2020高考物理二轮复习课堂学案课件-力学实验与创新

,课时1力学实验与创新,第一部分专题八实验技能与创新,高考领航,01,考向一测量加速度1.(2018江苏卷11)某同学利用如图1所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤.实验操作如下：用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；在重锤1上加上质量为m的小钩码；左手将重锤2压在地面上，保持系统静止.释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t.,1,2,3,图1,请回答下列问题：(1)步骤可以减小对下落时间t测量的_(选填“偶然”或“系统”)误差.,1,2,3,偶然,解析对同一物理量多次测量取平均值的目的是减小偶然误差.,(2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了_.A.使H测得更准确B.使重锤1下落的时间长一些C.使系统的总质量近似等于2MD.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等,1,2,3,B,1,2,3,解析设系统运动的加速度为a，则根据牛顿第二定律得(Mm)gMg(2Mm)a,而Hat2，在H一定时，a越小，则t越长，这时测量出时间t的误差相对越小.因此实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了使重锤1下落的时间长一些，选项B正确.,(3)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差.现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？_.,解析由于摩擦阻力的影响，会产生系统误差，可利用平衡摩擦阻力的方法，平衡摩擦力，其方法为在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥的质量使轻拉重锤1时能观察到其匀速下落.,在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1能观察到其匀速下落,1,2,3,(4)使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0.用实验中的测量量和已知量表示g，得g_.,解析根据牛顿第二定律得(Mm)gMg(2Mmm0)a,1,2,3,考向二验证机械能守恒定律2.(2016江苏卷11)某同学用如图2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度为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v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Ep与动能变化大小Ek，就能验证机械能是否守恒.(1)用Epmgh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,图2,B,1,2,3,解析钢球下落高度h，应测量释放时钢球球心到钢球在A点时的球心之间的竖直距离，故选B.,1,2,3,(2)用Ekmv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图3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.,图3,1.50,1,2,3,1.50,(3)下表为该同学的实验结果：,答案不同意理由见解析,1,2,3,他发现表中的Ep与Ek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.,解析不同意，因为空气阻力会造成Ek小于Ep，但表中Ek大于Ep.,(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议.,答案见解析,1,2,3,解析分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算Ek时，将v折算成钢球的速度vv.,考向三验证动能定理3.(2019江苏卷10)某兴趣小组用如图4所示的装置验证动能定理.(1)有两种工作频率均为50Hz的打点计时器供实验选用：A.电磁打点计时器B.电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择_(选填“A”或“B”).,图4,B,1,2,3,解析电火花打点计时器对纸带的阻力小于电磁打点计时器对纸带的阻力，实验时误差小，故选B.,(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔.实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动.