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00125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21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MM2螺旋测微器的读数方法测量值固定刻度可动刻度001MM估读值注意要估读到0001MM3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XXN1XNAT2XT2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12014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_MM22014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0410001MM0410MM2金属杆长度由刻度尺示数可得，由题图甲得L6010CM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D4MM10MM420150MM答案1B041026010420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G980M/S2单位CMX1X2X3X4HS107615051934236548008000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X3X12A1T2X4X22A2T2A，又知T01SA1A221F联立以上各式得A430M/S22如果斜面光滑，根据牛顿第二定律得，物块下滑的加速度AGSING588HSM/S2A，所以斜面是粗糙的答案1430M/S22AG588M/S2HS总结提升打点计时器及纸带类问题的处理方法1打点计时器的认识和正确使用电磁打点计时器工作电压为低压交流46V；电火花计时器工作电压为交流220V工作时应先接通电源，后释放纸带2纸带的应用判断物体的运动性质A若X0，则可判定物体做匀速直线运动B若X不为零且为定值，则可判定物体做匀变速直线运动求解瞬时速度如图所示，打N点时的速度VNXNXN12T3用“逐差法”求加速度如图所示，由X4X5X6X1X2X3A3T2得AX4X5X6X1X2X39T2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0100KG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980M/S2已知实验所用弹簧总圈数为60，整个弹簧的自由长度为1188CMP1P2P3P4P5P6X0CM20440660680510031201XCM264526781103012931541N102030405060KN/M163560436338288M/N1K00061001790022900296003471将表中数据补充完整_，_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1K1K3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MGKXX0，解得KMGXX00100980526406102N/M817N/M，001221K2N图象如下图所示1K3根据图象可知，K与N的关系表达式为KN/M，K与L0的关系表达式为K175103NN/M347L0答案1817001222N图象见解析图1K3175103N在167103N183103N之间均正确347L0在331L0362L0之间均正确总结提升利用图象法处理数据时要注意以下几点1注意区别横、纵坐标轴的物理意义、标度及单位2描点要准、连线不一定通过所有数据点，应尽量合理地分布在线的两侧，且线要细3明确图象的斜率、截距的物理意义4作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化，即“变曲为直”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WV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WV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V2，则还需要测量自行车滑行的时V2ST间T2由动能定理得，WMV2，则WV图象为抛物线，即图C12答案1人停止蹬车后自行车滑行的时间T2C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12014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_MM2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50MM3005MM5015MM2根据螺旋测微器的读数规则，读数为45MM200001MM4700MM答案150152470022014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FX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32014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1AO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1BD2F42014南昌一模在验证机械能守恒定律的实验中，使质量为M100KG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002S打一个点，当地的重力加速度为G980M/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EP_J，动能增加量EK_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_V22解析1验证机械能守恒时，我们验证的是减少的重力势能EPMGH和增加的动能EKMV2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B12点2减少的重力势能EPMGH188J，B点的速度VB102M/S192XAC2T232315552002M/S，所以增加的动能EKMV184J122B3在实验允许的误差范围内可认为MGHMV2，则V2GH，即V2与H成正比，图A正确121212答案1B21881843A52014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HH为单位长度H2H3H4H5H6H7H8H9H竖直位移Y/CM3001501007560504338331在安装斜槽时，应注意_2已知斜槽倾角为，小球与斜槽之间的动摩擦因数为，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MGHMGCOSMV2，HSIN12小球离开O点后做平抛运动，水平方向有XVT，竖直方向有YGT2，联立解得HY12X2441TAN3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1Y坐标，描点作图即可答案1使斜槽末端O点的切线水平2HY3X2441TAN1Y62014高考新课标全国卷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2AM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72