内相同就可以了。例3 橡皮筋的一端固定在A点，另一端栓上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5N、最小刻度为0.1N的弹簧测力计，沿着两个不同的方向拉弹簧测力计。当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图所示。这时弹簧测力计的读数可从图中读出。由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为_N和_N。（只须读到0.1N）在右图的方格纸中按作图法的要求画出这

6、两个力及它们的合力。解：（1）2.5N和4.0N （2）注意平行四边形中的实线、虚线的区别和箭头、标度、单位。3.测定匀变速直线运动的加速度（1）纸带处理。从打点计时器重复打下的多条纸带中选点迹 清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，从便于测量的地方取一个开始点O，然后每5个点取一个计数点A、B、C、（或者说每隔4个点取一个记数点），这样做的好处是相邻记数点间的时间间隔是0.1s，便于计算。测出相邻计数点间的距离s1、s2、s3 （2）利用s1、s2、s3 可以计算相邻相等时间内的位移差s2-s1、s3- s2、s4- s3，如果它们在允许的误差范围内相等，则可以判定被测物体的运动是匀变速直线运

7、动。（3）利用纸带可以求被测物体在任一计数点对应时刻的瞬时速度v：如（4）利用纸带求被测物体的加速度a。具体来说又有3种方法： “逐差法”：从纸带上得到6个相邻相等时间内的位移，则 利用任意两段相邻记数点间的位移求a：如 利用v-t图象求a：求出A、B、C、D、E、F各点的即时速度，画出如右的v-t图线，图线的斜率就是加速度a。例4 某同学在做“测定匀变速直线运动的加速度”实验时，从打下的若干纸带中选出了如图所示的一条（每两点间还有4个点没有画出来），图中上部的数字为相邻两个计数点间的距离。打点计时器的电源频率为50Hz。 由这些已知数据计算：该匀变速直线运动的加速度a=_m/s2。与纸带上D

8、点相对应的瞬时速度v=_ m/s。（答案均要求保留3位有效数字）4.验证牛顿第二运动定律（1）了解该实验的系统误差的来源。用砂和砂桶的总重量代替小车受到的拉力。由牛顿第二定律可知，由于砂桶也在做匀加速运动，因此砂和砂桶的总重量肯定大于小车受到的实际拉力。可以推导出结论：只有在小车的总质量M远大于砂和砂桶的总质量m时，才能使该系统误差足够小。没有考虑摩擦阻力的作用。应该用平衡摩擦力的方法来消除这个系统误差。（2）为研究a、F、m三者的关系，要利用“控制变量法”，分别研究a与F、 a与m的关系。（3）用图象法验证aF、 am-1（后者必须用a-m-1图象，不能用a-m图象）例5 一打点计时器固定在

9、斜面上某处，一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下，如右图所示。下图是打出的纸带的一段。已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，利用下图给出的数据可求出小车下滑的加速度a=_。为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，还需要测量的物理量有_。用测得的量及加速度a表示阻力的计算式为f=_。解： （1）3.89m/s2 （2）小车质量m；斜面上任意两点间距离l及这两点的高度差h。mgh/l-ma 5.碰撞中的动量守恒（1）每次入射小球都应该从斜槽轨道的同一位置开始自由下滑。（2）被碰小球的位置必须与入射小球等高，其中心与斜槽末端的水平距离恰好是小球半径的2倍。（3）由于v1、v1/、v2/ 均为水

10、平方向，且两球的竖直下落高度相等，所以它们飞行时间相等，若以该时间为时间单位，那么小球的水平射程的数值就等于它们的水平速度。在右图中分别用OP、OM和O /N表示。因此只需验证：m1 OP=m1 OM+m2 (O /N-2r）即可。（4）必须以质量较大的小球作为入射小球（保证碰撞后两小球都向前运动）。（5）小球落地点的平均位置要用圆规来确定：用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面，圆心就是落点的平均位置。（6）所用的仪器有：天平、刻度尺、游标卡尺（测小球直径）、碰撞实验器、复写纸、白纸、重锤、两个直径相同质量不同的小球、圆规。（7）若被碰小球放在斜槽末端，而不用支柱，那么两小球将不再同时落地，但两

