高考物理二轮复习 专题十 物理实验的创新和设计 第一讲 力学实验的创新和设计课件.ppt

1、专题十物理实验的创新和设计,第一讲力学实验的创新和设计,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,1.(2015全国理综,22),某同学用图(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数.已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示,图中标出了五个连续点之间的距离.,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,(1)物块下滑时的加速度a=m/s2,打C点时物块的速度v=m/s; (2)已知重力加速度大小为g,为求出动摩擦因数,还必须测量的物理量是. A.物块的质量B.斜面的高度C.斜面的倾角,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,真题模

2、拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,2.(2014全国理综,22),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10 Hz;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g取9.80 m/s2. 单位:cm,根据表中数据,完成下列填空: (1)物块的加速度a= m/s2(保留3位有效数字). (2)因为,可知斜面是粗糙的.,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4

3、,3.(2013山东理综,21(1)图甲为一游标卡尺的结构示意图,当测量一钢笔帽的内径时,应该用游标卡尺的(选填“A”“B”或“C”)进行测量;示数如图乙所示,该钢笔帽的内径为 mm.,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,解析:A用来测内径,B用来测外径,C用来测深度.从题图中读出主尺为11 mm,游标尺第6条与主尺上的某条刻度线对齐,读数为0.056 mm=0.30 mm,故钢笔帽的内径为11.30 mm. 答案:A11.30,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,4.(2013课标全国,22)某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究:一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上,弹簧

4、左端固定,右端与一小球接触而不固连;弹簧处于原长时,小球恰好在桌面边缘,如图(a)所示.向左推小球,使弹簧压缩一段距离后由静止释放;小球离开桌面后落到水平地面.通过测量和计算,可求得弹簧被压缩后的弹性势能.,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,回答下列问题: (1)本实验中可认为,弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等.已知重力加速度大小为g.为求得Ek,至少需要测量下列物理量中的(填正确答案标号). A.小球的质量m B.小球抛出点到落地点的水平距离s C.桌面到地面的高度h D.弹簧的压缩量x E.弹簧原长l0 (2)用所选取的测量量和已知量表示Ek,得Ek=.,真题

5、模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,(3)图(b)中的直线是实验测量得到的s-x图线.从理论上可推出,如果h不变,m增加,s-x图线的斜率会(选填“增大”“减小”或“不变”);如果m不变,h增加,s-x图线的斜率会(选填“增大”“减小”或“不变”).由图(b)中给出的直线关系和Ek的表达式可知,Ep与x的次方成正比.,真题模拟体验,名师诠释高考,1,2,3,4,真题模拟体验,名师诠释高考,高考对力学实验的考查,主要涉及以下问题类型:一、基本仪器的使用,尤其是打点计时器、游标卡尺、螺旋测微器的使用和读数.二、以课本原实验为情景,考查实验步骤的排序、纠错、补充,实验数据的处理、结论的得出、误差

6、的分析等.三、对课本原实验进行改编、拓展和延伸,如器材、装置、目的、数据处理方法的变化等,考查对原理的深层次理解和迁移应用基本实验方法的能力.在力学实验中多围绕纸带的处理进行改编.四、给定器材下设计和探究性实验或对新情景实验的理解和探究.,考点二,考点三,考点一,在新课标高考中,共有6个必考的力学实验.其中“验证力的平行四边形定则”实验给出了验证性实验的一般思路,“探究弹簧的弹力和伸长的关系”实验给出了探究两个物理量关系的基本方法,而“处理纸带的方法”则贯穿在“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”这4个实验之中,可见,这种方法的重要性.,考点二,考点三,考点

7、一,一、处理纸带的方法 1.判断物体的运动性质 (1)若纸带上相邻点间的位移差x=xn+1-xn=0,则物体做匀速运动. (2)若x=xn+1-xn=C(非零常数)n=1,2,3,则物体做匀加速直线运动. 2.求物体运动的速度平均速度法,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,考点一,二、探究两个物理量F-x之间关系的方法图象法 首先尝试F-x是否为一次函数,如果不行,则考虑二次函数或其他函数.即以F为纵坐标,分别以 为横坐标,用描点法画曲线,分析曲线,得出F-x的定量关系. 三、常用实验方法汇总 1.控制变量法:这是物理学中研究三个或多个物理量之间关系常用的一种方法.如在验证牛顿第二定律实验

