专题11 力学实验与电学实验【讲】（原卷版）

专题11力学实验与电学实验

【要点提炼】

1.常用实验仪器的读数

(1)毫米刻度尺的读数：精确到毫米，估读一位。

(2)游标卡尺的读数

(3)螺旋测微器的读数：测量值＝固定刻度整毫米数＋0.5 mm(判断半毫米刻度线是否露出)＋可动刻度读数(含估读)×0.01 mm。

(4)电流表、电压表和欧姆表的读数

注：游标卡尺、秒表、欧姆表不需要估读。

2．速度、加速度的求解方法

3．电学实验器材的选择

(1)电流表和电压表的选择

①根据电源的参数来选择。

②根据电路中的最大电流(或者最大电压)来选择。

③根据用电器的额定电流(或者额定电压)来选择。

(2)滑动变阻器的选择

①用分压式接法时，应该选用最大阻值较小、额定电流较大的滑动变阻器。

②用限流式接法时，应该选用阻值和被测电阻接近的滑动变阻器。

4．电学实验电路的选择

(1)电流表内、外接法的选择

①若Rx>，则采用电流表内接法，此时R测＝＝Rx＋RA>Rx。

②若Rx< ，则采用电流表外接法，此时R测＝＝<Rx。

(2)滑动变阻器限流式接法和分压式接法的选择

通常滑动变阻器应选用限流式接法。但在下列三种情况中必须选用分压式接法：

①若采用限流式接法，电路中的最小电流超过用电器的额定电流，则必须选用分压式接法。

②当用电器阻值远大于滑动变阻器的最大阻值，且实验要求的电压变化范围较大或要求测量多组实验数据时，必须选用分压式接法。

③要求回路中某部分电路的电压从零开始可连续变化时必须选用分压式接法。

5．实验创新

涉及实验仪器和原理的创新、实验方案和方法的创新等。

6．用好定值电阻

【高考考向1　基础实验】

命题角度1  测量型实验

例1. （2022·北京·高考真题）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据分析等。

（1）用电压表（内阻约为）和电流表（内阻约为）测量一个电阻的阻值（约为）。要求尽量减小实验误差，应该选择的测量电路是图1中的______________（选填“甲”或“乙”）。

（2）一多用电表表盘上的电阻刻度线正中间标有“15”字样。用它测量约电阻的阻值，下列实验步骤正确的操作顺序为______________（填各实验步骤前的字母）。

A．将选择开关置于“”位置

B．将选择开关置于“”位置

C．将两表笔分别接触待测电阻两端，读出其阻值后随即断开

D．将两表笔直接接触，调节欧姆调零旋钮，使指针指向“0”

（3）图2是“测量电源的电动势和内电阻”实验的电路图。某同学在实验中，闭合开关后，发现无论怎么移动滑动变阻器的滑片，电压表有示数且不变，电流表始终没有示数。为查找故障，在其他连接不变的情况下，他将电压表连接a位置的导线端分别试触b、c、d三个位置，发现试触b、c时，电压表有示数；试触d 时，电压表没有示数。若电路中仅有一处故障，则______________（选填选项前的字母）。

A．导线断路

B．滑动变阻器断路

C．导线断路

D．滑动变阻器短路

【答案】     甲     ADCB     C

【详解】（1）[1]因为待测电阻约为，而

故为了减小误差应该采用电流表的外接法，即选用甲图；

（2）[2]测量过程中应该先选择合适档位，根据题意选择“”档位，然后进行欧姆调零，再进行测量，测量完成后要将开关置于“”档，故顺序为ADCB。

（3）[3]闭合电键后，却发现无论怎么移动滑动变阻器的滑片，电流表示数始终为零，可能是电路中出现断路，电压表的示数不变化，说明电压表串联在电路中；当试触b、c时依然是这个情况说明b、c段是正常的，试触d时，电压表没有示数说明在cd之间某处发生了断路，故选C。

测量型实验攻克策略

解决测量型实验问题的关键是明确实验仪器的使用方法，明确实验原理、实验方法，掌握实验的注意事项及处理实验数据的方法，会分析误差来源。

测量某个物理量可以用仪器直接读出，比如长度可由游标卡尺或螺旋测微器直接读取，电流或电压可以由多用电表直接测量读取。读数时要尽量精确，为此要遵循各类仪器的读数规则，特别注意有效数字的位数要按规则保留。

