新教材高考物理二轮复习专题8物理实验第1讲力学实验课件

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【知识回顾•构建网络】
【感悟高考•真题再练】
1.(2021广东卷)某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数。缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数ln,数据如表所示。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。
(3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80 m/s2,该弹簧的劲度系数为　　　　 N/m。(结果保留三位有效数字) 
答案 (1)6.04　6.05 (2)3 (3)48.6
2.(2022山东卷)在天宫课堂中,我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发,某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验,如图甲所示。主要步骤如下:①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上,加速度传感器固定在滑块上。②接通气源,放上滑块,调平气垫导轨。
③将弹簧左端连接力传感器,右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00 cm,拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时。④计算机采集获取数据,得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像,部分图像如图乙所示。
回答以下问题(结果均保留两位有效数字):(1)弹簧的劲度系数为　　 N/m。 (2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据,画出a-F图像如图丙中 Ⅰ 所示,由此可得滑块与加速度传感器的总质量为　　　　 kg。 (3)该同学在滑块上增加待测物体,重复上述实验步骤,在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ,待测物体的质量为　　　　 kg。 
答案 (1)12　(2)0.20　(3)0.13
【方法规律归纳】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1] (命题点2)某实验小组正在进行探究物体的加速度和所受的合力、质量的关系实验。
(1)实验装置如图甲所示,图中带滑轮的长木板放置于水平桌面上,拉力传感器可直接显示细线所受拉力的大小。实验时,下列操作必要且正确的是　　　　。 A.将长木板右端适当垫高,使小车前端的滑轮不加细线时,小车能匀速滑动B.为了减小误差,实验中要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量C.实验时,拉小车前端滑轮的细线必须保持水平D.实验时,使小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录拉力传感器的示数
(2)在正确、规范的操作下,打出一条如图乙所示的纸带,每相邻两个计数点之间还有四个计时点没有画出来,纸带上的数字为相邻两个计数点间的距离,打点计时器电源的频率为50 Hz。则小车做匀加速直线运动的加速度大小a=　　　　 m/s2。(结果保留三位有效数字) 
(3)带滑轮的长木板水平放置,保持小车质量不变,改变砂桶里砂的质量,测出每次拉力传感器的示数F和小车对应的加速度a,作a-F图像。下列图线正确的是　　　　。 
答案 (1)AD (2)2.50 (3)B解析 (1)平衡小车受到的阻力后,拉力传感器读数的两倍即为小车所受到的合力,A正确。因为可以用拉力传感器测量拉力,所以不需要用砂和砂桶的重力代替拉力,所以不需要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量,B错误。细线保持与木板平行,这样才能保持小车所受到的合力不变,C错误。实验时,使小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录拉力传感器的示数,D正确。
方法点拨该题属于原理和器材创新类问题,弄清力的测量方法是正确解答的关键。
【对点训练】1. (命题点1)某同学利用如图甲所示的装置研究小车的匀变速直线运动。(1)实验中必要的措施是　　　　。 A.细线必须与长木板平行B.先接通电源再释放小车C.小车的质量远大于钩码的质量D.平衡小车受到的阻力
(2)实验时将打点计时器接到频率为50 Hz的交流电源上,得到一条纸带,纸带上的部分计数点如图乙所示(相邻2个计数点间还有4个计时点,图中未画出)。s1=3.59 cm,s2=4.41 cm,s3=5.19 cm,s4=5.97 cm,s5=6.78 cm,s6=7.64 cm。则小车的加速度a=　　　　 m/s2,打点计时器在打B点时小车的速度vB=　　　　 m/s。(结果均保留两位有效数字) 
