力学实验专题.doc

2015年高三物理二轮复习力学实验专题专题分析：高考物理试题中，实验是必考内容，且近年来越来越受到重视。高考实验题除了对教材原有学生实验进行考查外，还把考查内容延伸到演示实验中，甚至拓展到迁移类实验、应用性实验、设计性实验以及“研究性学习”类实验。要求学生利用所学知识，对实验仪器或实验方法重组，将教材中的学生实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到情景新颖的实验中去，高考物理实验题具有以下几个特点：1重视对实验操作能力的考查运用图象与表格分析处理实验数据；实验结论的总结及误差分析；实验方案的改进创新等 2重视对基本仪器的读数，重要实验方法及游标卡尺、螺旋测微器的读数 3. 设计性实验是考查的热点在近几年的各地高考中设计性的实验题比较多，此类实验能够综合考查考生创造性地应用已学知识、方法、原理，灵活处理陌生实验问题的能力，要求学生有较高的知识迁移能力、实验设计能力 对物理实验的考查通常是以独立题型出现，在高考中实验试题的命题一般是一个力学实验和一个电学实验一个以考查演示实验或基本实验的基础实验知识、基本实验技能为主；另一个一般以考纲要求的基本实验为载体进行必要的改进和创新，考查考生对基本实验的理解能力、迁移能力和创新能力一、测量读数类仪器使用 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。同理20分度的游标卡尺，其读数准确到0.05mm。50分度的游标卡尺读数准确到0.02mm。读数方法相同。方法总结：（1）主尺上的读数，应以游标的0刻度左端上主尺的刻度为准；（2）看清游标的精确度；（3）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。6780 10 20cm3 4 cm0 5 10例1、读出下列游标卡尺测量的读数 cm cm2、螺旋测微器固定刻度上的最小刻度为0.5mm（半毫米刻度）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。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。方法总结：（1）看半刻度是否露出；（2）可动刻度要估读。例2、 读出下列螺旋测微器测量的读数。010 150 5 1025 30 mm mm 3、多用电表多用电表的使用方法：使用前应查看指针是否指在刻度盘左端零刻线处。如不在，应进行机械调零。方法是用小螺丝刀轻旋表头正下方中央处的调零螺丝，使指针指左端零刻线。根据被测物理量及其数量级将选择开关旋到相应的位置。读数时还要注意选用刻度盘上对应的量程刻度。（如测量20mA左右的直流电流，应将选择开关对准左边100mA量程处；在刻度盘上，应该看最下一行刻度，即满偏刻度为10的刻度线，从刻度盘读出数据后还应再乘10，得测量结果。）1k 100 10 1OFF2.5 10 50 250 500 2.550mA10010150010250V+V使用欧姆挡时，先选好倍率，再进行欧姆调零。方法是：将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。用多用电表的欧姆挡测电阻的操作步骤是：选倍率。一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率。如估计值为200就应该选10的倍率。 进行欧姆调零。将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。将指针示数乘以倍率，得测量值。将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。使用多用电表时，两只手只能握住表笔的绝缘棒部分，不能接触表笔上的金属部分（首先是为了安全；其次两手之间的人体电阻将与被测电路并联，改变了电路结构）。不论使用多用电表的哪个挡，电流总是从多用电表的正接线柱（红表笔）进入电表，而从负接线柱（黑表笔流出）。方法总结：用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小（即指针所指的刻度值太大），应该增大倍率重新调零后再测；如果指针偏转角度太大（即指针所指的刻度值太小），应该减小倍率重新调零后再测。例3多用电表表头的示意图如右。在正确操作的情况下： 若选择开关的位置如灰箭头所示，则测量的物理量是_，测量结果为_。若选择开关的位置如白箭头所示，则测量的物理量是_，测量结果为_。若选择开关的位置如黑箭头所示，则测量的物理量是_，测量结果为_。若选择开关的位置如黑箭头所示，正确操作后发现指针的偏转角很小，那么接下来的正确操作步骤应该依次为：_，_，_。全部测量结束后，应将选择开关拨到_或者_。无论用多用电表进行何种测量（限于直流），电流都0123V051015应该从色_表笔经_插孔流入电表。4、安培表和伏特表例4、右图是电压表的刻度盘。若当时使用的是该表的0-3V量程，那么电压表读数为 ；若当时使用的是该表的0-15V量程，那么电压表度数又为 。二、 “纸带类”实验 1、打点计时器 打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,它接在频率为50 Hz的交流电源上使用时,每隔0.02 s打一次点,因此,纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置.通过研究纸带上点迹间的距离,就可以确定物体的运动情况. 2、纸带的应用（1）利用纸带计算瞬时速度测出与n点相邻的前、后两段相等时间T内的距离sn和sn1,由公式vn算出.(如图143),在验证机械能守恒定律实验中,就是根据此法求得物体瞬时速度的.