新课标2022届高三物理二轮复习专题学案学案16力学实验

学案 力学实验类型一基本仪器的使用1.需要估读的仪器：在常用的测量仪器中，刻度尺、螺旋测微器、电流表、电压表、天平、弹簧测力计等读数时都需要估读.因为最终的读数要以有效数字的形式给出，而有效数字的最后一位数字为估计数字，应和误差所在位置一致，在实际操作中，究竟估读到哪一位数字，应由测量仪器的精度（即分度值）和实验误差要求两个因素共同决定. 根据仪器的分度可以分别采用1/2、1/5、1/10的估读方法，一般：（1）分度是2的（包括0.2、0.02等），采用1/2估读，如安培表0~0.6A挡；（2）分度是5的（包括0.5、0.05等），采用1/5估读，如安培表0~15V挡；（3）分度是1的（包括0.1、0.01等），采用1/10估读，如刻度尺、螺旋测微器、安培表0~3A挡、电压表0~3V挡等.当测量精度要求不高或仪器精度不够高时，也可采用1/2估读.2.不需要估读的测量仪器：游标卡尺、秒表、电阻箱在读数时不需要估读；欧姆表刻度不均匀，可以不估读或按半刻度估读.如图1，读出下列游示卡尺的示数，并填入下面的横线中.

（1）

mm （2）

mm解题归纳（1）游标卡尺在读数时注意先确定各尺的分度，把数据读成以毫米为单位，先读主尺数据，再读游标尺数据，最后两数相加.（2）游标卡尺读数时不需要估读.图15.610.95例1（2009·南通二调）如图2所示，游标卡尺的读数为

mm11.40图2例2（2009·淄博模拟）用螺旋测微器测量一根电阻丝的直径，测量结果如图3所示，其读数为

mm0.590图3

解析螺旋测微器的读数=固定刻度+可动刻度×精确度，读数时要注意：①半刻度是否漏出；②可动刻度的读数要估读一位.解题归纳螺旋测微器读数时，要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出，由可动刻度的0刻线位置判定；要准确到0.01mm,估读到0.001mm，即结果若用mm做单位，则小数点后必须保留三位.例3

图4所示，下列电表的读数为 （1）接0~3V量程时数读数为

V.接0~3A量 程时读数为

A.

（2）接0~15V量程时读数为

V.接0~0.6A量程 时读数为

A.

解题归纳精确值+估读格子数×精确度=读数，然后， 按1/2、1/5、1/10读法保留有效数字.以0~15V为例， 读数过程如下：

10.5+0.5×0.5=10.75V.然后按1/5读法，应为10.8V.2.150.8010.80.16图4类型二力的平行四边形定则例4

在做“验证力的平行四边形定则”实验时，下列叙述中错误的是 （ ）

A.同一次实验，结点的位置必须都拉到同一位 置O点，不能随意变动

B.用两只弹簧秤拉橡皮条时，应使两细绳之间的 夹角总为90，以便于算出合力的大小

C.两个分力F1和F2间的夹角尽量大些，大小要适 当大些

D.实验中,弹簧秤必须与木板平行，读数时视线 要正对弹簧秤刻度B解题归纳本实验结果有明显偏差的原因很多，但归纳起来可分为两类：一类是在实验操作过程中所产生的，如O点位置变动、弹簧测力计与木板平面不平行、弹簧测力计的使用和读数不正确（读数时要注意弹簧测力计零刻度的位置）等；另一类是在处理实验数据时产生的，如力的方向的标注、力的图示（平行四边形作图）的不准确等，所以一定要注意有可能产生这些偏差的原因.另外，用作图法来处理实验数据并得出结论时，规范的作图至关重要，要养成平推三角板画平行线的作图习惯.类型三加速度与物体质量、物体受力的关系例5（2009·上海卷·17）如图5为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度与力的关系”的实验装置.（1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持

不变，用钩码所受的重力作为

.用DIS测小车的加速度.图5小车总质量小车所受合外力（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出a-F关系图线（如图6所示）①分析此图线的OA段可得出的实验结论是

.图6在质量不变时，加速度与外力成正比②（单选题）此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是 （ ）A.小车与轨道之间存在摩擦B.导轨保持了水平状态C.所挂钩码的总质量太大D.所用小车的质量太大解析（1）先保持小车的总质量不变，用钩码所受的重力作为小车所受的合外力，用DIS测加速度.（2）①OA段为直线，说明在质量不变的条件下，加速度与外力成正比.②对此系统而言，F= a，当M不远大于即钩码总质量时，a与F不成正比，即仅C正确.C解题归纳探究加速度与物体质量、受力之间的关系时，采用的是控制变量法，做实验时首先要垫高长木板无滑轮的一端，平衡摩擦力，平衡摩擦力不足（或者过量）都会导致画出的a-F直线不过坐标原点.此外，我们在研究a与m的关系时，做出的是a-1/m图象，图象末端是一条曲线，原因是此时不满足mM的条件.类型四验证机械能守恒定律例6在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照 正确的操作选的纸带如图7.其中O是起始点，A、B、

C是打点计时器连续打下的3个点，计时器打点的时 间间隔为0.02s.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）.图7（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）该同学用重物在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，则该段重物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，重物质量用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，同一组数据，也用重物在OB段的运动来验证机械能守恒，不过他数OC15.701.22m1.20m大于因为有摩擦生热，减少的重力势能一部分转化为内能了一下：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，得到动能的增量为

