【课件】高考物理二轮复习专题十一力学实验及其创新课件

第1讲力学实验及其创新专题六物理实验突破点一力学常规实验01[典例1](2021·湖南适应性考试)某同学利用滑块在气垫导轨上的运动测量当地的重力加速度。如图(a)所示，所用器材包括：气垫导轨、滑块(上方安装有宽度为d的遮光片)、数字计时器、光电门等。导轨下方两支点间的距离为l。实验步骤如下：(1)开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当光电门A记录的遮光时间________(选填“大于”“小于”或“等于”)光电门B记录的遮光时间时，可认为气垫导轨水平；(2)用游标卡尺测量遮光片的宽度d，如图(b)所示，d＝________cm；图(a)图(b)[典例2]某物理小组利用DIS装置测定当地的重力加速度g，实验装置如图甲所示。在铁架台上安装有两个光电门(与数据采集器和计算机的连接均未画出)，光电门A固定，光电门B的位置可上下移动，实验前调整两光电门的位置，使小铁球沿图甲中虚线通过两光电门。(1)用游标卡尺测量小铁球的直径，测量结果如图乙所示，可知其直径D＝________mm。(2)在小铁球自由下落过程中，小组成员用计时装置测出小铁球通过光电门A时的遮光时间为ΔtA，并用小铁球通过光电门的平均速度表示小铁球球心通过光电门的瞬时速度，则小铁球通过光电门A的瞬时速度为vA＝__________。(用实验中测得的物理量符号表示)(3)光电门A的位置不变，小组成员多次改变并测出光电门B到光电门A之间的距离h，实验时使小铁球每次从同一位置无初速度释放。根据每次小铁球通过光电门B时的遮光时间，计算出小铁球经过光电门B时对应的速度vB，在坐标系中作出v与h的关系图线，如图丙所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2(结果保留3位有效数字)。[典例3]物理小组的同学利用如图所示的装置研究匀变速直线运动。(1)下列操作必要的是________。A．把木板右端适当垫高，以平衡摩擦力B．调节滑轮的高度，使细线与木板平行C．小车的质量要远大于钩码的质量D．实验时要先接通打点计时器电源再释放小车(2)打点计时器接频率为50Hz的交流电，规范进行实验操作，得到如图所示的一条纸带，小组的同学在纸带上每5个点选取1个计数点，依次标记为A、B、C、D、E。测量时发现B点已模糊不清，于是他们测得AC长14.56cm，CD长11.15cm，DE长13.73cm，则打C点时小车的瞬时速度大小为________m/s，小车运动的加速度大小为________m/s2，AB的长应为________cm。(保留3位有效数字)3．常见的数据处理方法(1)列表法：直接从表格数据中得到弹力F与伸长量x的比值是一个常数。(2)图象法：以弹力F为纵坐标，弹簧的伸长量x为横坐标，根据所测数据，在坐标系中描点连线，可得到一条过原点的直线。①F­x图线为一条过原点的直线，而F­l图线为一条倾斜直线但不过原点。②F­x图线和F­l图线的斜率均表示弹簧(或橡皮筋)的劲度系数。③F­l图线在l轴的截距表示弹簧(或橡皮筋)的原长。④F­x图线和F­l图线发生弯曲的原因是弹簧(或橡皮筋)超出了弹性限度。

(3)函数法：在误差允许范围内，可写出弹力与弹簧伸长量的函数关系式F＝kx。实际解题中常与图象法配合使用，以得到函数式或对比实际关系式用以计算物理量等。[典例4]某同学利用图(a)的装置测量轻弹簧的劲度系数。图中一光滑的细杆和直尺水平固定在铁架台上，一轻弹簧穿在细杆上，其左端固定，右端与细绳连接；细绳跨过光滑定滑轮，其下端可以悬挂砝码(实验中，每个砝码的质量均为m＝50.0g)。弹簧右端连有一竖直指针，其位置可在直尺上读出。实验步骤如下：