图143(2)当物体做匀速直线运动时，某段时间内的平均速度等于各个时刻的瞬时速度在“探究动能定理”实验中，就是据此求得物体最终获得的速度大小因此要选取纸带上打点间隔基本相等的部分进行测量 (3)利用纸带计算加速度 a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ssn1snaT2求加速度a，为了减小实验误差可用“逐差法”，snsm(nm)aT2.b图象法利用vn算出相应时刻点的速度，画出vt图象，根据图线的斜率计算加速度例题分析：在做“研究匀变速直线运动”的实验时,某同学得到一条用打点计时器打下的纸带如图149所示,并在其上取了A、B、C、D、E、F等6个计数点(每相邻两个计数点间还有4个计时点,本图中没有画出),打点计时器接的是220 V、50 Hz的交变电源.他把一把毫米刻度尺放在纸带上,其零刻度和计数点A对齐. 图149(1)按照有效数字的读数规则读出相邻计数点AB、BC、CD、DE、EF间的距离s1、s2、s3、s4、s5,它们依次为_cm、_cm 、_cm 、_cm 、_cm . (2)由以上数据计算打点计时器在打B、C、D、E各点时,物体的即时速度vB、vC、vD、vE依次是_m/s、_m/s、_m/s、_m/s. (3)根据以上结果,试用两种不同的方法计算该物体的加速度a. (4)根据(2)中得到的数据,试在如图1410所示的坐标系中,用作vt图象的方法，从图象中求物体的加速度a. 图1410 (5)从图象上求纸带上的A、F点所对应的物体的即时速度vA_m/s，vF_m/s.并由此计算：当打点计时器打下A点的时刻，物体已经从静止开始做匀加速运动_s了 (6)如果当时电网中交变电流的频率是f49 Hz,而做实验的同学并不知道,那么由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏_.理由是_ 解析:(1)毫米刻度尺要估读到十分之一毫米，由图可知s11.00 cm，s21.40 cm，s31.84 cm，s42.26 cm，s52.67 cm.(2)在匀变速直线运动中，某段时间的平均速度等于中间时刻的瞬时速度所以vB0.120 m/s，vC0.162 m/s，vD0.205 m/s，vE0.247 m/s.(3)法一：公式法a10.42 m/s2，a20.43 m/s2，a30.42 m/s2，a0.42 m/s2.法二：逐差法由公式a，得a10.42 m/s2，a20.42 m/s2，a30.42 m/s2，a0.42 m/s2.(4)图象如图1411所示 在vt图象中,图线的斜率即为加速度的数值.a m/s20.42 m/s2.图1411 变式探究：图1412是“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带,O、A、B、C、D和E为纸带上六个计数点,加速度大小用a表示. 图1412(1)OD间的距离为_cm. (2)图1413是根据实验数据绘出的st2图线(s为各计数点至同一起点的距离),斜率表示_,其大小为_m/s2(保留三位有效数字). 图1413解析：(1)1 cm1 mm2.01.20 cm.(2)加速度的一半，am/s20.467 m/s2，所以加速度大小a0.933 m/s2.三、测量性实验测量性实验一般以某一原理或物理规律(公式)为依据，通过测量相关的物理量，从而实现测定某个(或某些)物理量或物理常数的实验目的测量可分为直接测量和间接测量，高中物理实验涉及的测量性实验大多为间接测量实验，即通过直接测量和推导计算来间接得到待测量，联系直接测量量和待测量间的关系是该实验的实验原理(以纸带类问题为典型) 例题解析：利用图6-13-2所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离x，记下相应的t值；所得数据如下表所示完成下列填空和作图：(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度v1、测量值x和t四个物理量之间所满足的关系式是_；(2)根据表中给出的数据，在图6133给出的坐标纸上画出t图线；图6133(3)由所画出的t图线，得出滑块加速度的大小为a_ m/s2(保留2位有效数字)【点评】 本题是在教材学生实验研究匀变速直线运动的规律的基础上适度延伸和拓展命制的，属于间接测量性实验，考查考生对基本实验的理解和应用能力，属于最基本的实验能力要求，要求考生深刻理解基本实验原理，领悟其中渗透的实验思想、方法、理论，并能迁移应用四、验证性实验验证性实验要求用实验的方法来验证科学家已归纳、总结和证明了的结论，通过实验过程的再现，加深对规律适用条件和结论的理解解决验证性实验相关问题的关键是根据题目给定的实验条件、实验过程、实验情景领会命题意图，找出实验中应测定的物理量，明确在误差允许的范围内通过怎样的定量关系才能达到实验目的 例题解析：现要通过实验验证机械能守恒定律实验装置如图6135所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，x表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度用g表示重力加速度完成下列填空和作图： (1)若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_，动能的增加量可表示为_若在运动过程中机械能守恒，与x的关系式为 _.