同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除.同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动.看法正确的同学是_(选填“甲”或“乙”).,乙,1,2,3,解析在砝码盘中慢慢加入沙子直至小车开始运动，小车从静止开始做加速运动，此时砝码盘和沙子的总重力略大于小车与长木板间的滑动摩擦力，故平衡摩擦力过度，同学乙是正确的.,(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码.接通打点计时器电源，松开小车，小车运动.纸带被打出一系列点，其中的一段如图5所示.图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度vA_m/s.,图5,0.31(0.300.33均可),1,2,3,解析在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度.用刻度尺量出与A点相邻的两点间的距离l1.24cm，,(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L.小车动能的变化量可用EkMvA2算出.砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g.实验中，小车的质量应_(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用WmgL算出.多次测量.若W与Ek均基本相等则验证了动能定理.,远大于,1,2,3,解析本实验中砝码的重力应该是小车所受的合外力.只有当小车的质量远大于砝码盘、砝码以及沙子的总质量时，才可以将砝码的重力当成小车受到的合外力.,知识整合,02,1.基本仪器,打点计时器,测时间打点时间间隔(电源频率为50Hz时)测位移,测：_,测：a_,弹簧测力计力的大小精确度N,长度的测量,毫米刻度尺精确度mm，估读到0.01mm.游标卡尺精确度10分度：，20分度：，50分度：_螺旋测微器精确度mm，估读到0.001mm.,秒表计时精确度s,0.02s,速度,加速度,0.1,0.1,0.1mm,0.05mm,0.02mm,0.01,0.1,1.基本仪器,光电门,测时间：遮光条通过光电门时间t，或从A光电门到B光电门时间测速度：v(d为遮光条宽度),传感器,4.误差,系统误差：由于仪器不精确、方法粗略、原理不完善等产生的误差是系统误差，特点是测量值.偶然误差：由于各偶然因素对实验者、测量仪器、被测量物的影响而产生的误差是偶然误差，特点是，可用多次测量求_减小偶然误差.,总偏大或偏小,有时偏大有时偏小,平均,值,能力提升,03,高考题型1基本仪器的使用和读数,高考题型2验证力的平行四边形定则,高考题型3纸带类实验,高考题型4力学创新拓展试验,高考题型1基本仪器的使用和读数,实验题5年2考,1.游标卡尺读数主尺读数(化为毫米单位)游标尺格子数精确度精确度：10分度为0.1mm,20分度为0.05mm,50分度为0.02mm.(不估读)2.螺旋测微器读数固定刻度毫米数(注意有无半刻度)可动刻度格子数(准确值估读值)0.01mm.注意：最后一位的“0”不要随意增减.3.弹簧测力计使用前应校零，选择弹簧测力计时，要选力的方向通过弹簧轴线的，必要时要选对拉时读数相同的弹簧测力计.4.打点计时器电火花计时器使用的是220V交流电源；电磁打点计时器使用的是6V以下低压交流电源.,例1(2019南京市六校联考)有一游标卡尺，主尺的最小分度是1mm，游标尺上有20个小的等分刻度，用它测量一小球的直径，如图6甲所示，读数为_mm.如图乙所示是用螺旋测微器测量一根金属丝的直径的读数为_mm.,图6,7.500,10.50,解析游标卡尺主尺读数为1cm10mm，游标尺上第10条刻度与上面对齐，则游标尺读数为100.05mm0.50mm，所以游标卡尺最终读数为10mm0.50mm10.50mm；螺旋测微器固定刻度为7.5mm，可动刻度读数为：0.00.01mm0.000mm，所以最终读数为：7.5mm0.000mm7.500mm.,高考题型2验证力的平行四边形定则,实验题5年0考,1.实验原理合力与它的分力作用效果相同.2.实验操作(1)每次结点稳定时的位置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.3.数据处理：作图法比较合力图示与以两分力为邻边作出的平行四边形的对角线的差别.,例2(2019泗阳县第一次统测)某研究小组在做“验证力的平行四边形定则”的实验的器材有：方木板一块、白纸、量程为5N的弹簧测力计两个、橡皮条(带两个较长的细绳套)、刻度尺、图钉(若干个).(1)具体操作前，同学们提出了如下关于实验操作的建议，其中正确的是_.A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上B.重复实验再次进行验证时，结点O的位置可以与前一次不同C.使用弹簧测力计时，施力方向应沿弹簧测力计轴线；读数时视线应正对弹簧测力计刻度D.