答案 (1)AB(2)0.80　0.40解析 (1)为了让小车做匀加速直线运动,应使小车受力恒定,故应将细线与长木板保持平行,同时为了打点稳定,应先接通电源再释放小车,故A、B正确。本实验只研究匀变速直线运动,故不需要让小车的质量远大于钩码的质量,只要能让小车做匀加速直线运动即可,故C错误。由C的分析可知,只要摩擦力恒定即可,不需要平衡小车受到的阻力,故D错误。
(2)两计数点间的时间间隔为T=5×0.02 s=0.10 s;根据逐差法可知,物体的加速度
方法点拨注意逐差法的应用。
2.(命题点2)在探究质量一定时,加速度与物体所受合力的关系的实验中,实验装置如图甲所示,两滑轮间的轻绳始终与长木板平行,打点计时器所接的交流电源的频率为50 Hz。
(1)对该实验,下列操作必要且正确的是　　　　。 A.取下砂桶,抬起长木板右端到合适的高度,使小车沿长木板做匀速直线运动B.测量砂桶和砂的质量C.实验时需要先释放小车,再接通电源(2)实验中得到一条纸带如图乙所示,0、1、2、3、4为五个相邻的计数点,相邻的两个计数点之间还有四个计时点未画出。根据纸带数据,可求出小车的加速度大小a=　　　　 m/s2。(结果保留两位有效数字) 
(3)该实验中,砂和砂桶的总质量　　　　(选填“需要”或“不需要”)远小于小车的质量。 (4)以力传感器的示数F为横坐标,通过纸带计算出的加速度a为纵坐标,画出a-F图像如图丙所示,则小车的质量m=　　　　 kg。(结果保留两位有效数字) 
答案 (1)A　(2)0.80　(3)不需要　(4)0.33解析 (1)此实验需要平衡小车受到的阻力,故A正确。由力传感器可以测出拉力的大小,不需要测量砂桶和砂的质量,故B错误。实验时需要先接通电源,再释放小车,故C错误。
(3)由于拉力可以通过力传感器直接测出,所以砂和砂桶的总质量不需要远小于小车的质量。(4)对小车,根据牛顿第二定律可得2F=ma,结合题图丙可得
易错提醒弄清实验条件是防止出错的关键——明确要不要满足砂和砂桶的总质量远小于小车的质量。
3. (命题点3)利用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置如图甲所示。(1)除图示器材外,下列器材中,必需的一组是　　　　。 A.直流电源及导线、天平及砝码B.直流电源及导线、刻度尺C.交流电源及导线、天平及砝码D.交流电源及导线、刻度尺
(2)图乙中的纸带是实验过程中打点计时器打出的一条纸带。打点计时器打下O点(图中未标出)时,重锤开始下落,a、b、c是打点计时器连续打下的3个点。刻度尺的零刻度线与O点对齐,a、b、c三个点所对刻度如图乙所示。打点计时器在打出b点时重锤下落的高度hb=　　　　 cm,下落的速度为vb=　　　　 m/s(计算结果保留三位有效数字)。 
(3)某同学用上述方法测出各点到O点的距离h,算出对应的速度的二次方v2,并作出v2-h图像,设当地重力加速度为g。下列说法正确的是　　　　。 A.v2-h图像一定过原点B.若v2-h图像是一条过原点的直线,则机械能一定守恒C.若v2-h图像是一条过原点的直线,则斜率等于gD.若v2-h图像是一条过原点的直线,则斜率略小于2g
答案 (1)D (2)19.30　1.95(1.94~1.96均可) (3)AD解析 (1)打点计时器需要的电源是交流电源;验证机械能守恒定律的实验可以不用测量重物的质量,可以不要天平;测量长度要用到刻度尺。故选D。(2)由题图乙可知,打点计时器在打出b点时重锤下落的高度hb为19.30 cm。用a、c两点间的平均速度代表b点的瞬时速度,
(3)若机械能守恒则有mgh= mv2,整理后有v2=2gh,v2-h的图像是一条过原点且斜率为2g的直线。但由于有空气阻力以及纸带和限位孔之间有摩擦等,导致实验有误差,则该直线过原点,但斜率略小于2g,故选A、D。
[典例2](命题点1)一个实验小组在进行探究弹力和弹簧伸长量的关系的实验。
(1)甲同学在做该实验时,通过处理数据得到了如图甲所示的F-x图像,其中F为弹簧弹力,x为弹簧长度。该弹簧的原长x0=　　　　 cm,弹簧的劲度系数k=　　　　 N/m。将该弹簧制成一把弹簧测力计,当弹簧测力计的示数如图乙所示时,该弹簧的长度x=　　　　 cm。 
(2)乙同学使用两条不同的轻质弹簧a和b,得到弹力与弹簧长度的关系图像如图丙所示。下列表述正确的是　　　　。 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.弹簧的弹力与弹簧的长度成正比
答案 (1)8　25　20 (2)B解析 (1)当弹力为零时,弹簧处于原长状态,故原长为x0=8 cm,在F-x图像中斜率代表弹簧的劲度系数,则 =25 N/m,在题图乙中弹簧测力计的示数F=3.0 N,由题图甲可知此时弹簧的长度x=20 cm。(2)在题图丙中,当弹簧的弹力为零时,弹簧处于原长,故b的原长大于a的原长,故A错误;斜率代表劲度系数,故a的劲度系数大于b的劲度系数,故B正确,C错误;弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比,故D错误。
素养点拨 该题属于基础实验题,这类问题要求对实验原理和数据的处理方法熟练掌握,弄清图像的意义。