测量某个物理量也可以设计实验方案间接测量计算得出，例如用打点计时器测匀变速直线运动的加速度、用伏安法测电阻、测电源的电动势和内阻等。设计实验方案要遵循所符合的物理规律，原则是安全、可行、精确、方便，例如伏安法测电阻所涉及的电流表内外接的选择、滑动变阻器接法的选择等都要遵循该原则。

1-1. （2022·山西·一模）回力车，施压拖动后轮卷紧弹簧，放手后弹簧恢复，通过传动系统驱动小车前进。为探究弹簧卷紧后具有的弹性势能，某同学用图（a）所示的方式进行了实验。在长木板的左端垫上小木块，微调木板的倾斜程度以补偿阻力。拖动后轮卷紧弹簧，接通电源后释放小车，让小车沿木板开始运动，得到的纸带如图（b）所示。0~9是从某点开始选取的计数点，相邻两点间还有四个点未标出，其间距如图所示。已知打点计时器使用交流电的频率为50Hz，测得小车的质量为40.0g，完成下列填空：

（1）从图示时刻开始，在弹簧逐渐释放的过程中，小车做加速度________（填“不变”“逐渐增大”“逐渐减小”“先增大后减小”或“先减小后增大”）的加速直线运动；

（2）在打下________两个相邻计数点的过程中，弹簧恢复到初始状态；

（3）不考虑传动系统的阻力，可估算出弹簧卷紧时具有的弹性势能为________J。（保留2位有效数字）

1-2. （2022·重庆一中模拟预测）日常工作中，有时需要人们反应灵敏。对于战士、驾驶员、运动员等更是如此。从发现情况到采取行动所用的时间，叫人的反应时间。小吴和小李两个同学利用一个直尺设计了一个测量反应时间的简单方法，步骤如下：

（1）如图甲所示，小吴用两个手指轻轻捏住直尺的上端，让直尺自然下垂。小李用一只手在直尺下方做捏住直尺的准备，但手不能碰到直尺，记下这时手指的上边缘在直尺上的位置P1，P1在直尺上的刻度为L1=20.00cm。

（2）小吴在不通知小李的情况下，突然松手，直尺下落。当小李看到直尺下落时，立即用手指捏住直尺，记下这时手指的上边缘在直尺上的位置P2，在直尺上的刻度记为L2，如图乙所示，L2=___________cm。

（3）利用以上数据，可计算出小李的反应时间为___________s（已知当地重力加速度g=9.8m/s2）。

（4）写出一条能提高测量结果准确程度的建议：___________。

1-3. （2022·湖南·长沙市明德中学二模）如图1所示是可用轻杆、小球和硬纸板等制作一个简易加速度计，粗略测量运动物体的加速度。在轻杆上端装上转轴，固定于竖直纸板上的O点，轻杆下端固定一小球，杆可在竖直平面内自由转动。将此装置固定于运动物体上，当物体向右加速（减速）运动时，杆便向左（向右）摆动。为了制作加速度计的刻度盘，某同学进行了如下操作：

（1）为了测量当地的重力加速度，该同学让重锤做自由落体运动，利用打点计时器打出的纸带如图2所示，相邻两个计数点间的时间间隔为0.02s，根据该测得的重力加速度___________（保留三位有效数字）。

（2）测量出当地重力加速度后，还应测量的物理量是___________（填入所选物理量前的字母）；

A．小球的质量m                    B．轻杆的长度L

C．小球的直径d                    D．轻杆与竖直方向的夹角θ

（3）写出加速度与被测物理量之间的关系式___________（用被测物理量的字母表示）。

命题角度2  验证型实验

例2. （2022·广东·模拟预测）某同学想验证竖直面内物块做圆周运动向心力变化的规律，使用某一竖直面内的圆周轨道，轨道圆心为O，半径，分别在距离最低点A高度为0、h、2h、3h、4h、5h、6h处固定有压力传感器，其装置如图甲所示。

（1）选择比较光滑的竖直轨道，以保证小球在运动过程中机械能变化可以忽略；

（2）使一质量为m的小球从A点以速度开始沿内轨道向右运动，记录小球在各位置对轨道的压力F与高度H的对应数值，并在坐标系中描点连线得到如图乙所示的图象；

（3）若物块在初始位置对轨道压力大小为，则F与H的函数关系可表示为______（用m、g、R、H、、F表示），若已知重力加速度，则结合图乙可知小球质量______，小球经过最低点A时的初速度______m/s（可以用根式表示）。