图6135(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(A点)下滑，测量相应的x与t值，结果如下表所示： 以x为横坐标，为纵坐标，在图6136的坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k_104 m1 s2(保留3位有效数字)图6136解析：(1)滑块从A运动到B的过程中，滑块的重力势能减少，砝码的重力势能增加mgx；滑块通过遮光片的速度v，此时系统的动能Ek(Mm)v2，此即为系统动能的增加量；若机械能守恒，则有mgx，即点评： 本题是验证机械能守恒定律实验的再设计，将传统实验方法中使用的打点计时器改为气垫导轨和光电计时装置，这需要学生从验证的机械能守恒定律出发，根据实验条件理解实验步骤，明确需要直接测量和间接计算哪些物理量，需要验证什么关系才能表示小车运动过程中的机械能守恒 变式探究：利用如图6-13-7所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v0和下落的高度h。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案A用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过vgt计算出瞬时速度v0B用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v计算出瞬时速度v0C根据做匀加速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度，并通过计算得出高度hD用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀加速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v0以上方案中只有一种正确，正确的是_(填入相应的字母)解析：选项A、B中用重力加速度g计算末速度，相当于已经承认该过程中机械能守恒，故选项A、B错误；高度h应该用刻度尺测出，故选项C错误、D正确五、探究性实验例题解析：某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律。物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）。从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图议所示。打点计时器电源的频率为50Hz。通过分析纸带数据，可判断物块在相邻计数点 和 之间某时刻开始减速。计数点5对应的速度大小为 m/s，计数点6对应的速度大小为 m/s。（保留三位有效数字）。物块减速运动过程中加速度的大小为= m/s2，若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数（g为重力加速度），则计算结果比动摩擦因数的真实值 （填“偏大”或“偏小”）。解析： 根据匀加速直线运动的推论，相邻相等时间内位移之差是常数，可知开始位移之差为2cm，所以6和7之间某时刻开始减速。计数点5对应的速度大小为，计数点6对应的速度大小为。物块减速运动过程中加速度的大小为，由于纸带与打点计时器之间有摩擦阻力,则计算结果比动摩擦因数的真实值偏大.变式探究：为测定木块与桌面之间的动摩擦因数,小亮设计了如图所示的装置进行实验. 实验中,当木块A 位于水平桌面上的O 点时,重物B 刚好接触地面. 将A 拉到P 点,待B 稳定后静止释放,A 最终滑到Q 点. 分别测量OP、OQ 的长度h 和s. 改变h,重复上述实验,分别记录几组实验数据.(1)实验开始时,发现A 释放后会撞到滑轮. 请提出两个解决方法.(2)请根据下表的实验数据作出s-h 关系的图象.(3)实验测得A、B 的质量分别为m = 0. 40 kg、M =0. 50 kg. 根据s -h 图象可计算出A 块与桌面间的动摩擦因数= _. (结果保留一位有效数字)(4)实验中,滑轮轴的摩擦会导致的测量结果_(选填“偏大”或“偏小”).解析：(1)减小B的质量；增加细线的长度(或增大A 的质量;降低B 的起始高度)(2)(见下图)(3)0. 4(4)偏大六、创新实验 创新实验方案的设计,一般应遵循以下四条原则 (1)科学性原则 (2)可靠性原则 (3)方便性原则 (4)准确性原则例题解析：如图17甲所示的装置叫做阿特伍德机，是英国数学家和物理学家阿特伍德(GAtwood 17461807)创制的一种著名力学实验装置，用来研究匀变速直线运动的规律某同学对该装置加以改进后用来验证机械能守恒定律，如图乙所示图17(1)实验时，该同学进行了如下操作：将质量均为M(A的含挡光片、B的含挂钩)的重物用绳连接后，跨放在定滑轮上，处于静止状态测量出_(填“A的上表面”、“A的下表面”或“挡光片中心”)到光电门中心的竖直距离h.在B的下端挂上质量为m的物块C，让系统(重物A、B以及物块C)中的物体由静止开始运动，光电门记录挡光片挡光的时间为t.测出挡光片的宽度d，计算有关物理量，验证机械能守恒定律(2)如果系统(重物A、B以及物块C)的机械能守恒，应满足的关系式为_(已知重力加速度为g)(3)引起该实验系统误差的原因有_(写一条即可)(4)验证实验结束后，该同学突发奇想：如果系统(重物A、B以及物块C)的机械能守恒，不断增大物块C的质量m，重物B的加速度a也将不断增大，那么a与m之间有怎样的定量关系？a随m增大会趋于一个什么值？请你帮该同学解决：写出a与m之间的关系式：_(还要用到M和g)a的值会趋于_解析：(1)、(2)需要测量系统重力势能的变化量，则应该测量出挡光片中心到光电门中心的竖直距离，系统的末速度为：v，则系统重力势能的减少量Epmgh，系统动能的增加量为：Ek(2Mm)v2(2Mm)()2，若系统机械能守恒，则有：mgh(2Mm)()2.(3)系统机械能守恒的条件是只有重力做功，引起实验系统误差的原因可能有：绳子有一定的质量、滑轮与绳子之间有摩擦、重物运动受到空气阻力