2023届高考物理二轮复习专题8第1讲力学实验课件

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核心归纳命题角度1　研究匀变速直线运动(包括平抛运动的竖直分运动)(1)根据一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,测出不同时刻的瞬时速度,然后绘制v-t图像,分析运动规律;(2)根据纸带用逐差法直接测量加速度或由v-t图像斜率求加速度。 充分利用数据,减小误差命题角度2　验证牛顿运动定律(1)注意需要补偿阻力;(2)使提供牵引力的小盘及盘中砝码的总质量m远小于被牵引的小车和车中砝码的总质量m车,即m≪m车。特别提醒一定理解实验原理,有些创新实验方案中不需要满足以上两条。
命题角度3　验证机械能守恒定律(1)根据纸带测出物体下落高度,进一步求物体减小的重力势能;(2)根据纸带计算出物体的瞬时速度,进一步求物体动能的增加量。命题角度4　验证动量守恒定律(1)利用纸带(气垫导轨和光电门)测出物体碰撞前后的速度,验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'或m1v1=(m1+m2)v2。(2)利用等长摆球完成一维碰撞,测出摆球速度v= ,验证的表达式:m1v1=m1v1'+m2v2'。(3)利用斜槽滚球水平射程的测量,验证的表达式:m1lOP=m1lOM+m2lON。
深化拓展　1.纸带问题的两个关键点(1)区分计时点和计数点:计时点是指打点计时器在纸带上打下的点,计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点。要注意“每五个点取一个计数点”与“每隔四个点取一个计数点”的取点方法是一样的。　　 注意:不一定“每五个点”(2)涉及打点计时器的实验均是先接通打点计时器的电源,待打点稳定后,再释放纸带。
2.纸带数据的处理方法
典例剖析例1(命题角度2)(2022山东烟台、德州高三一模)某物理实验小组利用图甲所示装置探究小车的加速度与受力的关系。甲(1)关于实验操作,下列说法正确的是　　　; A.实验时,先释放小车再接通打点计时器的电源B.调节滑轮的高度,使牵引小车的细线与长木板保持平行C.每次改变重物质量时,不需要重新调整长木板的倾斜度D.为尽可能减小实验误差,小车的质量应远大于重物的质量
(2)一次实验中获得的纸带如图乙所示,已知所用电源的频率为50 Hz,每5个点取一个计数点,A、B、C、D、E、F、G为所取计数点,由图中数据可求得加速度大小a=　　　　 m/s2;(计算结果保留两位有效数字) 乙
(3)实验小组保持小车质量不变,改变小车所受的拉力F,得到a随F变化的规律如图丙所示,由图可知,直线不过坐标原点的原因是 　 。 丙
长木板倾斜程度过大,补偿阻力过度
解析 (1)实验时,要先接通打点计时器的电源再释放小车,A错误;绳子的拉力应与运动方向一致,故应调节滑轮的高度,使牵引小车的细线与长木板保持平行,B正确;平衡后,应有μmgcs θ=mgsin θ,即μ=tan θ,故每次改变重物质量时,不需要重新调整长木板的倾斜度,C正确;为尽可能减小实验误差,实验要求小车的质量应远大于重物的质量,D正确。(2)设AD=x1,DG=x2,由图乙可得x1=3.65 cm-0.40 cm=3.25 cm,x2=8.60 cm-3.65 cm=4.95 cm,所用电源的频率为50 Hz,每5个点取一个计数点,可得AD之间的时间间隔为t=3×0.02×5 s=0.3 s,根据Δx=at2,代入数据解得a= =0.19 m/s2。(3)由题图丙可知,当F等于0时,加速度大于0,说明长木板倾斜程度过大,补偿阻力过度。
对点训练1.(命题角度1)(2022全国乙卷)用雷达探测一高速飞行器的位置。从某时刻(t=0)开始的一段时间内,该飞行器可视为沿直线运动,每隔1 s测量一次其位置,坐标为x,结果如下表所示:
回答下列问题:(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是　　　　　　　　　　　 　。 (2)当x=507 m时,该飞行器速度的大小v=　　　　 m/s。 (3)这段时间内该飞行器加速度的大小a=　　　　 m/s2(保留2位有效数字)。
相邻1 s内的位移之差接近相等