【答案】          0.5    

【详解】（3）[1]设在任意高度H处小球的速度为，由动能定理有

可得

在右侧轨道上，设小球在H处和圆心的连线与OA的夹角为，当时，由牛顿运动定律有

在最低点有

可得

当时该式仍成立；

[2]根据图像可得，在A点，，在m处，，图像斜率

可得

[3]在最低点由

可得

1．验证型实验包括验证力的平行四边形定则、验证牛顿第二定律、验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律等，考查内容可涉及实验原理、验证方案的设计或改进、数据处理、误差分析等。验证力的平行四边形定则的数据处理是画图验证，其余实验大多通过测量验证表达式是否成立，只要在误差允许的范围内与所验证规律吻合即验证成功。

2．验证型实验攻克策略

(1)明确实验要验证什么定律，正确理解该定律的内容。

(2)根据已有的知识灵活运用实验方法

例如，在验证牛顿第二定律的实验中，加速度的大小既可以用打点计时器测，也可以用光电门传感器测；拉力可以用钩码的重力代替，也可以用力传感器测。应根据题目情景正确选择方法。

(3)要重视实验的验证条件

物理规律的成立必须满足一定条件，验证实验中必须满足这些条件才能使实验顺利进行。如在验证力的平行四边形定则的实验中，实验的条件是“力的作用效果相同”，因此，在两个分力和一个力分别作用下，同一弹性绳的同一端点必须到达同一位置才能满足实验的验证条件。在验证机械能守恒定律的实验中，“只有重力做功”是实验的验证条件，而实验中阻力的存在是不可避免的，阻力做功过大时，实验误差大，实验将失去意义，为此，实验中要求铁架台竖直、架稳，且选用质量大、体积小的重锤，使重力远远大于实验中的阻力，阻力做的功可以忽略不计，从而满足了实验的验证条件。

2.-1. （2022·湖北·恩施市第一中学模拟预测）某同学利用如图1所示的装置“验证动量定理”，具体实验步骤如下：

A．按照图1所示安装好实验装置，连接小车的细绳与长木板平行，挂上砂桶（含少量砂子）；

B．调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车沿长木板向下运动，且通过两个光电门的时间相等；

C．取下细绳和砂桶，测量砂子和桶的总质量m，并记下；

D．保持长木板的倾角不变，不挂砂桶，将小车置于靠近滑轮的位置，由静止释放小车，记录小车先后通过光电门甲和乙时显示的时间；

E．重新挂上细绳和砂桶，改变砂桶中砂子的质量，重复B、C、D步骤。

(1)若砂桶和砂子的总质量为m，小车的质量为M，重力加速度为g，则步骤D中小车加速下滑时所受合力大小为______。（忽略空气阻力）

(2)如图2所示，用游标卡尺测得小车上遮光片的宽度为______。

(3)若遮光片的宽度为d，光电门甲、乙之间的距离为l，通过光电门甲和乙时显示的时间分别为、，则：

①小车通过光电门甲时的速度为______；

②小车下滑时合外力冲量的大小______；（用题中给出的物理量及重力加速度g表示）

③验证动量定理的表达式为______。

命题角度3  探究型实验

例3. （2022·安徽·巢湖市第一中学模拟预测）某实验小组用如图所示装置探究力的合成与分解。木板上固定一张画有角度刻度线的白纸，调节木板竖直且零刻度线水平，轻质弹簧测力计a和b通过细线连接系于O点，其下端用细线挂一重物Q，使结点O静止在角度刻度线的圆心位置。分别读出弹簧测力计a和b的示数，并在白纸上记录O点的位置和细线的方向。

（1）图中弹簧测力计a的示数为______N；

（2）初始连接弹簧测力计a的细线与60°重合，连接弹簧测力计b的细线处于水平，现让弹簧测力计a、b均绕O点顺时针缓慢转动，保持结点在圆心O处、两弹簧测力计间的夹角不变，直到连接弹簧测力计a的细线方向水平为止，此过程中弹簧测力计a的示数_____、弹簧测力计b的示数________。（均选填“变大”“不变”、“变小”、“先变大后变小”或“先变小后变大”）