11、个小球都将从斜槽末端开始做平抛运动，于是验证式就变为：m1 OP=m1 OM+m2 ON，两个小球的直径也不需测量了（但必须相等）。例6 在“碰撞中的动量守恒”实验中，仪器按要求安装好后开始实验，第一次不放被碰小球，第二次把被碰小球直接静止放在斜槽末端的水平部分，在百纸上记录下重锤位置和各小球落点的平均位置依次为O、A、B、C，设入射小球和被碰小球的质量依次为m1、m2，则下列说法中正确的有A.第一、二次入射小球的落点依次是A、BB.第一、二次入射小球的落点依次是B、AC.第二次入射小球和被碰小球将同时落地D. m1 AB= m2 OC解：最远的C点一定是被碰小球的落点，碰后入射小球的速度将减

12、小，因此选B；由于被碰小球是放在斜槽末端的，因此被碰小球飞出后入射小球才可能从斜槽末端飞出，两小球不可能同时落地；由动量守恒得m1 OB= m1 OA+m2 OC，选D。答案是BD。6.研究平抛物体的运动（1）斜槽末端的切线必须水平。（2）用重锤线检验坐标纸上的竖直线是否竖直。（3）以斜槽末端所在的点为坐标原点。（4）如果是用白纸，则应以斜槽末端所在的点为坐标原点，在斜槽末端悬挂重锤线，先以重锤线方向确定y轴方向，再用直角三角板画出水平线作为x轴，建立直角坐标系。（5）每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始下滑。（6）由描迹法得到小球平抛的轨迹，从轨迹上任何一点的横纵坐标都可以计算出该平抛物体

13、抛出时的初速度。（7）若用闪光照相来研究，所得到的照片上相邻小球间的时间间隔是相等的，利用这一 结论和运动分解的知识，可以求小球平抛的初速度，也可以求小球在任何一个位置的瞬时速度。例7.如图所示，在“研究平抛物体的运动”的实验中，某同学按要求描绘出了小球做平抛运动过程中的三个点A、B、C，并利用刻度尺量出了三点的坐标依次是A(0.369，0.112)、B(0.630，0.327)、C(0.761，0.480)，单位为m 。又称得小球的质量为20g，试计算小球平抛的初动能EK。解：小球的初速度，因此初动能，带入数据后得：EK1=0.0596J，EK2=0.0594J，EK3=0.0591J，因此

14、初动能的平均值为EK=0.0594J7.验证机械能守恒定律本实验要求验证自由下落过程中机械能守恒，图示纸带的左端是用夹子夹重物的一端。（1）要多做几次实验，选点迹清楚，且第一、二两点间距离接近2mm的纸带进行测量。（2）用刻度尺量出从0点到1、2、3、4、5各点的距离h1、h2、h3、h4、h5，利用“匀变速直线运动中间时刻的即时速度等于该段位移内的平均速度”，算出2、3、4各点对应的即时速度v2、v3、v4，验证与2、3、4各点对应的重力势能减少量mgh和动能增加量是否相等。（3）由于摩擦和空气阻力的影响，本实验的系统误差总是使（4）本实验不需要在打下的点中取计数点。也不需要测重物的质量。例

15、8在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如右。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点.该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离,并记录在图中(单位cm)。（1）这三个数据中不符合有效数字读数要求的是_ ,应记作_cm。（2）该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g=9.80m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的即时速度，则该段重锤重力势能的减少量为_，而动能的增加量为_，(均保留3位有效数字，重锤质量用m表示).这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量，原因是_。（3）另一位同学根据同一条纸带，同

16、一组数据，也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，不过他数了一下：从打点计时器打下的第一个点O数起，图中的B是打点计时器打下的第9个点。因此他用vB=gt计算跟B点对应的物体的即时速度，得到动能的增加量为_，这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量,原因是_。解： （1）OC，15.70 （2）1.22m，1.20m，大于，v是实际速度，因为有摩擦生热，减少的重力势能一部分转化为内能；（3）1.23m，小于，v是按照自由落体计算的，对应的下落高度比实际测得的高度要大。8.用单摆测定重力加速度（1）摆长的测量：让单摆自由下垂，用米尺量出摆线长L/（读到0.1mm），用游标卡尺量出