8、中,研究加速度a与F及M的关系时,先控制M不变,验证加速度a与力F的关系;然后再控制F不变,验证加速度a与质量M的关系. 2.等效法:如在验证牛顿运动定律实验中,平衡摩擦力后,与不受摩擦力的情况等效.,考点二,考点三,考点一,3.合理近似法:如当时间很小时,用平均速度替代瞬时速度;在验证牛顿第二定律实验中,当m桶m时,小车所受合外力F=Tm桶g,这是处理实际问题常用的近似法. 4.图象法:如在验证牛顿第二定律实验中,通过画“aF或a 线”来探究或验证a与F、M的关系,是物理学中寻找物理规律的又一种常用方法. 5.转换法:如在验证牛顿第二定律实验中,为了更直观地判断a与M的关系,采用画 线替代a

9、-M线的方法,变曲线为直线. 6.累计法:测量微小量的方法,如多测几次全振动的时间,然后用测得的时间除以振动的次数就是周期;再如测多匝金属丝的直径之和,然后求出其直径等.,考点二,考点三,考点一,7.留迹法:如在纸带上打点记录物体的对应位置;在纸上用铅笔画点记录平抛物体的位置;通过复写纸记录小球碰撞后的位置;利用插针法画入射光线和折射光线等. 8.放大法:通过“光放大”将不易观察的微小形变转化为易观察的“移动的光点”. 9.平均值法:为了减小偶然误差,一般采用多次测量、取平均值的方法. 10.实验数据的处理方法: (1)列表法:处理数据时,一般先找相同量,再分析其他量的关系. (2)作图法:连

10、线时不一定通过所有的数据点,而使数据点均匀分布在线的两侧,误差大的点要舍掉.,考点二,考点三,考点一,四、高考实验题的创新之法 实验题的创新主要体现在对课本实验的改编、拓展或延伸,常见情况如下: 1.课本实验的装置、器材等不变,但实验的目的变了.利用所测数据,求另一物理量或验证另一个物理规律. 2.实验装置、器材变化,但实验原理、方法等不变或者原理不变,实验方法、处理数据的方法变化了. 3.利用学过的物理规律和实验方法设计或解答新情景实验.,考点一,考点二,考点三,此类问题多由测量性或验证性实验改编而成,实验的装置、方法不变,仍用原实验中的测量数据来完成新的测量量或验证新的表达式.,考点一,考

11、点二,考点三,(2015北京丰台模拟)如图甲所示,某学生小组借用“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置,进行“探究合外力做功与动能变化的关系”的实验:,(1)实验时使小车在砝码和托盘的牵引下运动,以此定量探究细绳拉力做功与小车动能变化的关系. 实验准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸及图甲所示的器材.若要完成该实验,必需的实验器材还有. 为达到平衡摩擦力的目的,取下细绳和托盘,通过调节垫片的位置,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.,考点一,考点二,考点三,实验开始时,先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行.这样做的目的是(填字母代号). A.避免小车在

12、运动过程中发生抖动 B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰 C.可以保证小车最终能够实现匀速直线运动 D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力,考点一,考点二,考点三,(2)连接细绳及托盘,放入砝码,通过实验得到图乙所示的纸带.纸带上O为小车运动起始时刻所打的点,选取时间间隔为0.1 s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G.,实验时测得小车的质量为M=200 g,小车所受细绳的拉力为F=0.2 N. 各计数点到O的距离为s,对应时刻小车的瞬时速度为v,小车所受拉力做的功为W,小车动能的变化量为Ek.请计算补填表中空格(结果保留小数点后四位).,考点一,考点二,考点三,分析上述数据可知

13、:在实验误差允许的范围内.,考点一,考点二,考点三,(3)这个小组在之前的一次实验中分析发现拉力做功总是要比小车动能增量明显大一些.这一情况可能是下列哪些原因造成的(填字母代号). A.在接通电源的同时释放了小车 B.小车释放时离打点计时器太近 C.平衡摩擦力时长木板倾斜程度不够 D.平衡摩擦力时长木板倾斜程度过大,考点一,考点二,考点三,解析:(1)实验时还必须用天平测量小车及托盘砝码的质量,用刻度尺测量纸带的长度;当小车拖着纸带做匀速运动时,可认为已经平衡了摩擦力;实验开始时,先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行.这样做的目的是可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力,故