【答案】     5.78##5.79##5.80##5.81##5.82     变小     变大

【详解】（1）[1]弹簧测力计a的分度值为0.1N，需要估读到0.01N，所以示数为5.80N；

（2）[2][3]由题意，根据几何关系可知，弹簧测力计a、b对O点的拉力、以及重物Q对O点的拉力G组成的矢量三角形内接于圆内，如图所示

可知在弹簧测力计a、b均绕O点顺时针缓慢转动直到弹簧测力计a方向水平的过程中，弹簧测力计a的示数变小，弹簧测力计b的示数会变大。

1．探究型实验在教材和高考中占比都较高。这类题目能较好地考查学生的实验探究能力、常用物理思想方法等。经常涉及的实验有探究物体的加速度与力和质量的关系、探究弹力和弹簧伸长的关系、探究动能定理、传感器的简单使用等。

2．探究型实验攻克策略

根据实验目的，运用物理知识、实验方法和技能，完成实验的各个环节(实验目的、对象、原理、仪器选择、实验步骤、数据处理等)，拟定实验方案，分析实验现象，并在此基础上作出适当评价。

3. （2022·四川·盐亭中学模拟预测）在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，将橡皮条的一端固定在竖直放置的木板上，另一端系上两根细绳、，为两细绳与橡皮条的结点，细绳跨过点处钉在木板上的光滑的钉子，下端挂重力已知的钩码，细绳用一个弹簧测力计钩住，如图所示，可以通过改变钩码的个数和弹簧测力计的拉力调整橡皮条与两细绳的结点的位置。

（1）关于实验中必须注意的以下几项，其中正确的是__________。

A．只用弹簧测力计通过细绳拉橡皮条时结点达到的位置，应与钩码、弹簧测力计同时拉时相同

B．在拉动弹簧时弹簧不可与外壳相碰或摩擦

C．两个分力、间的夹角不宜过大，也不宜过小，两个分力、的大小越大越好

D．拉橡皮条的细绳要适当长些，视线通过细绳垂直于纸面，在绳下的纸上用笔画出两个点的位置并使这两个点的距离尽量远些

（2）图中与橡皮条延长线的夹角为，细绳与橡皮条延长线的夹角为，，下列操作正确的是(        )

A．减少钩码个数后，为使结点位置不变，应减小，同时增大弹簧测力计的拉力

B．减少钩码个数后，为使结点位置不变，应增大，同时增大弹簧测力计的拉力

C．保持钩码个数不变，将钉子向右移动一些，为使结点位置不变，应增大，同时增大弹簧测力计的拉力

D．保持钩码个数不变，将钉子向右移动一些，为使结点位置不变，应减小，同时减小弹簧测力计的拉力

（3）在该实验中，如果将与细绳也换成橡皮条，那么对实验结果___________影响。（选填“有”或“没有”）

【高考考向2　创新设计与拓展型实验】

命题角度1  实验创新设计

例4. （2022·福建·上杭一中模拟预测）某小组同学用如图1所示的DIS二维运动实验系统研究单摆在运动过程中机械能的转化和守恒（忽略空气阻力）。实验时，使发射器（相当于摆球）偏离平衡位置后由静止释放，使其在竖直平面内摆动。系统每隔0.02s记录一次发射器的位置，多次往复运动后，在计算机屏幕上得到的发射器在竖直平面内的运动轨迹如图2所示。（当地的重力加速度g=9.8m/s2）

（1）在运动轨迹上选取适当区域后。点击“计算数据”，系统即可计算出摆球在所选区域内各点的重力势能、动能及总机械能，并绘出对应的图线，如图3所示。由图3可知，此单摆的周期为___________s。是否可以根据单摆的周期公式计算此摆的摆长大小，如若能，请计算摆长大小：若不能请说明理由。___________。

（2）图3中的C点对应在图2中圆弧轨迹AB上的某一点，该点在(       )

A．圆弧AB中点的左侧        B．圆弧AB中点的右侧

C．圆弧AB的中点            D．信息不够，不能确定

【答案】     1.12     见解析

     A

【详解】（1）[1]由图3可得，经2.8s时间，摆球重力势能从零增大到最大，动能从最大减小为零，可知

[2]由可知，可以计算其摆长，代入数据得摆长为

（2）[3]由图可知，图3中的C点动能和势能相等，根据

即

根据几何知识可知，该点在圆弧AB中点的左侧。

故选A。

实验创新涉及实验仪器和原理的创新、实验方案和方法的创新，以考查考生的创新能力。

此类实验题要用“已有的知识”“学过的实验方法”“已会用的仪器”，通过知识迁移和能力迁移，进行解答。

求解创新设计类实验的基本思路

4.（2022·辽宁·高考真题）某同学利用如图所示的装置测量重力加速度，其中光栅板上交替排列着等宽度的遮光带和透光带（宽度用d表示）。实验时将光栅板置于光电传感器上方某高度，令其自由下落穿过光电传感器。光电传感器所连接的计算机可连续记录遮光带、透光带通过光电传感器的时间间隔。

