2022年高考物理二轮（福建专用）突破讲义：九 第1课时

专题九3nONNINE

实验技能与创新

【专题定位】高考对学生实验的考查，主要有以下十四个实验：

①研究匀变速直线运动；②探究弹簧伸长量与弹力的关系；③验证力

的平行四边形定则；④验证牛顿运动定律；⑤探究动能定理；⑥验证

机械能守恒定律；⑦测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）；

⑧描绘小电珠的伏安特性曲线；⑨测定电源的电动势和内阻；⑩练习

使用多用电表；⑪传感器的简单使用；⑫探究单摆的运动、用单摆测

定重力加速度；⑬测定玻璃的折射率；⑭用双缝干涉测光的波长（其

中⑫、⑬、⑭在专题八中）.

高考除了对课本中原有的学生实验进行考查外，还增加了对演示实验

的考查，利用学生所学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，

来完成新的实验设计.设计型实验将逐步取代对课本中原有的单纯学

生实验的考查.

【应考策略】1.熟知各种器材的特性2熟悉课本实验，抓住实验

的灵魂——实验原理，掌握数据处理的方法，熟知两类误差分析.

第1课时力学实验与创新

热点实验例析做做有感悟

一'游标卡尺和螺旋测微器的读数

【例11用游标卡尺测得某样品的长度如图1甲所示，其读数L=

mm；用螺旋测微器测得该样品的外边长a如图乙所示，

其读数a=

30

-25

20

15

5101520

甲

解析根据游标卡尺的读数方法，读数为20mm+3X0.05mm=

20.15mm.根据螺旋测微器的读数方法，读数为1.5mm+23.OX0.01

mm=1.730mm.

答案20.151.730

【题说法】1.游标卡尺的读数方法：由主尺读出整毫米数/o,从游标

尺上读出与主尺上某一刻度对齐的格数n,则测量值（mm）=（/（）+〃X

精确度）mm.注意：（1）游标卡尺的精确度一般为游标尺上总刻度数

的倒数.（2）游标卡尺不需要估读.

2.螺旋测微器的读数方法：测量值（mm）=固定刻度指示的毫米数

（注意半毫米刻度线是否露出）+可动刻度上与固定刻度基线所对的

刻度值（注意刻度值要估读一位）X0.01mm.

皿虹（1）用螺旋测微器测量一小球的直径，结果如图2甲所示,

则小球的直径d—________mm.

⑵知识的迁移能力是非常重要的，应用螺旋测微器的原理，解决下

面的问题：在一些用来测量角度的仪器上，有一个可转动的圆盘，

圆盘的边缘标有角度刻度.为了较准确地测量出圆盘转动的角度，

在圆盘外侧有一个固定不动的游标，上面共有10个分度，对应的

总角度为9度.如图乙中画出了游标和圆盘的一部分.读出此时圆

盘的零刻度线相对于游标零刻度线转过的角度为度.

答案⑴10.975(2)20.6

解析(1)螺旋测微器主尺读数为10.5mm,可动刻度一共50个格,

代表0.5mm,每个格表示0.01mm,第47.5个格与固定刻度基线对

齐，因此可动刻度的读数为0.475mm,故螺旋测微器的读数为

10.975mm.

(2)主尺部分的读数为20度，游标尺一共10个格，每个格代表0.1

度，第6个格对齐，故游标尺的读数为0.6度，因此一共是20.6度.

二、验证力的平行四边形定则

【例21有同学利用如图3所示的装置来验证力的平行四边形定则.在

竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和'将绳子打一个

结点O,每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数

读出三根绳子的拉力Ton、TOB和Toc，回答下列问题：

图3

(1)改变钩码个数，实验不能完成的是.