用两个弹簧测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个弹簧测力计时的拉力,BC,解析F1、F2间的夹角大小适当即可，不一定要橡皮条和两绳套夹角的角平分线在一条直线上，故A错误；合力与分力为等效替代的关系，效果是相同的，所以在同一次实验时，需要让两个力拉橡皮条和一个力拉橡皮条产生的作用效果相同，则结点O的位置要相同，而在重复实验再次进行验证时，结点O的位置可以与前一次不同，故B正确；使用弹簧测力计时，施力方向应沿弹簧测力计轴线，可以减小摩擦力；读数时，视线应正对弹簧测力计刻度，可减小偶然误差，故C正确；用两个弹簧测力计互成角度拉橡皮条时的拉力不一定要小于只用一个弹簧测力计拉橡皮条的拉力，故D错误.,(2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验，白纸上留下的标注信息有结点位置O、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点，如图所示.其中对于提高实验精度最有利的是_.,B,解析为了便于确定拉力的方向，拉橡皮条的细绳要稍微长一些，同时在纸上描点时，所描的点不要太靠近O点，A图中所描的点太靠近O点，故A不符合题意；B图中所描的点到结点O的距离适中，力的大小适中，而且两个力的角度的大小也适中，所选标度较小，精确度较高，故B符合题意；C图中力的读数太小，且作图时代表力的大小的线段长度要适当，故C不符合题意；D图中两个分力之间的夹角太小，误差较大，故D不符合题意.,(3)该小组同学仔细分析实验，怀疑橡皮条被多次拉伸后弹性发生了变化，影响实验结果.该小组讨论后找来钩码，改用如图7所示的实验装置来实验，三条细绳结于O点分别与两弹簧测力计和钩码相接.实验步骤如下：A.弹簧测力计A挂于固定在竖直木板上的P点B.结点O下的细绳挂钩码CC.手持弹簧测力计B缓慢向左拉，使结点O静止在某位置D.记下钩码质量、结点O的位置、读出并记录弹簧测力计A和B的示数步骤D中漏记录了_.,解析步骤D中漏记录了三条细绳(拉力)的方向；,图7,三条细绳(拉力)的方向,在实验过程中，下列情况会对实验结果产生误差的是_.A.改变弹簧测力计B拉力大小进行多次实验时，结点O的位置发生变化B.木板不竖直C.A弹簧测力计外壳的重力D.B弹簧测力计的拉力方向没有保持水平,解析改变弹簧测力计B拉力大小进行多次实验时，结点O的位置发生变化，那么合力即弹簧测力计A的示数也会发生变化，对实验没有影响，故A不符合；在白纸上作图时，所有力的方向都在平面内，木板若不是竖直，而重力是竖直方向，那么就没有办法画出钩码重力的分力，对实验造成误差，故B符合；弹簧测力计外壳的重力并没有作用在弹簧上，不会造成误差，故C不符合；在白纸上作图时，所有力的方向都在平面内，如果B弹簧测力计的拉力方向没有保持水平，但只要在平面内对作图就没有影响，不会造成误差，故D不符合.,B,高考题型3纸带类实验,实验题5年3考,1.涉及打点计时器的五个实验(1)速度随时间变化的规律；(2)加速度与物体质量、物体受力的关系；(3)探究动能定理；(4)验证机械能守恒定律；(5)验证动量守恒定律.,2.纸带的三大应用(1)由纸带确定时间与位移要区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，便于测量和计算.(2)求解瞬时速度利用做匀变速直线运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，如图8所示，打n点时的瞬时速度vn.,图8,(3)用“逐差法”求加速度,图9,有些实验用光电门代替打点计时器来完成瞬时速度和加速度的测量，具体做法如下：求瞬时速度：把遮光条(宽度为d)通过光电门的时间t内的平均速度看做遮光条经过光电门的瞬时速度，即v.求加速度：若两个光电门之间的距离为L，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a.,3.一套基本实验仪器轨道、小车、钩码与打点计时器如图10：,图10,注意：(1)哪些实验需要平衡摩擦力，哪些实验不需要平衡摩擦力.(2)哪些实验需要满足条件mM；哪些实验不需要满足此条件.,例3(2018北京理综21)用图11所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律.主要实验步骤如下：a.安装好实验器材，接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次.,图11,b.选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点O(t0)，然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点，如图12中A、B、C、D、E、F所示.,图12,c.通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5,d.