014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LB木板的质量M1C滑块的质量M2D托盘和砝码的总质量M3E滑块运动的时间T3滑块与木板间的动摩擦因数_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A0496M/S2X6X5X4X3X2X19T22由牛顿第二定律得M3GM2GM2M3A，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、D3由2中等式可得，因纸带与限位孔之间存在阻力等，测量的动摩擦M3GM2M3AM2G因数偏大答案10495M/S2至0497M/S2之间均可2CD3偏大纸带与限位孔之间存在阻力等M3GM2M3AM2G82014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用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力，记作G；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；甲改变滑块上橡皮泥的质量，重复步骤；实验数据如下表所示G/N150200250300350400F/N059083099122137161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FG图线2由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数_保留2位有效数字3滑块最大速度的大小V_用H、S、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FG，FG图线的斜率反映了滑块与木板间的动摩擦因数，所以0403根据牛顿第二定律，P落地后，滑块运动的加速度的大小为AG，且P落地后滑MGM块的位移XSH，根据速度和位移的关系得0V22AX所以滑块的最大速度V2AX2GSH答案1见解析图2040038042均正确32GSH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电压表使指针指示比满偏刻度多的位置13若最小分度为1、01、001等，需要估读到最小分度的下一位；如果最小分度不是1、01、001等的只需要读到最小分度位即可欧姆表有正、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IGERRGR3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ERRGRRXI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RXRRGR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UIR测，电压表的分流作用较显著，故RX1RXRARVRX更接近待测电阻的真实值图甲的测量值是RX与RA串联的电阻阻值，故RX1RX真；图乙的测量值是RX与RV并联的电阻阻值，故RX2RX真答案RX1大于小于3有一个小灯泡上标有“4V,2W”的字样，现在要用伏安法测量这个小灯泡的伏安特性曲线现有下列器材供选用A电压表V105V，内阻约10KB电压表V2010V，内阻约20KC电流表A1003A，内阻约1D电流表A2006A，内阻约04E滑动变阻器R1010，2AF滑动变阻器R20100，02AG学生电源直流6V、开关及导线1为了调节方便，测量尽可能准确，实验中应选用电压表_，电流表_，滑动变阻器_填器材的选项符号2为使实验误差尽量小，要求从零开始多取几组数据请在方框中画出实验电路图3如图所示，P为IU图线上的一点，PN为图线过P点的切线，PQ为U轴的垂线，PM为I轴的垂线，则随着所加电压的增加，小灯泡的电阻将_填“增大”、“减小”或“不变”；对P点，小灯泡的电阻约为_保留三位有效数字解析1由于小灯泡的额定电压是4V，接近电压表V1的量程5V，故电压表选A由于小灯泡的额定电流是05A，接近电流表A2的量程06A，故电流表选D由于滑动变阻器R1的阻值较小，便于调节，而且保险电流也较大，故滑动变阻器选用E2由于小灯泡电阻更接近电流表内阻，所以电流表外接，为使实验误差尽量小，能从零开始多取几组数据，滑动变阻器采用分压式接法，故电路图如图所示3由题图可知随着所加电压的增加，图线上各点与原点连线的斜率KI/U在减小，可见电阻在增大由题图可知，对于P点，小灯泡的电压是24V，电流是045A，可以算出电阻约为533答案1ADE2见解析图3增大5334在“测定某电源的电动势和内阻”实验中，实验电路如图甲所示，R为电阻箱，阻值范围09999，R0是保护电阻，V为理想电压表某同学连接好电路后，闭合电键S，改变电阻箱的电阻值，读取电压表的示数根据读取的多组数据，他画出了如图丙所示的图象1请在图乙中选择合适的器材根据电路图甲画线连接实物图2在如图丙所示图象中，当010V1时，外电路处于_状态填“通路”、“断路”1U或“短路”3根据该图象可求得该电池的电动势E_V，内阻R_4实验测得电源的电动势和内阻与真实值相比，E测_E真，R测_R真填“大于”、“小于”或“等于”解析根据闭合电路欧姆定律有EUR，得到，所以在图线中，斜率URR01U1E1RR0RE为，截距为当外电压等于电动势时，说明R0与R所在支路电路断开，E10V，读出斜率RE1E求出内阻为50电路中等效电源内阻为电压表内阻和电源内阻并联的总电阻，所以要小于电源内阻，同理，等效电动势为电压表两端电压即电压表和电源组成的闭合电路的路端电压，当然要小于电动势，所以测量的电动势和内阻皆小于真实值答案1如图所示2断路310504小于小于52014南昌市一模发光二极管LED是一种节能、环保的元器件，被广泛应用到显示器、照明等各领域某兴趣小组为探究工作电压是“144V”、最大正向直流电流是“520MA”的LED管的IU曲线，设计了如图甲所示的实验电路实验室备有以下器材甲电流表A1量程050MA，内阻约为50电流表A2量程0200MA，内阻约为10电压表V量程05V，内阻约为10K滑动变阻器R1阻值范围015，允许最大电流1A滑动变阻器R2阻值范围01K，允许最大电流100MA直流电源E输出电压6V，内阻不计开关S、导线若干1为了提高实验结果的准确性，电流表应选用_；滑动变阻器应选用_以上填器材代号2实验小组根据实验得到的数据描点绘出了如图乙所示的IU图象而发光二极管LED的效率与通过二极管的电流I的关系曲线如图丙所示其中发光二极管的效率是指辐射的全部光功率与供给发光二极管的电功率比值则发光二极管效率达最大时其电阻RL_，辐射的光功率_W解析1因LED最大正向直流电流是520MA，所以电流表应选择A1，由图甲可知供电电路采用分压式接法，所以选择的滑动变阻器应是阻值较小的R12由图丙可知发光二极管效率达最大时电流为6MA，由图乙可知其对应的电压为16V，故此时电阻RL267；根据题意可知60100，则辐射的光功UI166103率000576W答案1A1R1226700057662014唐山市一模理想电压表内阻无穷大，而实际电压表并非如此，现要测量一个量程为03V、内阻约为3K的电压表的阻值实验室备有以下器材甲A待测电压表V1量程为03V、内阻约为3KB电压表V2量程为06V、内阻约为6KC滑动变阻器R1最大值20、额定电流1AD定值电阻R0E电源电动势6V，内阻约1F开关一个、导线若干1利用以上器材设计如图甲所示测量电路，请你按图示电路将实验仪器连接起来；2请写出按该电路测量电压表V1内阻RV的表达式，并指出表达式中各物理量的含义_；3在正确连接电路后，闭合电键S，不断的调节滑动变阻器R1滑片位置，记录多组电压表V1、V2的示数U1、U2，作出U2U1图线如图丙所示若R01480，由图线上的数据可得RV_解析由并联电路两端电压相等可知，定值电阻R0两端的电压为U0U2U1，由欧姆定律可知，通过定值电阻