①在绳下端挂上一个砝码，调整滑轮，使弹簧与滑轮间的细绳水平且弹簧与细杆没有接触；②系统静止后，记录砝码的个数及指针的位置；③逐次增加砝码个数，并重复步骤②(保持弹簧在弹性限度内)；④用n表示砝码的个数，l表示相应的指针位置，将获得的数据记录在表格内。(a)(b)(2)弹簧的劲度系数k可用砝码质量m、重力加速度大小g及l­n图线的斜率α表示，表达式为k＝________。若g取9.80m/s2，则本实验中k＝________N/m(结果保留3位有效数字)。[解析]

(1)根据题表的实验数据在图(b)中补齐数据点并作出l­n图象如图所示。[典例5]两个实验小组做了如下两个实验，请回答下列问题：(1)一个实验小组在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，使用两根不同的轻质弹簧a和b，得到弹力与弹簧长度的关系图象如图甲所示。下列说法正确的是________。A．a的原长比b的长B．a的劲度系数比b的大C．a的劲度系数比b的小D．测得的弹力与弹簧的长度成正比(2)另一个实验小组利用图乙所示的实验装置完成“探究求合力的方法”的实验。甲①下列说法正确的是________。A．在测量同一组数据F1、F2和合力F的过程中，橡皮条结点O的位置不能变化B．弹簧测力计拉细线时，拉力方向必须竖直向下C．F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程D．为减小测量误差，F1、F2方向间夹角应为90°②弹簧测力计的指针如图丙所示，由图可知拉力的大小为________N。③本实验采用的科学方法是________。A．理想实验法

B．控制变量法C．等效替代法

D．建立物理模型法[典例6]某同学在研究性学习中用如图甲所示的装置测量弹簧压缩到某程度时的弹性势能，探究步骤如下：①用游标卡尺测量出小车上遮光条的宽度d；②用装有砝码的小车把弹簧的右端压缩到某一位置P，并记下这一位置，同时测量出小车到光电门的距离为x；③释放小车，测出小车上的遮光条通过光电门所用的时间t，则此时小车的速度v＝________，并记录小车及砝码的总质量m；④增减小车里的砝码，______________________，重复③的操作，得出一系列小车及砝码的总质量m与小车通过光电门时的速度v；[典例7]某同学在利用气垫导轨、滑块、数字计时器、光电门等器材验证动量守恒定律实验中，用到两个相同的光电门1和2及质量分别为400g、200g的滑块A和B，两滑块上分别固定有宽度相同的长方形遮光片。实验开始时，气垫导轨上放置的器材从左到右依次为滑块B、光电门1、滑块A、光电门2，如图所示，现给滑块B一向右的初速度，数字计时器记录的遮光片通过光电门1的时间为40.2ms，滑块B与滑块A撞完后，滑块B上遮光片通过光电门1的时间为120.3ms，滑块A上遮光片通过光电门2的时间为60.4ms，已知遮光片的宽度为2.40cm。(1)滑块B撞前的速度大小为______m/s，撞后的速度大小为______m/s，滑块A撞后的速度大小为________m/s。(结果均保留一位小数)(2)两滑块碰撞前的总动量为________，碰撞后的总动量为________，由此可得出的结论为_______________________________。(3)碰撞前系统的总动能为________，碰撞后的总动能为________，据此可知该碰撞为________(填“弹性碰撞”“非弹性碰撞”或“完全非弹性碰撞”)。突破点二力学创新实验021．创新设计实验分析创新设计实验通常可分为两类：第一类为通过实验和实验数据的分析得出物理规律；第二类为给出实验规律，选择实验仪器，设计实验步骤，记录实验数据并进行数据处理。第一类必须在实验数据上下功夫，根据数据特点，掌握物理量间的关系，得出实验规律；第二类必须从已知规律入手，正确选择测量的物理量，根据问题联想相关的实验模型，确定实验原理，选择实验仪器，设计实验步骤，记录实验数据并进行数据处理。