A.钩码的个数NI=N2=2,M=4

B.钩码的个数M=N3=3,M=4

C.钩码的个数NI=N2=N3=4

D.钩码的个数Ni=3,Nz=4,N3=5

(2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是

A.标记结点。的位置，并记录。4、OB、0C三段绳子的方向

B.量出OA、OB、0C三段绳子的长度

C.用量角器量出三段绳子之间的夹角

D.用天平测出钩码的质量

(3)在作图时(如图4),你认为图示中是正确的.(填“甲”

或“乙”)

图4

答案(1)A(2)A(3)甲

解析(1)实验中的分力与合力的关系必须满足：尸1一尸2|＜歹3＜凡+

F2,因此B、C、D选项是可以的.

(2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是标记结点0的位置，

并记录OA、OB、0C三段绳子的方向.

(3)/3的方向一定竖直向下，而B和B合力方向由于测量误差可能

偏离竖直向上方向，所以甲是正确的.

【以题说法】1•本实验考查的重点是“力作用效果的等效性”.

2.对实验步骤中两个分力和合力的大小和方向的确定也是考查的

重点.

回8“验证力的平行四边形定则”的实验如图5甲所示，其

中A为固定橡皮条的图钉，P为橡皮条与细绳的结点，用两把互成

角度的弹簧秤把结点P拉到位置O.

甲乙

图5

①从图甲可读得弹簧秤B的示数为N.

②为了更准确得到合力与分力的关系，要采用作力的（填“图

示”或“示意图”）来表示分力与合力.

③图乙中与B、后效果相同的力是（填或“尸”）.

④图乙中方向一定沿A0方向的力是（填或

“尸”）.

答案①3.8②图示③/@F'

解析为了更准确得到合力与分力的关系，要采用作力的图示来表

示分力与合力.图乙中与尸一尸2效果相同的力是用一个弹簧秤把结

点P拉到位置0时的力F.图乙中方向一定沿AO方向的力是尸.

三、探究弹簧伸长量与弹力的关系

【例31通过《探究弹簧弹力与弹簧伸长长度的关系》实验，我们知道

在弹性限度内，弹簧弹力厂的大小与弹簧的伸长（或压缩）量％成正

比，并且不同的弹簧，其劲度系数不同.已知一根原长为〃）、劲度

系数为h的长弹簧A,现把它截成长为孤和名。的B、C两段，设

8段的劲度系数为公、C段的劲度系数为依，关于七、k2、依的大

小关系，同学们做出了如下猜想.

甲同学：既然是同一根弹簧截成的两段，所以，k\=k2=k3

乙同学：弹簧越短劲度系数越大，所以，肥<近43

丙同学：弹簧越长劲度系数越大，所以，kx>k2>k.

（1）为了验证猜想，可以通过实验来完成.实验所需的器材除铁架台

外，还需要.

（2）简要实验步骤如下，请完成相应填空.

a.将弹簧A悬挂在铁架台上，用刻度尺测量弹簧A的长度及；

b.在弹簧4的下端挂上钩码，记下钩码的个数（如〃个）并用刻度尺

测量弹簧的长度心；

c.由F=mg计算弹簧的弹力；由Lo计算出弹簧的伸长量.由

计算弹簧的劲度系数；

d.改变,重复实验步骤b、c,并求出弹簧4的

劲度系数由的平均值；

e.按要求将弹簧A翦断，分成3、C两段，重复实验步骤a、b、c、

d.分别求出弹簧反C的劲度系数上2、依的平均值.比较卜、心、

心并得出结论.

（3）图6是实验得到的图线.根据图线得出弹簧的劲度系数与弹簧

长度有怎样的关系？

答案（1）刻度尺、已知质量且质量相等的钩码（2）钩码的个数（3）

同一根弹簧上截下的几段，越短的段，劲度系数越大（或越长的段，

劲度系数越小）

四、以打点计时器或光电门为工具的力学实验

【例4(2013・四川・8(2))如图7所示,某组同学借用“探究a与Rm

之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合外

力做功和动能变化的关系”的实验：

小车

打点计时器I-------------.细绳滑轮

纸带垫片总

U口托盘

图7

①为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置,

改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做运

动.