【对点训练】4. (命题点2)某研究小组做验证力的平行四边形定则实验时,将白纸固定在水平放置的木板上,橡皮条的A端用图钉固定在木板上,B端系上两根带有绳套的细绳。
(1)如图甲所示,用两个弹簧测力计通过细绳沿平行木板的不同方向同时拉橡皮条,将橡皮条的B端拉至某点O。记下O点位置和两细绳的方向,并读出两个拉力的大小分别为F1=　　　　 N和F2=2.00 N。 
(2)如图乙所示,撤去(1)中的拉力,现只用一个弹簧测力计通过细绳沿平行木板的方向拉橡皮条,并再次将B端拉至O点,再次将B端拉至O点的目的是　　　　　;记下细绳的方向,并读出拉力的大小为F=2.20 N。 (3)如图丙所示,某同学以O点为作用点,用图示标度画出了力F的图示,请你画出力F1、F2的图示并按平行四边形定则画出它们的合力F合。(4)比较F合与F的关系,即可验证力的平行四边形定则。
答案 (1)1.80(2)使该拉力单独作用的效果与F1、F2一起作用的效果相同(3)如图所示
[典例3] (命题点1)某实验小组利用图甲装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放后固定在竖直木板上,在桌面上固定一个斜面,斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。改变木板和桌边之间的距离,让钢球从斜面顶端同一位置滚下,通过碰撞复写纸,在白纸上记录钢球的落点。
(1)为了正确完成实验,以下做法必要的是　　　　。 A.实验时应保持桌面水平B.每次应使钢球从静止开始释放C.使斜面的底边ab与桌边重合D.选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面(2)实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2 m,在白纸上记录了钢球的4个落点,相邻两点之间的距离依次为15.0 cm、25.0 cm、35.0 cm,如图乙所示。钢球平抛的初速度为　　　 m/s。(g取10 m/s2) (3)图甲装置中,木板上悬挂一条铅垂线,其作用是　　　　　　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)AB　(2)2　(3)方便将木板调整到竖直平面解析 (1)为保证钢球离开桌面后做平抛运动,桌面必须保持水平,且钢球离开斜面后必须在水平桌面上先运动一段距离,选项A正确,C错误。为保证钢球每次离开桌面后做同一轨迹的平抛运动,必须保证每次实验中钢球离开桌面的速度相同,故每次实验钢球必须从斜面顶端同一位置由静止释放,这种情况下斜面对钢球的摩擦力的影响每次都是相同的,没有必要选择对钢球摩擦力小的斜面,选项B正确,D错误。
(2)钢球离开桌面后在水平方向做匀速直线运动,木板每次远离桌子的距离Δx相同,故钢球打到木板前每次平抛运动的时间增量相同,即白纸上相邻点迹对应的时间间隔T相等,又因为钢球竖直方向做自由落体运动,故Δy=gT2,设钢球平抛的初速度为v0,则Δx=v0T,联立解得v0=2 m/s。(3)为保证白纸上点迹间隔为竖直方向上的位移,木板必须沿竖直方向放置,铅垂线的作用就是方便将木板调整到竖直方向。
方法点拨巧妙获得平抛运动竖直分运动的运动情况,利用纸带处理方法求解。
【对点训练】5. (命题点3)在用单摆测量重力加速度的实验中:(1)为了减小测量误差,下列做法正确的是　 。 A.摆的振幅越大越好B.摆球质量大些、体积小些C.摆线尽量细些、伸缩性小些D.计时的起、止位置选在摆球达到的最高点处
(2)改变摆长,多次测量,得到周期的二次方与摆长的关系图像如图所示,所得结果与当地重力加速度值相符,但发现其延长线没有过原点,其原因可能是　　　　　。 A.测周期时多数了一个周期B.测周期时少数了一个周期C.测摆长时直接将摆线的长度作为摆长D.测摆长时将摆线的长度加上摆球的直径作为摆长
答案 (1)BC(2)C解析 (1)测量误差主要有两个:一是空气阻力的影响;二是摆长测量不准。从这两方面看,应选B、C。
6.(命题点2)在探究小球做圆周运动所需向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系的实验中:
(1)在探究向心力的大小F与角速度ω的关系时,要保持　　　　相同。 A.ω和r B.ω和m C.m和rD.m和F(2)本实验采用的实验方法是　　　　。 A.累积法 B.控制变量法 C.微元法 D.放大法
(3)通过本实验可以得到的正确结果是　　　　。 A.在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与角速度成正比B.在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与线速度的大小成正比C.在质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与半径成反比D.在半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与质量成正比