17、摆球直径（读到0. 1mm）算出半径r，则摆长L=L/+r（2）开始摆动时需注意：摆角要小于5（要保证做简谐运动，不要使摆动成为圆锥摆）（3）从摆球通过最低点时开始计时，测出单摆做50次全振动所用的时间，算出周期的平均值T。（4）改变摆长重做几次实验，计算每次实验得到的重力加速度，再求这些重力加速度的平均值。例9一组同学在做“用单摆测定重力加速度”的实验中，用正确的操作方法，测定了6组摆长L和周期T的对应值。为了求出当地的重力加速度g，4位同学提出了4种不同的方法：从测定的6组数据中任意选取1组，用公式g=42L/T 2求出g作为测量值；分别求出6个L值的平均值和6个T值的平均值，用公式g=4

18、2/2求出g作为测量值；分别用6组L、T的对应值，用公式g=42L/T 2求出6个对应的g值，再求这6个g的平均值作为测量值；在坐标纸上作出T 2-L图象，从图象中计算出图线的斜率K，根据g=42/K求出g作为测量值。 你认为以上4种方法中，错误的是哪一种_（填代号即可），其余正确方法中偶然误差最小的是哪一种_(填代号即可)。解：错误的是，因为L和T之间不是一次函数的关系。偶然误差最小的是，因为偶然误差总是有时偏大有时偏小。而描点后画线时要求尽可能多的点在该直线上，其余点尽可能均衡地分布在该直线两侧，实际上是把偶然误差减小到最小了。例10某同学在家里做用单摆测定重力加速度的实验，但没有合适的摆

19、球，他找到了一块大小为3cm左右，外形不规则的大理石块代替小球。他设计的实验步骤是： A.将石块用细尼龙线系好，结点为M，将尼龙线的上端固定于O点 B.用刻度尺测量OM间尼龙线的长度L作为摆长 C.将石块拉开一个大约=30的角度,然后由静止释放 D.从摆球摆到最高点时开始计时，测出30次全振动的总时间t,，由T=t/30得出周期 E.改变OM间尼龙线的长度再做几次实验，记下相应的L和T F.求出多次实验中测得的的平均值作为计算时使用的数据,带入公式求出重力加速度g 你认为该同学以上实验步骤中有重大错误的是_。为什么? 该同学用OM的长作为摆长，这样做引起的系统误差将使重力加速度的测量值比真实值

20、偏大还是偏小?_。你认为用什么方法可以解决摆长无法准确测量的困难?解：（1）B（摆长应从悬点到大理石块的质心）、C（摆角太大，不能看作简谐运动）、F（必须先分别求和各组L和T值对应的g，再取所求得的各个g的平均值）。（2）小。设两次实验中摆线长分别为L1、L2，对应的周期分别为T1、T2，石块质心到M点的距离为x，由和可解得9.设计实验举例例11 利用手头的常用仪器，粗略测定玩具手枪子弹射出时的初速度。除玩具手枪外，所给的测量仪器为：只有秒表；只有米尺。解：（1）若只有秒表，可如图(a)，将玩具手枪从地面竖直向上发射子 弹，用秒表记下从发射到子弹落会地面所用的时间t，则子弹上升的时间为t/2，

21、故子弹初速度v0=gt/2。 （2）若只有米尺，可如图(b)，将玩具手枪子弹从某一高度处水平射出，用米尺测量射出时离地面的高度h和水平射程s，则子弹初速度。砝码质量(g)0306090120150弹簧总长(cm)6.007.158.349.4810.6411.79弹力大小(N)例12 某同学在做探究弹力和弹簧伸长的关系的实验中，设计了如图所示的实验装置。所用的钩码每只的质量都是30g，他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次都测出相应的弹簧总长度，将数据填在了下面的表中。(弹力始终未超过弹性限度，取g=9.8m/s2)（1）试根据这些实验数据在右图给定的坐标纸上作出弹簧所受弹力大小F跟弹簧总长L之间的函数关系图线，说明图线跟坐标轴交点的物理意义。（2）上一问所得图线的物理意义是什么?该弹簧的劲度k是多大?解：（1）根据实验数据在坐标纸上描出的点，基本上在同一条直线 上。可以判定F和L间是一次函数关系。画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线上的点均匀地分布在直线两侧。该图线跟横轴交点的横坐标表示弹簧的原长。（2）图线的物理意义是表明弹簧的弹力大小和弹簧伸长量大小成正比。由可得k=25N/m。