②连接细绳及托盘，放入祛码，通过实验得到图8所示的纸带.纸

带上。为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1s的相

邻计数点A、B、C、D、E、F、G实验时小车所受拉力为0.2N,

小车的质量为0.2kg.

―15.50cmT

---21.60cm---->

*-------23.61cm-------->

v-----------36.70cm-------------

------------45.75cm------------------*,

■------------------55.75cm---------------------------*,

,*----------------------66.77cm-------------------------------------*

图8

请计算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化AEk.补填表中

空格(结果保留至小数点后第四位).

分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内W=AEk.与理论推导

结果一致.

③实验前已测得托盘质量为7.7义lO^kg,实验时该组同学放入托盘

中的祛码质量应为kg(g取9.8m/s2,结果保留至小数点后

第三位).

角星析(2)FSOF=0.2X55.75X10-2J=0.1115J

(66.77-45.75)X10-2

VF=-----.yei------m/s=1.051m/s

ZA(J.1

A£k=^mz；/?=^X0.2X1.0512J=0.1105J

③设放入底码质量为相，则

(m+7.7X10-3kg)g-0.2N=(m+7.7X10-3kg)。

①

F02

对小车：。=麻=浴m/s2=lm/s2

②

联立①②得：〃2=0.015kg

答案①匀速直线②0.11150.1105③0.015

【以题说法】《考试说明》规定的七个力学实验中有四个涉及打点计

时器：研究匀变速直线运动、验证牛顿运动定律、探究动能定理和

验证机械能守恒定律.在创新实验中打点计时器也经常出现.这类

实验的关键是要掌握纸带的分析处理方法，对于纸带常见有以下三

大应用.

1.由纸带确定时间

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，一般每五个点取一个计数点，这样时间间隔

为Ar=0.02X5s=0.1s.

2.求解瞬时速度

利用做匀变速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9所示，打〃点时的速度勿=峙”

<nn+1I

~—―一'

图9

3.用“逐差法”求加速度

加团1C必早+^5+S6)—(51+52+S3)

如图10所不，a=--------------------

图10

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：

(1)求瞬时速度：把遮光条(宽度为①通过光电门的时间加内的平均

速度看做物体经过光电门的瞬时速度，即。=看.

(2)求加速度：若两个光电门之间的距离为"则利用速度与位移的

2_2

关系可求加速度，即。=气芦.

回电某学习小组在“研究匀变速直线运动”的实验中，用如

图11所示的气垫导轨装置来测小车的加速度，由导轨标尺可以测

出两个光电门之间的距离L,窄遮光板的宽度为d,窄遮光板依次

通过两个光电门的时间分别为小t2.

图11

⑴通过两个光电门的瞬时速度分别为S=,。2=.

在计算瞬时速度时应用的物理方法是.（填“极限

法”“微元法”或“控制变量法”）.

（2）则滑块的加速度可以表示为a=（用题中所给物理量表

示）.

（3）该学习小组在测出滑块的加速度后，经分析讨论，由于滑块在气

垫导轨上运动时空气阻力很小，可用上述实验装置来验证机械能守

恒定律，为此还需测量的物理量是和,机械能守

恒的表达式为（用题中所给物理量和测量的物理

量表示）.