14、选D. (2)第E组中拉力的功W=Fs=0.2 N0.457 5 m=0.091 5 J; 动能增量 ;分析上述数据可知:在实验误差允许的范围内细绳拉力做功等于小车动能变化. (3)拉力做功总是要比小车动能增量明显大一些的原因是还有其他功存在,即阻力功,也就是说阻力没有都平衡掉,即平衡摩擦力时长木板倾斜程度不够,选项C正确. 答案:(1)天平、刻度尺匀速直线D (2)0.091 5、0.090 7细绳拉力做功等于小车动能变化 (3)C,考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,对点训练1 (2015山东烟台模拟)某探究学习小组的同学欲以下图装置中的滑块为研究对象“验证动能定理”,他们在实

15、验室组装了一套如图所示的装置,另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、天平、刻度尺、细沙等材料.当滑块连接上纸带,用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时,释放沙桶,滑块处于静止状态.若你是小组中的一位成员,要完成该项实验,则:,考点一,考点二,考点三,(1)实验时为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等,沙和沙桶的总质量m、滑块的质量M两者应满足的条件是,而且实验时还需要有的步骤. (2)在(1)的基础上,某同学用天平称量滑块的质量M,向沙桶中装入适量的细沙,用天平称出此时沙和沙桶的总质量m.让沙桶带动滑块加速运动,用打点计时器记录其运动情况,在打点计时器打出

16、的纸带上取O、A、B、C四点,量得各计数点间的距离分别为x1、x2、x3.若研究滑块的AB段,本实验最终要验证的数学表达式为 (用题中的字母表示,重力加速度为g,打点计时器所接交变电流的周期为T).,考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,此类问题多由测量性或验证性实验通过改变装置、器材、处理实验数据的方法改编而成,一般由于实验原理遵循的物理规律的表达式的多样性,根据不同的表达式设计而成,如机械能守恒定律、欧姆定律的表达式具有多样性.,考点一,考点二,考点三,如图所示的实验装置可以探究加速度与物体质量、物体受力的关系.小车上固定一个盒子,盒子内盛有沙子.沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子

17、质量)记为m,小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为M.(木板上表面光滑)验证在质量不变的情况下,加速度与合外力成正比:从盒子中取出一些沙子,装入沙桶中,称量并记录沙桶的总重力mg,将该力视为合外力F,对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出.多次改变合外力F的大小,每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中,桶内的沙子取自小车中,故系统的总质量不变.以合外力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a-F图象,图象是一条过原点的直线.,考点一,考点二,考点三,(1)a-F图象斜率的物理意义是. (2)你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理?(选填“合理”或“不合理”). (3)本次实验中,是

18、否应该满足Mm这样的条件?(选填“是”或“否”).,考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,对点训练2 1. (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固定在墙上的两个钉子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. 为完成实验,下述操作中必需的是. 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 钉子位置固定,欲利用现有器材,改变条件再次实验,可采用的方

19、法是.,考点一,考点二,考点三,(2)某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系.弹簧测力计固定在一合适的木板上,桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮,细绳的两端分别与弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接.在桌面上画出两条平行线MN、PQ,并测出间距d.开始时将木板置于MN处,现缓慢向瓶中加水,直到木板刚刚开始运动为止,记下弹簧测力计的示数F0,以此表示滑动摩擦力的大小.再将木板放回原处并按住,继续向瓶中加水后,记下弹簧测力计的示数F1,然后释放木板,并用停表记下木板运动到PQ处的时间t.,考点一,考点二,考点三,木板的加速度可以用d、t表示为a=;为了减小测量加速度的偶然误差,可以

20、采用的方法是.(一种即可) 改变瓶中水的质量重复实验,确定加速度a与弹簧测力计示数F1的关系.下列图象能表示该同学实验结果的是.,用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比,它的优点是. a.可以改变滑动摩擦力的大小 b.可以更方便地获取多组实验数据 c.可以比较精确地测出摩擦力的大小 d.可以获得更大的加速度以提高实验精度,考点一,考点二,考点三,解析:(1)本实验和教材中的实验相比,器材变了,但验证平行四边形定则的原理没变,即必须记录合力和分力的大小和方向.由于没有弹簧测力计.所以通过测量橡皮筋的原长和悬挂重物后橡皮筋的长度,以记录力的大小.而记录力的方向,仍是根据“两点定直线”的原理,