以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图13所示.,图13,结合上述实验步骤，请你完成下列任务：(1)在下列仪器和器材中，还需要使用的有_和_(填选项前的字母).A.电压合适的50Hz交流电源B.电压可调的直流电源C.刻度尺D.秒表E.天平(含砝码),AC,解析打点计时器使用的是交流电源，故选A，不选B；相邻打点间的时间是已知的，故不选D；计数点间的距离需要用刻度尺测量，故选C；由于不需要知道小车和重物的质量，故不需要天平(含砝码)，故不选E.,(2)在图13中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点，请在该图中标出计数点C对应的坐标点，并画出vt图象.,答案如图所示,解析连线时要让尽量多的点在一条直线上.,图13,(3)观察vt图象，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是_.vt图象斜率的物理意义是_.,加速度,小车的速度随时间均匀变化,解析可以依据vt图象是倾斜的直线(斜率一定)，即小车的速度随时间均匀变化，判断出小车做匀变速直线运动；vt图象的斜率表示加速度.,(4)描绘vt图象前，还不知道小车是否做匀变速直线运动.用平均速度表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对t的要求是_(选填“越小越好”或“与大小无关”)；从实验的角度看，选取的x大小与速度测量的误差_(选填“有关”或“无关”).,有关,越小越好,解析严格地讲，表示的是t内的平均速度，只有当t趋近于0时，才表示瞬时速度，因此若用表示各计数点的瞬时速度，对t的要求是越小越好；从实验的角度看，选取的x越小，用计算得到的平均速度越接近计数点的瞬时速度，但x过小，测量误差增大，因此选取的x大小与速度测量的误差有关.,(5)早在16世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的.当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图14所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜想.请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的.,图14,答案如果小球的初速度为0，其速度vt，那么它通过的位移xt2.因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化.,解析如果小球的初速度为0，其速度vt，那么它通过的位移x，故推出xt2.因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化.,例4(2019南通泰扬徐淮宿连七市二模)利用图15甲所示装置“探究物体的加速度与所受合外力的关系”，小车质量约300g，另配置质量20g的钩码5个，质量500g的砝码1个.,图15,(1)实验中，平衡摩擦力的具体做法是：_(选填“挂上”或“移去”)钩码，长木板右端用垫块抬高，调至适当高度，接通电源，轻推小车，使纸带上打出的点间距相等.,移去,解析平衡摩擦力时，移去钩码，长木板右端用垫块抬高，调至适当高度，接通电源，轻推小车，使纸带上打出的点间距相等.,(2)实验通过添加钩码改变小车的受力.关于小车，下列说法中正确的有_.A.当钩码质量远小于小车总质量时，可认为小车所受合外力与钩码重力大小相等B.开始实验时，应将砝码放入小车C.小车内放入砝码后需重新平衡摩擦力D.实验中不需要测出小车的质量,ABD,解析当钩码的质量远小于小车的质量时，可以认为小车所受的合外力等于钩码的重力，故A正确；开始实验时，应将砝码放入小车，使得钩码质量远小于小车质量，故B正确；小车内放入砝码后，不需要重新平衡摩擦力，故C错误；实验研究加速度与力的关系，需保持小车的总质量不变，所以不需要测出小车的质量，故D正确.,(3)实验中打出一条纸带，如图乙所示，从某清晰点开始取计数点，分别标为0、1、2、3、4、5、6，测量点0到点3的距离为d1，点0到点6的距离为d2，已知相邻计数点间的时间间隔均为T，则加速度a_.,(4)实验小组由小车受到的拉力F和对应的加速度a，作出aF图线，如图丙中实线所示，下列对实验图线偏离直线的原因分析，正确的是_.A.测量不准确引起的，属于偶然误差B.实验原理方法引起的，属于系统误差C.加速度大，空气阻力作用更加明显D.滑轮与轴间有摩擦,B,解析aF图线中图线上端偏离直线的原因是不能满足钩码的质量远小于小车的总质量，该误差属于系统误差，是由实验原理方法引起的，故选B.,例5(2019通州、海门、启东三县期末)如图16所示，在“探究小车所受合外力做功与动能变化关系”的实验中，现有甲、乙两种方案：,AB,图16,(1)实验操作过程中可能用到如下步骤，两套装置必须同时用到的实验步骤是_.A.平衡摩擦力B.测量小车质量C.通过纸带计算速度时，选用等间距部分D.