答案（谓f极限法⑵眩。一3

（3）沙桶的质量机滑块的质量M

mgL=^M+根）法（看一点）

解析（1）小车通过两个光电门的瞬时速度等于小车通过光电门这

段时间内的平均速度，故瞬时速度分别为W和£时间取的越短，瞬

1\11

时速度越接近平均速度，故采用了极限法；（2）根据运动学公式2〃

=潺一济，代人可求得加速度。=会看一为；（3）要验证机械能守恒

就要看沙桶重力势能的减少量和系统动能的增加量是否相等，因此

需要测量沙桶的质量相和滑块的质量机械能守恒定律的表达式

为屋（J—

乙42/1

读题审题解题题题有秘诀

13.力学创新实验的分析技巧

【审题示例】

(2013・新课标I.22)(7分)图12为测量物块与水平桌面之间动摩擦因

数的实验装置示意图.实验步骤如下：

光

轻滑轮

］重物

图12

①用天平测量物块和遮光片的总质量M,重物的质量如用游标卡

尺测量遮光片的宽度d,用米尺测量两光电门之间的距离s；

②调整轻滑轮，使细线水平；

③让物块从光电门A的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮

光片经过光电门A和光电门B所用的时间△以和MB,求出加速度

④多次重复步骤③，求。的平均值了；

⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数小

回答下列问题：

(1)测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1mm)的示数如图

13所示.其读数为cm.

123

05101520

图13

(2)物块的加速度。可用d、s、ZA和△加表示为a=.

(3)动摩擦因数〃可用M、m、a和重力加速度g表示为4=.

（4）如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于

（填“偶然误差”或“系统误差”）.

【审题模板】

《当K+s壮联想到验证牛顿第二定律的实验原理

、头验装置J

I「光电门”、“遮光片时间A"和A端'］可利用位移

宏册/等信息可联想到测物体的瞬时速度,与速度关系

遭患人两光电门间的距离s」求加速度

1/遮光片经过光电门A、5时的瞬时速度以=&、d_

MB

?春经过光电门A、5的过程：2as=t/J_*

乏岁\对物块、重物利用牛顿第二定律

mg-T=ma^,T-p,Mg=Ma

【答题模板】

(1)0.9cm+12X0.05mm=0.960cm

(2分)

（）因为办=卷，办=品，

2又由2aso/,

得。=支圜2-（寻21

（2分）

（3）设细线上的拉力为7,则mg一7=相。，T—/iMg=Ma

两式联立得〃=碰

（2分）

（4）细线没有调整到水平，属于实验方法粗略，这样会引起系统误差.

（1分）

答案（I）。-（2）点（A-（言月

（3）—而——（4）系统误差

3红为了探究动能定理，某同学设计了如下实验方案:

第一步：如图14甲所示，把木板一端垫起，滑块通过细绳与一重

锤相连，然后跨过定滑轮，重锤下连一纸带，穿过打点计时器，调

整木板倾角，直到轻推滑块，滑块沿木板向下匀速运动.

第二步：如图乙所示，保持木板倾角不变，取下细绳和重锤，将打

点计时器安装在木板靠近滑轮处，将滑块与纸带相连，使其穿过打

点计时器.

第三步：接通电源，释放滑块，使之从静止开始加速运动，打出的

纸带如图丙所示.其中打下计数点。时，滑块的速度为零，相邻计

数点的时间间隔为r

图14

⑴根据纸带求打点计时器打E点时滑块的速度片.

(2)已知重锤质量为相，当地的重力加速度为g,合外力在0E段对

滑块做功的表达式WOE=.

⑶利用图丙数据求出各段合外力对滑块所做的功W及A、B、C、E

各点的速度。.以"为纵轴，以W为横轴建立坐标系，作出W

图象，发现它是一条过坐标原点的倾斜直线，测得直线斜率为k,

则滑块质量M=.

答案⑴其丁"(2)mgS5(3)1

解析(1)根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可

得0E=写＞

(2)本实验中将重锤的重力当作合外力，合外力在0E段对滑块做的

功为mgs5.

(3)根据动能定理有卬=51肱?2,得02=应2卬，所以2=女，M=-72.

1ri.LFXfv

专题突破练

(限时：50分钟)

1.(2013・广东・34⑴)研究小车匀变速直线运动的实验装置如图1(a)所

示，其中斜面倾角9可调，打点计时器的工作频率为50Hz,纸带

上计数点的间距如图(b)所示，其中每相邻两点之间还有4个记录

点未画出.