21、不过具体的操作因器材的变化而稍有变化. 本实验中,重物对O点的拉力产生使AO、BO伸长的作用效果,即重物对O点的拉力是合力,拉AO、BO的力是两个分力.要完成实验,需记录合力和分力的大小和方向.因此,需测量橡皮筋的原长和悬挂重物后橡皮筋的长度,以记录力的大小;由于钉子A、B固定,所以当记录悬挂重物后结点O的位置后,力的方向就是AO、BO的方向.选项b、c、d正确. 更换重物后,合力和分力都改变,可以再次实验.,考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,2.用如下的方法可以验证“力的平行四边形定则”.在圆形水平桌面上铺一张白纸,在桌边缘安装三个光滑的定滑轮,其中,滑轮P1固定在桌边,滑轮P

22、2、P3可沿桌边移动,第一次实验,步骤如下:,a.在三根轻绳下挂上一定数量的钩码,调整滑轮的高度,使三根绳互成角度且平行纸面,结点O静止; b.在白纸上描下O点的位置和三根绳的方向,以O为起点,作出三根绳拉力的图示; c.以过P2、P3绳的两个拉力为邻边作平行四边形,作出两个力所夹的对角线并测出其长度; d.检验对角线的长度和过P1绳拉力图示的长度是否相同,方向是否在一条直线上.,考点一,考点二,考点三,(1)在第一次实验中,若P2绳挂的钩码质量为2m,P3绳挂的钩码质量为3m,则P1绳挂的钩码质量应(选填“大于”“小于”或“等于”)5m. (2)第二次实验时,改变滑轮P2、P3的位置和相应绳

23、上钩码数量,使结点再次静止,绳的结点(选填“必须”或“不必”)与第一次实验中白纸上描下的O点重合. 解析:(1)结点O静止,则P2、P3绳的拉力的合力与P1绳的拉力相等,因此P1绳挂的钩码质量小于P2、P3绳所挂钩码质量之和.(2)只要结点O静止即可. 答案:(1)小于(2)不必,考点一,考点二,考点三,3.如图甲所示,一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验.有一直径为d、质量为m的金属小球由A处静止释放,下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门,测得A、B间的距离为H(Hd),光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t,当地的重力加速度为g.则: (1)如图乙所示,用

24、游标卡尺测得小球的直径d= mm.,考点一,考点二,考点三,(2)多次改变高度H,重复上述实验,作出 随H的变化图象如图丙所示,当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式时,可判断小球下落过程中机械能守恒. (3)实验中发现动能增加量Ek总是稍小于重力势能减少量Ep.增加下落高度后,则Ep-Ek将(选填“增加”“减小”或“不变”).,考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,此类实验题一般分为两类,一类是题中设计好方案,要求考生先读懂方案和思路,领悟设计的意图,进而完成指定任务.另一类是给出器材和实验目的,要求考生根据所学物理规律,结合所给器材的功能,自行设计方案,完成

25、实验目的.,考点一,考点二,考点三,(2015全国理综,22)某物理小组的同学设计了一个粗测玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验.所用器材有:玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器(圆弧部分的半径为R=0.20 m).,考点一,考点二,考点三,完成下列填空: (1)将凹形桥模拟器静置于托盘秤上,如图(a)所示,托盘秤的示数为1.00 kg; (2)将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时,托盘秤的示数如图(b)所示,该示数为 kg; (3)将小车从凹形桥模拟器某一位置释放,小车经过最低点后滑向另一侧.此过程中托盘秤的最大示数为m;多次从同一位置释放小车,记录各次的m值如下表所示:,(4)根据以上数

26、据,可求出小车经过凹形桥最低点时对桥的压力为 N;小车通过最低点时的速度大小为 m/s.(重力加速度大小取9.80 m/s2,计算结果保留两位有效数字),考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,考点一,考点二,考点三,对点训练3 1.(2015重庆理综,6(1)同学们利用如图甲所示方法估测反应时间. 首先,甲同学捏住直尺上端,使直尺保持竖直状态,直尺零刻度线位于乙同学的两指之间.当乙看见甲放开直尺时,立即用手指捏直尺,若捏住位置的刻度读数为x,则乙同学的反应时间为(重力加速度为g).,考点一,考点二,考点三,基于上述原理,某同学用直尺制作测量反应时间的工具,若测量范围为00.4 s,则所用直尺的长度至少为 cm(g取10 m/s2);若以相等时间间隔在该直尺的另一面标记出表示反应时间的刻度线,则每个时间间隔在直尺上对应的长度是(