解析 (1)由题表可知,飞行器第1 s内的位移为507 m,第2 s内的位移为587 m,第3 s内的位移为665 m,第4 s内的位移为746 m,第5 s内的位移为824 m,第6 s内的位移为904 m,则相邻1 s内的位移之差接近相等,可判断飞行器在这段时间内近似做匀加速运动。(2)当x=507 m时,飞行器的速度近似等于0~2 s内的平均速度,
2.(命题角度3)(2022广东惠州二模)在验证机械能守恒定律的实验中,两实验小组同学分别采用了如图甲和乙所示的装置,用两种不同的实验方案进行实验,设重力加速度为g。
(1)在甲图中,下落物体应选择密度　　　　(选填“大”或“小”)的重物;在乙图中,两个重物的质量关系是m1　　　　(选填“>”“=”或“<”)m2。 (2)采用图乙的方案进行实验,除图中的器材外,还需要的实验器材有交流电源、刻度尺和　　　　。 (3)某次实验所打纸带如图丙所示,O为第一个点,A、B、C、D点到O点的距离已标出,打点时间间隔为0.02 s,则记录C点时,重物的速度vC=　　　　 m/s。(结果保留三位有效数字) (4)从减小实验误差的角度看,比较两种实验方案,你认为　　　　(选填“甲”或“乙”)方案更合理。 
解析 (1)为了减小实验的误差,下落物体应选择密度大的重物,乙图是验证系统机械能是否守恒,质量为m1的物体向下运动,质量为m2的物体向上运动,所以m1>m2。(2)验证系统机械能是否守恒,即验证系统动能的增加量和系统重力势能的减小量是否相等,动能的增加量为ΔEk= (m1+m2)v2,重力势能的减小量为ΔEp=(m1-m2)gh,可知需要测量两个重物的质量,所以实验器材还需要天平。(3)根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于该过程中的平均速度,可以求出打纸带上C点时小车的瞬时速度大小vC= m/s=0.780 m/s。(4)甲方案更合理,因为在乙方案中还受到细线与滑轮之间的阻力影响。
3.(命题角度4)(2022全国甲卷)利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞,碰撞时间极短,比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空:
(1)调节导轨水平。(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为　　　　 kg的滑块作为A。 (3)调节B的位置,使得A与B接触时,A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等。(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2。
(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如下表所示。
(6)表中的k2=　　　　(保留2位有效数字)。 
核心归纳命题角度1　探究弹力与弹簧伸长的关系(1)安装:按照原理装置图安装实验仪器。(2)操作:弹簧竖直悬挂,待钩码静止时测出弹簧长度。(3)作图:坐标轴标度要适中,单位要标注,连线时要通过尽可能多的数据点,不能通过的数据点均匀分布在图线的两侧,明显偏离图线的点要舍去。
深化拓展　两种非常规图像分析(1)图像发生弯曲:悬挂钩码数量过多,导致弹簧的形变量超出了其弹性限度,不再符合胡克定律(F=kx),故图像发生弯曲,如图所示。(2)截距不为零:水平放置弹簧测量其原长,由于弹簧有自重,将其悬挂起来后会有一定的伸长量,故图像横轴截距不为零,如图所示。
命题角度2　验证力的平行四边形定则(1)等效:同一次实验中两次把橡皮条拉长后的结点O位置必须保持不变。 合力、分力等效替代(2)拉力:沿弹簧测力计轴线方向拉(与板面平行),橡皮条、弹簧测力计和细绳套与纸面平行;两分力F1、F2的夹角不要太大或太小。(3)记录:记下每次各力的大小和方向,标记方向的两点尽量远些。(4)作图:选定比例要相同,严格按力的图示要求作平行四边形求合力。
典例剖析例2(命题角度2)(2022河北唐山一模)验证力的平行四边形定则的实验如图甲所示,其中A为固定橡皮筋的图钉,O为橡皮筋与细绳的结点,OB和OC为细绳。图乙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示。