2．创新实验题的解法实验原理是创新实验问题的关键，是进行这类实验设计的根本依据和起点。实验原理决定了应当测量哪些物理量、如何安排实验步骤等。实验原理应根据题干的要求、条件等信息确定。[典例8](2021·山东济南高三年级学情诊断)某同学研究自由落体运动的规律时，将小球在固定的刻度尺旁由静止释放，用手机拍摄小球自由下落的视频，然后用相应的软件处理得到分帧图片，利用图片中小球的位置就可以得出速度、加速度等信息，实验装置如图1所示。图2为小球下落过程中三幅连续相邻的分帧图片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，相邻两帧之间的时间间隔为0.02s，刻度尺为毫米刻度尺。(1)图2(Ⅱ)中小球下落速度约为________m/s。(计算结果保留两位小数)(2)关于实验装置和操作，以下说法正确的是__(多选)。A．刻度尺应固定在竖直平面内B．铅垂线的作用是检验小球是否沿竖直方向下落C．手机应正对刻度尺固定D．手机距离刻度尺越近越好(3)为了得到更精确的加速度值，该同学利用多帧图片测算其对应的速度v和下落的高度h，绘制了v2­h图象，如图所示。其中P、Q分别为两个大小相同，质量不同的小球下落的图象，由图象可知________(多选)。A．图线的斜率表示小球下落的加速度B．小球P的质量大于小球Q的质量C．小球P的质量小于小球Q的质量D．小球P的数据算出的加速度值更接近当地重力加速度[解析]本题通过研究自由落体运动规律考查实验注意事项和实验数据的处理。(1)从题图2(Ⅰ)到题图2(Ⅲ)，小球的位移约为x＝10.50cm－4.90cm＝5.60cm，用时t＝0.04s，由匀变速直线运动在一段时间内的平均速度等于其中间时刻的瞬时速度可知，题图2(Ⅱ)中小球的下落速度约为v＝1.40m/s。(2)小球沿竖直方向下落，故刻度尺应固定在竖直平面内，A正确；铅垂线的作用是检验刻度尺是否沿竖直方向，B错误；手机在录像时应正对刻度尺，并且离刻度尺适当远些，离得远些，位置记录的误差小，C正确，D错误。(3)根据自由落体运动规律可知，小球下落高度h与速度v的关系为v2＝2gh，即v2与h成正比，v2­h图象中图线的斜率表示小球下落加速度的2倍，A错误；由图象知Q球的加速度较小，说明其质量较小，空气阻力对它的影响较为明显，所以用小球P的数据算出的加速度值更接近当地的重力加速度，B、D正确，C错误。[典例9]李华同学在一科普读物上看到：球体在液体中运动时受到的阻力f与球体的半径r、速度v、液体的种类及温度有关，且f＝6πηrv(式中物理量η是液体的粘滞系数，它只与液体的种类及温度有关)。他用如图甲所示的实验装置，采用落体法测量蓖麻油在室温下的粘滞系数η，实验步骤如下：A．把稍粗、稍高的玻璃桶放在水平实验台上，在玻璃桶内盛上密度ρ0＝0.96×103kg/m3的蓖麻油，用一窄木板条将红外线测速仪P固定在玻璃桶开口正中间；B．用游标卡尺测量密度ρ＝7.9×103kg/m3的钢球的直径d，测量结果如图乙所示；C．将钢球从测速仪P的正下方放入蓖麻油中，接通测速仪电源的同时由静止释放钢球，在显示屏上得到了钢球在蓖麻油中竖直下落时的v­t图象如图丙所示；D．求蓖麻油在室温下的粘滞系数η。请依据题意及实验步骤回答以下问题：(1)在步骤B中，测得钢球的直径d＝________mm；(2)