，这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量小于动能的增加量，原因是

.1.23mv是按照自由落体运动计算的，对应的实际下落高度比测得的高度要大拓展探究能否通过处理纸带得出的加速度代替当地重力加速度用于计算重力势能的减小量呢？是否一定要选择初速度为零的点作为第一个计数点来验证机械能守恒呢？解析不能用计算出来的加速度计算重力势能的减小量，该加速度不是当地重力加速度的真实值；不一定，由于打点计时器工作时，打出的1、2两点间间隔一般小于0.02s，所以这样选择计数点并不利于减小实验误差，只要选择其中两点，研究这两点的动能增加量是否等于重力势能的减小量就可以了.1.（2009·山东卷·23（1））某同学在家 中尝试验证平行四边形定则，他找到 三条相同的橡皮筋（遵循胡克定律） 和若干小重物，以及刻度尺、三角 板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了 如下实验：将两条橡皮筋的一端分别挂 在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物，如图8所示. ①为完成该实验，下述操作中必需的是

.图8

a.测量细绳的长度

b.测量橡皮筋的原长

c.测量悬挂重物后橡皮筋的长度

d.记录悬挂重物后结点O的位置

答案

bcd ②钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是

.更换不同的小重物2.（2009·广东卷·15）某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”.如图9，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小.在水平桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器，记录小车通过A、B时的速度大小.小车中可以放置砝码.图9（1）实验主要步骤如下：①测量

和拉力传感器的总质量M1;把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路.②将小车停在C点，

，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度.小车、砝码然后释放小车③在小车中增加砝码，或

，重复②的操作.（2）表1是他们测得的一组数据，其中M是M1与小车中砝码的质量之和，|v22－v12|是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量ΔE，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、B间所作的功.表格中ΔE3=

，W3=

.（结果保留三位有效数字）减少砝码0.6000.610（3）根据表1，请在方格纸上作出ΔE-W图线.表1数据记录表次数M/kg

|v12－v22|/（m/s）2

ΔE/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40ΔE3

1.220W3

41.0002.401.202.4201.2151.0002.841.422.8601.43答案如下图所示3.（2009·全国Ⅰ·23）某同学为了 探究物体在斜面上运动时摩擦力 与斜面倾角的关系，设计实验装 置如图10.长直平板一端放在水平 桌面上，另一端架在一物块上.在平板上标出A、B两点，B点处放置一光电门，用光电计时器记录滑块通过光电门时挡光的时间.

实验步骤如下： ①用游标卡尺测量滑块的挡光长度d,用天平测量滑块的质量m; ②用直尺测量AB之间的距离s,A点到水平桌面的垂直距离h1，B点到水平桌面的垂直距离h2;图10 ③将滑块从A点静止释放，由光电计时器读出滑块的挡光时间t; ④重复步骤③数次，并求挡光时间的平均值; ⑤利用所测数据求出摩擦力Ff和斜面倾角的余弦值cosα； ⑥多次改变斜面的倾角，重复实验步骤②③④⑤，作出Ff-cosα关系曲线.（1）用测量的物理量完成下列各式（重力加速度为g）；①斜面倾角的余弦cosα=

;②滑块通过光电门时的速度v=

;③滑块运动时的加速度a=

;④滑块运动时所受到的摩擦阻力Ff=

.（2）测量滑块挡光长度的游标卡尺读数如图11所示，读得d=

cm.3.63图11解析（1）①由几何关系，有cosα=②滑块通过光电门的速度v=.③物体从斜面上下滑做匀加速直线运动，由运动学，有s=所以a=④根据牛顿第二定律，有mgsinθ-Ff=ma所以Ff=mgsinθ-ma又sinθ=故Ff=（2）读数为d=3.63cm4.（2009·安徽卷·21Ⅲ）探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图12所示，实验主要过程如下：图12（1）设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……；（2）分析打点计时器打出的纸带，求出小车的速度v1、v2、v3、……；（3）作出W—v草图；（4）分析W—v图象.如果W—v图象是一条直线，表明W∝v；如果不是直线，可考虑是否存在W∝v2、W∝v3、W∝等关系.以下关于该实验的说法中有一项不正确，它是

.A.本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W…….所采用的方法是选用同样的橡皮筋，并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致.当用1条 橡皮筋进行实验时，橡皮筋对小车做的功为W，用2条、3条、……橡皮筋并在一起进行第2次、第3次…….实验时，橡皮筋对小车做的功分别是2W、3W…….B.小车运动中会受到阻力,补偿的方法,可以使木板适当倾斜.C.某同学在一次实验中,得到一条记录纸带.纸带上打出的点,两端密、中间疏.出现这种情况的原因,可能是没有使木板倾斜或倾角太小.D.根据记录纸带上打出的点,求小车获得的速度的方法,是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行计算.解析求解速度的方法是选取纸带上点距均匀处得到获得的速度.因此选项D错误，其他选项都对.答案D5.（2009·姜堰中学）为了测量两个质量 不等的沙袋的质量，由于没有直接测 量工具，某实验小组应用下列器材测 量：轻质定滑轮（质量和摩擦可忽略）、 砝码一套（总质量为m=0.5kg）、细线、 米尺、秒表.他们根据已学过的物理学知 识，改变实验条件进行多次测量，选择合适的变量得到线性关系，作出图线并根据图线的斜率和截距求出沙袋的质量.操作如下：（1）实验装置如图13，设左右两边沙袋的质量分别为m1、m2；（2）从m中取出质量为m′的砝码放在右边沙袋中，剩余砝码都放在左边沙袋中，发现m1下降m2上升；图13（3）用米尺测出沙袋m1从静止下降的距离h，用秒表测出沙袋m1下降时间t，则可知沙袋的加速度大小为a=

；（4）改变m′，测量相应的加速度a，得到多组m′及a的数据，作出

（选填“a-m′”或“a-”）图线；（5）若求得图线的斜率k=4m/（kg·s2），截距b= 2m/s2,沙袋的质量m1=

kg