(1)本实验采用的科学方法是　　　　; A.理想实验法B.等效替代法C.控制变量法(2)图乙中的F与F'两力中,方向一定沿AO方向的是　　　　; (3)关于该实验,下列说法正确的是　　　　。 A.拉橡皮筋的细绳短一些,实验效果较好B.拉橡皮筋时,弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行C.橡皮筋弹性要好,拉结点到达某一位置O时,拉力F1和F2的夹角越大越好D.在同一实验中O点位置不能变
解析 (1)本实验用一根弹簧的拉力代替两根弹簧的拉力作用效果,采用等效替代法,故选B。(2)F是通过作图的方法得到的合力的理论值,在平行四边形的对角线上,而F'是通过一个弹簧测力计沿AO方向拉橡皮筋,使橡皮筋伸长到O点的力,其方向一定沿AO方向。(3)在实验中要减小拉力方向的误差,应让标记同一细绳方向的两点尽量远些,故细绳应该长一些,A错误;该实验是在白纸中作图,作出的是水平力的图示,若拉力倾斜,则作出图的方向与实际力的方向有较大差别,故应使各力尽量与木板平面平行,B正确;两个拉力的夹角过大,合力会过小,画理论值时相对误差变大,故夹角大小适中即可,不宜太大或太小,但要保证力的作用效果即O点位置不能变,C错误,D正确。
对点训练4.(命题角度2)(2022广东深圳一模)在探究共点力的平衡条件的实验中,将三个细绳套系于一点,在水平桌面上用三支弹簧测力计互成角度地水平拉细绳套,使结点静止在纸面上O点,如图所示。
(1)测力计1的指针位置如图所示,其读数为　　　　 N,测力计2和3的读数分别为1.30 N和1.25 N。 (2)取1 cm代表1 N,请在虚线框内作出三个力的图示,并借助平行四边形定则作图,求出其中两个力的合力。 (3)改变三个弹簧测力计的弹力方向和大小,多次实验。(4)在误差允许范围内,可归纳出这三个共点力的平衡条件是:　 。 
解析 (1)弹簧测力计的最小刻度是0.1 N,因此弹簧测力计的示数为2.30 N。(2)选取1 cm长度为1 N,作出力的图示,根据平行四边形法则,可作出任意两个力的合力,以下三个图中任意一个均正确。(4)其中一个力与另两个力的合力等值反向(或“三个共点力的合力等于零”“合力等于零”“两个共点力的合力与第三个力大小相等,方向相反,在同一条直线上”“两力的合力与第三力等大反向共线”等)。
5.(命题角度1)(2022湖南卷)小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等,设计了如图甲所示的实验装置,测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下:
(1)查找资料,得知每枚硬币的质量为6.05 g。(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋,测量每次稳定后橡皮筋的长度l,记录数据如下表:
(3)根据表中数据在图乙上描点,绘制图线:
(4)取出全部硬币,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,稳定后橡皮筋长度的示数如图丙所示,此时橡皮筋的长度为　　　　 cm。 丙(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为　　　 g(计算结果保留3位有效数字)。 
解析 (4)由题图丙可知,刻度尺的分度值为1 mm,读数为15 cm+3.5 mm=153.5 mm=15.35 cm。(5)设橡皮筋的劲度系数为k,原长为x0,则n1mg=k(x1-x0)n5mg=k(x5-x0)设冰墩墩质量为m1,则有m1g=k(l-x0)联立各式代入数据解得m1=127 g。
核心归纳命题角度1　探究平抛运动的特点利用运动的分解,化曲为直,分别研究两个方向的分运动。命题角度2　探究向心力与半径、质量、角速度的关系(1)实验方法:控制变量法。(2)实验原理:Fn=mrω2。命题角度3　用单摆测量重力加速度的大小(1)先测量单摆周期和摆长。 悬点到小球球心的距离
典例剖析例3(命题角度1)(2022河北模拟预测)用如图甲所示的装置研究平抛运动。实验操作如下:a.将白纸和复写纸固定在竖直的背板上;b.将钢球从斜槽上某一位置处由静止释放,落在可上下调节的水平挡板N上;(挡板N靠近背板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢球侧面会在白纸上留下印迹)c.上下调节挡板N,重复步骤b,在白纸上记录钢球所经过的多个位置;d.　　　　,就得到钢球做平抛运动的轨迹。 