重复实验时，小车从靠近打点计时器的同一位置释放,解析两套装置中应保持细线的拉力或橡皮筋的弹力为小车所受的合外力，所以都应平衡摩擦力，故A正确；由于要探究小车的合外力做功与小车动能的变化，所以应测量小车的质量，故B正确；题图甲小车做匀加速直线运动，题图乙小车先加速后匀速，所以不能同时用到C项，故C错误；重复实验时，小车应靠近打点计时器，并不一定要从同一位置释放，故D错误.,(2)某同学利用图乙的装置，按正确步骤进行实验，绘制WEk的图象时，_(选填“需要”或“不需要”)测量W的具体数值.,解析题图乙的装置中小车的合外力即为橡皮筋的弹力，只需要探究橡皮筋的弹力加倍时小车的动能是否加倍，并不需要测量W的具体数值.,不需要,(3)某同学利用图甲的装置平衡摩擦力后进行实验，小车质量为M、钩码的总质量为m(mM)，打出的纸带如图丙所示，计算出B、E点时小车的速度分别vB、vE，重力加速度为g，探究从B到E过程小车所受合外力做功与动能变化关系，若合外力做功与小车动能变化相等，则数学表达式为_(用M、m、g、x、vB、vE表示).,解析由于钩码的总质量远小于小车的质量，所以小车所受的合外力近似等于钩码的总重力，所以小车从B到E合外力做的功为mgx，,(4)利用图甲的装置，某小组实验结果显示，合外力做功总是略小于小车动能的变化，请分析出现这种情况的可能原因是_.,平衡摩擦力过度或倾角过大,解析合外力做功总是略小于小车动能的变化，说明除了拉力对小车做功外还有其他力对小车做功，则小车的重力沿斜面向下的分力大于阻力，即平衡摩擦力过度或倾角过大.,例6(2019泰州中学、宜兴中学月考)用如图17所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V的交流电和直流电两种.重物从高处由静止开始下落，重物上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点痕进行测量，即验证机械能守恒定律.(1)下面列举了该实验的几个操作步骤，其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤是_(将其选项对应的字母填在横线处).A.按照图示的装置安装器材,BCD,图17,B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上C.用天平测量出重物的质量D.释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带E.测量打出的纸带上某些点间的距离F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能,解析打点计时器应接到电源的“交流输出”上，B错误.因为我们是比较mgx、mv2的大小关系，故m可约去，不需要用天平，C错误.开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重物，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，D错误.,(2)利用这个装置也可以测量重物下落的加速度a.如图18所示，根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始点O的距离为x0，点A、C间的距离为x1，点C、E间的距离为x2，使用交流电的频率为f，根据这些条件计算重物下落的加速度a_.,图18,(3)在上述验证机械能守恒定律的实验中发现，重物减小的重力势能总是大于重物增加的动能，其原因主要是重物下落的过程中存在阻力作用，可以通过该实验装置测定该阻力的大小.若已知当地重力加速度公认的较准确的值是g，还需要测量的物理量是：_.试用这些物理量和上图纸带上的数据符号表示出重物在下落的过程中受到的平均阻力大小为Ff_.,重物的质量m,高考题型4力学创新拓展试验,实验题5年2考,1.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象法、逐差法，融入到实验的综合分析之中.2.创新型实验的解法(1)根据题目情景，抽象出相应的力学模型、运动过程，根据相应规律列出关系式从而明确实验的理论依据.(2)应用原理公式或图象法处理实验数据，结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行分析.,例7(2019扬州市一模)某同学通过实验测量玩具上的小直流电动机转动的角速度大小，如图19甲所示，将直径约为3cm的圆盘固定在电动机转动轴上，将纸带的一端穿过打点计时器后，固定在圆盘的侧面，圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘的侧面上，打点计时器所接交流电的频率为50Hz.,图19,(1)实验时，应先接通_(选填“电动机”或“打点计时器”)电源.,打点计时器,解析实验时，应先接通打点计时器电源，再接通电动机的电源；,(2)实验得到一卷盘绕在圆盘上的纸带，将纸带抽出一小段，测量相邻2个点之间的长度L1，以及此时圆盘的直径d1，再抽出较长的一段纸带后撕掉，然后抽出一小段测量相邻2个点之间的长度L2，以及此时圆盘的直径d2，重复上述步骤，将数据记录在表格中，其中一段纸带如图乙所示，测得打下这些点时，