答案 (1)C(2)B(3)D解析 (1)在探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时,需先控制某些量不变,探究另外两个物理量的关系,所以在探究向心力的大小F与角速度ω的关系时,要保持小球的质量与运动的半径相同,故C正确。(2)在实验时需先控制某些量不变,研究另外两个物理量的关系,该方法为控制变量法,故B正确。
(3)根据向心力的公式F=mω2r,在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与角速度大小的二次方成正比,故A错误。根据向心力的公式 ,在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与线速度的大小的二次方成正比,故B错误。根据向心力的公式F=mω2r,在质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与半径成正比,故C错误。根据向心力的公式F=mω2r,在半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与质量成正比,故D正确。
力学创新类实验归纳分析
【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。从上面三个考点我们可以看出,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:一是不变实验目的,变实验装置;二是不变实验装置,变实验目的。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。
【解法分析】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。
【典例分析】[典例] 2020年5月,我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量。测量高度的其中方法之一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) 
答案 (1)0.32(或0.33)　3.1(2)9.4(2)设小物块与木板之间的动摩擦因数为μ,由牛顿第二定律可得,木板倾角为53°时,有mgsin 53°-μmgcs 53°=ma',木板倾角为37°时,有mgsin 37°-μmgcs 37°=ma,由题意可知a'=5.6 m/s2,联立解得g=9.4 m/s2。
思维拓展本题这一类问题创新之处常常有下列几种情况。
【类题演练】1.(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。
由表中数据可得,小铜块沿斜面下滑的加速度大小为　　　　 m/s2,小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为　　　　。(结果均保留两位有效数字,g取9.80 m/s2) 
答案 0.43　0.32
2.某研究小组利用如图甲所示的装置测定重力加速度。实验器材由带有刻度尺的竖直杆、小球释放器、小球、光电门A和B及数字计时器和网兜组成。实验时,按图装配好实验器材,小球、两个光电门和网兜在同一竖直线上。利用刻度尺读出两个光电门的距离h,打开计时器后释放小球,记录下计时器显示的小球从光电门A到光电门B所用时间t;保持光电门A的位置不变,改变光电门B的位置,重复实验,读出多组两个光电门间的距离h和小球经过两个光电门所用时间t,在坐标纸上作出 -t图线,如图乙所示。
(1)为了提高实验精度,下列说法正确的是　　　　。 A.两光电门间的距离适当大一些B.小球的直径越小,实验精度越高C.应该选用密度较大的小球(2)图乙中,图线与纵轴交点坐标为b,若图线斜率为k,则当地的重力加速度为　　　　,小球释放点与光电门A的高度差为　　　　。(用题目给出的已知量表示) 
解析 (1)两光电门间的距离适当大一些,可以减小距离及时间测量的误差,还可以减小小球大小对实验误差的影响,A正确;小球的直径小而质量大,精度才高,B错误;选用密度较大的小球,可以减小空气阻力的影响,C正确。
3.某同学利用如图所示的装置做验证碰撞中的动量守恒实验,具体操作如下。
A.把带有斜槽的长木板调整水平后固定,用天平测量出甲、乙两小车的质量,记为m1、m2;B.将小车甲从斜槽上的某点P由静止释放,最终小车甲停在长木板上的M点,在长木板靠近斜槽的区域选一点O,用刻度尺测量出OM的长度为l0;C.把小车乙静止放在O点,将小车甲再次从P点由静止释放,两车在O点相碰后,分别停在长木板上的N、S位置,测量出ON的长度为l1,OS的长度为l2;D.改变P点的位置,重复步骤B、C,多次实验。
(1)本实验需要两小车与长木板间的动摩擦因数μ甲　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)μ乙。 (2)满足上述实验条件后,要验证碰撞中的动量守恒,只要验证等式　　　　　　　　　　　　成立即可。(用测量的物理量写出关系式) (3)某同学根据获得的实验数据总结得到关系式m1l0>m1l1+m2l2,你认为两车的碰撞属于　　　碰撞。 
解析 (1)因为实验只测量了小车在长木板上移动的距离,所以只有两小车在长木板上的加速度一样,两车的初速度之比才可以直接用位移表示,故两小车与长木板间的动摩擦因数相同。