(1)请将操作d补充完整:  　。 (2)实验中必须满足的条件有　　　　。 A.斜槽轨道末端水平B.斜槽轨道光滑C.挡板高度等间距变化D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(3)通过实验,记录了钢球在运动途中的三个位置,如图乙所示,则该钢球在A点速度的大小为　　　　 m/s,钢球抛出点位置的坐标为　　　　。(g取10 m/s2) 
答案 (1)见解析(2)AD
解析 (1)以斜槽水平末端处钢球球心在白纸上的投影点为坐标原点O ,过O点画出竖直的y轴和水平的x轴;取下坐标纸,用平滑的曲线把这些印迹连接起来,就得到钢球做平抛运动的轨迹。(2)斜槽轨道不一定需要光滑,但末端一定要水平,才能保证是平抛运动,A正确,B错误;挡板只要能记录下小球下落在不同高度的不同位置即可,不需要等间距变化,C错误;为了保证小球做平抛运动的初速度相等,小球每次应从斜槽的同一位置由静止释放, D正确。
从抛出到B点的水平位移x=v0tB=0.3 m=30 cm,竖直位移y= =0.2 m=20 cm,设小球抛出点的位置坐标为(x0,y0),则x0+ x=xB,y0+ y=yB,将B点坐标值xB=30 cm,yB=30 cm代入可得x0=0,y0=10 cm,即钢球抛出点位置的坐标为(0,10 cm)。
对点训练6.(命题角度2)(2022北京模拟预测)探究向心力大小F与物体的质量m、角速度ω和轨道半径r的关系实验。(1)本实验所采用的实验探究方法与下列哪些实验是相同的　　　　; A.探究平抛运动的特点B.探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系C.探究两个互成角度的力的合成规律D.探究加速度与物体受力、物体质量的关系
(2)某同学用向心力演示器进行实验,实验情境如甲、乙、丙三图所示。①三个情境中,图　　　　(选填“甲”“乙”或“丙”)是探究向心力大小F与质量m的关系。 ②在甲情境中,若两钢球所受向心力的比值为1∶4,则实验中选取两个变速塔轮的半径之比为　　　　。 
解析 (1)在这个实验中,利用控制变量法来探究向心力的大小与物体质量、角速度和轨道半径之间的关系。探究平抛运动的特点的实验,例如两球同时落地,两球在竖直方向上的运动效果相同,应用了等效思想,A不符合题意;当一个物理量与多个物理量相关时,应采用控制变量法,探究该物理量与某一个量的关系,如保持原线圈的电压一定,探究副线圈的电压U2与匝数n1、n2的关系,B符合题意;探究两个互成角度的力的合成规律的实验,即两个分力与合力的作用效果相同,采用的是等效替代的思想,C不符合题意;探究加速度与物体受力、物体质量的关系的实验是通过控制变量法研究的,D符合题意。
(2)①根据F=mrω2可知,要探究向心力大小F与质量m的关系,需控制小球的角速度和轨道半径不变,由图可知,两侧采用皮带传动,所以两侧具有相等的线速度,根据皮带传动的特点可知,应该选择两个半径相等的塔轮,而且运动半径也应相同,选取不同质量的小球,故丙符合题意;②由题图甲可知,两个球的质量相等,轨道半径相同,根据牛顿第二定律有F=mRω2,F'=mRω'2,两个塔轮边缘的线速度相等v=v',根据v=rω,v'=r'ω',联立可得两个变速塔轮的半径之比为r∶r'=2∶1。
7.(命题角度3)(2022湖北模拟预测)(1)某同学在实验室做单摆的周期T与摆长L的关系的实验,下列措施可以提高实验精度的是　　　　。 A.选轻质、无弹性的棉线作为摆线B.单摆摆动时保持摆线在同一竖直平面内C.系好摆球后,令其自然下垂时测量摆线长D.当小球摆到最高点时按下秒表开始计时(2)若该同学先测得摆线长为l,摆球直径为d,然后用秒表记录了单摆振动50次所用的时间为t。他测得的g值偏小,可能的原因是　　　　。 A.测摆线长时摆线拉得过紧B.摆线上端未牢固地系于悬点,振动中出现松动,使摆线长度增加了C.开始计时时,秒表过早按下D.在摆动过程中,由于空气阻力造成摆角逐渐变小
(3)若实验中没有游标卡尺,无法测小球的直径d,该同学将悬点到小球最低点的距离作为摆长l,测得多组周期T和l的数据,作出l-T2图像。则实验得到的l-T2图像应是图中的　　　　(选填“a”“b”或“c”);小球的直径是　　 cm;实验测得当地重力加速度大小是　　　　 m/s2(取π2=9.86)。 