(b)

图1

①部分实验步骤如下：

A.测量完毕，关闭电源，取出纸带

B.接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车

C.将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连

D.把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔

上述实验步骤的正确顺序是：(用字母填写).

②图(b)中标出的相邻两计数点的时间间隔T=s.

③计数点5对应的瞬时速度大小计算式为。5=.

④为了充分利用记录数据，减小误差，小车加速度大小的计算式应

为a=.

答案①DCBA②0.1③畤？

小($4+S5+56)—(S1+S2+§3)

©--------------9T--------------

解析②时间/=〃7b=5X0.02s=0.1s(/7为相邻两个计数点的间隔

数).③在匀变速直线运动中：中间时刻的速度等于平均速度.④

取Si'=S1+$2+S3,S2'=$4+55+56,贝I：T'=3T,就可用\s'

=sz'—5i'=aT'2求Q.

2.橡皮筋也像弹簧一样，在弹性限度内伸长量x与弹力/成正比，

即F=kx,k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有

关，理论与实际都表明左=午，其中丫是一个由材料决定的常数,

材料力学上称之为杨氏模量.

(1)在国际单位中，杨氏模量丫的单位应该是.

A.NB.mC.N/mD.Pa

(2)用如图2甲所示的实验装置可以测量出一段横截面积是圆形的

橡皮筋的杨氏模量7的值，首先利用毫米刻度尺测得橡皮筋的长

度£=20.00cm,利用测量工具。测得橡皮筋未受到拉力时的直径

£)=4.000mm,那么测量工具a应该是.

F/N

x/cm

乙7

图2

⑶用如图甲所示的装置就可以测出这种橡皮筋的丫值，下面的表

格是橡皮筋受到的拉力F与伸长量x的实验记录.处理数据时，

可在图乙中作出少一X的图象，由图象可求得该橡皮筋的劲度系数

k=N/m.(保留两位有效数字)

拉力F(N)510152025

伸长量x(cm)1.63.24.86.48

(4)这种橡皮筋的杨氏模量Y=—.(保留一位有效数字)

答案(1)D(2)螺旋测微器(或千分尺)(3)图象见解析图

3.1X102(4)5X106Pa

解析⑴根据表达式仁春得：y=y

已知女的单位是N/m,/的单位是m,S的单位是m2,所以『的

单位是N/m2,也就是Pa,故选D.

(2)测量橡皮筋未受到拉力时的直径用螺旋测微器(或千分尺).

(3)

根据尸=丘可知，图象的斜率大小等于劲度系数大小，由图象求

出劲度系数为k=3.1X

102N/m.

kJ

(4)根据求得，y^5X106Pa.

J

3.某同学找到一条遵循胡克定律的橡皮筋来验证力的平行四边形定

则，设计了如下实验：

图3

(1)将橡皮筋的两端分别与两条细线相连，测出橡皮筋的原长；

(2)将橡皮筋一端细线用钉子固定在竖直板上M点，在橡皮筋的中

点。再用细线系重物，自然下垂，如图3甲所示.

(3)将橡皮筋另一端细线固定在竖直板上的N点，如图乙所示.

为完成实验，下述操作中需要的是.

A.橡皮筋两端连接的细线长度必须相同

B.要测量图甲中橡皮筋0。的长度和图乙中橡皮筋O。、0。的长

度

C.M、N两点必须在同一高度处

D.要记录图甲中O点的位置及过0点的竖直方向

答案B

解析橡皮筋两端连接的细线长度不需要必须相同，M,N两点可

以不在同一高度处，不需要记录题图甲中0点的位置及过0点的

竖直方向.由于已经测出橡皮筋的原长，只需要测量题图甲中橡皮

筋0a的长度和题图乙中橡皮筋0”、。。的长度.操作中需要的是

B.

4.用图4所示的装置做“验证牛顿运动定律”的实验.