解析 (1)为了提高测量的精确度,摆线应选用伸缩不计的细线,如轻质、无弹性的棉线作为摆线,A正确;单摆应在同一个竖直面内摆动,防止出现圆锥摆,B正确;测量摆长时应在摆球自然下垂时测量,C正确;应从平衡位置(最低点)开始计时,因为在最低点,摆球的速度最大,时间测量的误差比较小,D错误。(2)根据单摆的周期公式 ,测摆线长时摆线拉得过紧,导致摆长偏大,重力加速度偏大,A错误;摆线上端悬点未固定牢,振动中出现松动,使摆线长度增加了,摆动的过程中,周期变大,测得的重力加速度偏小,B正确;开始计时时,秒表过早按下,导致周期变长,测得的重力加速度偏小,C正确;在摆动过程中,由于空气阻力造成摆角变小,但周期不变,对测量重力加速度没有影响,D错误。
知识精要对于创新型实验的处理,最根本的方法是要把实验的本质从新情境中分离出来,找出与常规实验的相同之处,然后运用熟悉的实验原理和实验数据处理方法进行处理,解决此类问题要有“以不变应万变”的策略:(1)根据题目情境,提取相应的力学模型,明确实验的理论依据和实验目的,设计实验方案。(2)进行实验,记录数据,应用原理公式或图像法处理实验数据,结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。
考向分析高考力学创新实验题常把考查内容延伸到演示实验中,甚至拓展到迁移类实验、应用性实验、设计性实验。要求学生利用所学知识,对实验仪器或实验方法重组,将教材中的学生实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到情境新颖的实验中去。从高考题的特点我们可以看出,考查原始实验的题目较少,实验题大都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,力学实验创新设计的形式有以下三种:
1.实验器材的等效与替换。常见的考查模式主要有两大类:一是不变目的,变装置;二是不变装置,变目的。2.实验原理的拓展与延伸。该类实验的特点是题目来源于教材,但又高于教材,实验的基本原理和思想方法是考查的核心,要解决此类实验问题,应从背诵实验向分析理解实验转变。3.试题情境的设计与创新。不管试题情境的设计进行了怎样的创新,其考查的实验原理和实验处理方法仍然不变。
案例探究例题(2020山东卷)2020年5月,我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量,其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度,进而间接测量海拔高度。某同学受此启发就地取材设计了如下实验,测量当地重力加速度的大小。实验步骤如下:(ⅰ)如图甲所示,选择合适高度的垫块,使木板的倾角为53°,在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的刻度尺(图中未画出)。
(ⅱ)调整手机使其摄像头正对木板表面,开启视频录像功能。将小物块从木板顶端释放,用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况。然后通过录像的回放,选择小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点,得到小物块相对于该点的运动距离l与运动时间t的数据。(ⅲ)该同学选取部分实验数据,画出了 -t图像,利用图像数据得到小物块下滑的加速度大小为5.6 m/s2。(ⅳ)再次调节垫块,改变木板的倾角,重复实验。
回答以下问题:(1)当木板的倾角为37° 时,所绘图像如图乙所示。由图像可得,小物块过测量参考点时速度的大小为　　 　　 m/s;选取图线上位于坐标纸网格交叉点上的A、B两点,利用A、B两点数据得到小物块下滑加速度的大小为　　　　 m/s2。(结果均保留两位有效数字) (2)根据上述数据,进一步分析得到当地的重力加速度大小为　　　　 m/s2。(结果保留两位有效数字,sin 37°=0.60,cs 37°=0.80) 
0.32(或0.33)
思维拓展本题这一类问题创新之处常常有下列几种情况。
角度拓展 (2021全国甲卷)为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数,一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上,形成一倾角为α的斜面(已知sin α=0.34,cs α=0.94),小铜块可在斜面上加速下滑,如图所示。该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程,然后解析视频记录的图像,获得5个连续相等的时间间隔(每个时间间隔ΔT=0.20 s)内小铜块沿斜面下滑的距离si(i=1,2,3,4,5),如下表所示。