(1)为了减小长木板对小车摩擦力的影响，必须在长木板

(填“远离”或“靠近”)滑轮的一端下面垫一块木板，反

复移动木板的位置，直至小车能单独在长木板上做运动.

(2)为了验证小车的加速度与其质量的定量关系，必须采用

________法.

(3)保持小车受力不变，测量不同质量的小车在这个力作用下的加

速度.某次实验中打出如图5所示的纸带(打点计时器电源的频率

为50Hz),则这个加速度值。=m/s2.

—1.93cm—**--------3.53cm>

图5

(4)某同学把实验得到的几组数据画成图6的a-m图象，为了更直

观描述小车的加速度跟其质量的关系，请你根据他的图象在图7

中画出。一^图象.

m

图6

a/(m«s-2)

0ag-'

图7

答案⑴远离匀速直线(2)控制变量(3)0.8(或0.80)(4)如

图所示

a/(m-s-2)

0.6

02468104/kg"

解析(1)为了减小长木板对小车摩擦力的影响，必须平衡摩擦力，

在长木板远离滑轮的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，

直至小车能单独在长木板上做匀速直线运动.

(2)由于小车的加速度与合外力和质量有关，为了验证小车的加速

度与其质量的定量关系，必须采用控制变量法.

(3)根据纸带,由0.0353m-0.0193m=2a(5/斤解得<3=0.8m/s2.

(4)某同学把实验得到的几组数据画成了题图的a一m图象，为了更

直观描述小车的加速度跟其质量的关系，可根据他的图象上的一些

数据点，在题图中画出。一《图象.

5.(2013•福建49(1))在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中

(装置如图8)：

小车纸带打点计时器

①下列说法哪一项是正确的.（填选项前字母）

A.平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上

B.为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量

C.实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放

②图9是实验中获得的一条纸带的一部分，选取0、4、B、C计

数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz,则打B点时小

车的瞬时速度大小为m/s（保留三位有效数字）.

单位：cm

BC

答案①C②0.653

解析①平衡摩擦力时，是让小车的重力沿木板的分力与小车受到

的摩擦力相等，故不应挂钩码，A选项错误；为减小系统误差，应

使钩码质量远小于小车的质量，B选项错误；为了有效利用纸带，

且小车运动的距离应适当大一些，应使小车靠近打点计时器由静止

释放，C选项正确.

②打3点时小车的瞬时速度

SAC（18.59-5.53）X10-2由

VB=~.-----=0.653m/s

10S

6.“动能定理”和“机械能守恒定律”是物理学中很重要的两个力

学方面的物理规律.有一名同学设计了如图10甲所示的实验装

置.一个电磁铁吸住一个小钢球，当将电磁铁断电后，小钢球将

由静止开始向下加速运动.小钢球经过光电门时一，计时装置将记

录小钢球通过光电门所用的时间t,用直尺测量出小钢球由静止开

始下降至光电门时的高度h.

图10

(1)这名同学为了验证“动能定理”，用游标卡尺测量了小钢球的

直径，结果如图乙所示，他记录的小钢球的直径1=cm.

(2)这名同学在验证“动能定理”的过程中，忽略了空气阻力的影

响，除了上述的数据之外是否需要测量小钢球的质量？

(填“需要”或“不需要”)

(3)该同学如果打算用这套装置验证机械能守恒定律，下面的做法

能提高实验精度的是

()

①在保证其他条件不变的情况下，减小小球的直径

②在保证其他条件不变的情况下，增大小球的直径

③在保证其他条件不变的情况下，增大小球的质量

④在保证其他条件不变的情况下，减小小球的质量

A.①②B.②③C.①③

D.②④

答案(1)1.00(2)不需要(3)C

解析(1)游标卡尺读数时，先读主尺为10mm,再读游标尺，共

10个格，每个格代表0.1mm,第0个格与主尺刻度线对齐，故游

标卡尺读数为10.0mm,因此小钢球的直径为