（1）除图中所用的实验器材外，该实验还需要___________（填“天平”或“刻度尺”）；

（2）该同学测得遮光带（透光带）的宽度为，记录时间间隔的数据如表所示，

根据上述实验数据，可得编号为3的遮光带通过光电传感器的平均速度大小为___________（结果保留两位有效数字）；

（3）某相邻遮光带和透光带先后通过光电传感器的时间间隔为，则重力加速度___________（用d、表示）；

（4）该同学发现所得实验结果小于当地的重力加速度，请写出一条可能的原因：___________ 。

命题角度2  实验的拓展与迁移

例5. （2022·全国·三模）某同学用如图甲所示的装置来测量一根细线能承受的最大拉力。把细线的两端固定在滑块上，滑块可在带有刻度尺的轨道上滑动，线两端的固定点的位置可以由滑块上的标志线所对应的刻度读出。

（1）把轨道调水平，固定左端滑块，移动右滑块，细线拉直时，左端滑块位置读数为30.00cm，右端滑块位置读数为80.00cm，算出细线两端之间的距离。

（2）把右端滑块移动到图甲所示位置处，在细线中点挂上质量为m=200g的钩码3个。

（3）缓慢移动右端滑块，直到细线被拉断，固定右端滑块，如图乙所示，则右端滑块位置读数为___________cm，算出左右两滑块之间的距离L。

（4）重力加速度为g，则计算细线能承受的最大拉力的表达式为___________。

（5）如果重力加速度g取9.8m/s2，则被测细线能承受的最大拉力为___________N。

【答案】     70.00          4.9

【详解】（3）[1]由图乙可知，右侧滑块正对刻度尺刻度70位置，由于刻度尺最小刻度为1cm，根据刻度尺读数估读要求，右端滑块位置读数为70.00cm；

（4）[2]设拉断时细线与竖直方向上的夹角为，拉线示意图如下，根据几何关系可得

对钩码进行受力分析，在竖直方向上

解得

（5）[3]重力加速度g取9.8m/s2，代入数据可得

实验的拓展与迁移，是指利用已学物理知识和规律，提出新的实验目的，如验证动量定理、测量动摩擦因数、电表的改装与校准、测量弹簧的弹性势能等。对于这种实验情景，利用已学知识并围绕实验目的解题，能达到理想的效果。并且应在充分理解和掌握基本实验的基础上多做一些创新实验题，拓宽眼界和思维。

测定动摩擦因数的实验一般结合在“研究匀变速直线运动”“验证牛顿第二定律”或“探究动能定理”等实验中考查。实验的原理是：利用打点计时器等器材测出物体做匀变速直线运动的加速度，再利用牛顿第二定律计算动摩擦因数，或者利用平衡条件、动能定理或能量守恒定律等计算动摩擦因数，如下表所示：

5-1. （2022·山东滨州·二模）某研究性学习小组设计实验粗测小球在水平瓷砖上滚动时所受的阻力与重力的比值。给小球一个初速度，用手机给运动小球录像。为了比较准确的测量时间，播放时选择倍速“0.25”，表示播放时间是实际时间的四倍。图甲是小球经某一瓷砖边缘第一次播放暂停时的时间显示，其中“00：11”是时间扩大为4倍后，录像播放了11s，“01：07”是时间扩大为4倍后总的播放时间。从图甲小球暂停位置到小球停止，小球共垂直瓷砖边缘沿直线运动了12块整瓷砖和第13块瓷砖部分长度，图乙是小球刚停下时的播放时间，图丙是小球停下时的位置，刻度尺0刻度与第12、13块瓷砖边缘对齐。每块瓷砖长度为60cm，图丁是图丙部分放大，小球的运动可视做匀变速直线运动。

根据以上信息

（1）第一次暂停时刻对应的小球实际速度为________m/s（结果保留两位有效数字）；

（2）小球在水平瓷砖上滚动时所受的阻力与重力的比值为_________（用重力加速度g，小球滚动的距离L，小球滚动的时间t三个字母表示）；

（3）下列说法正确的是_________

A．小球直径越大，测量位移时读数误差越小

B．视频第一次暂停时刻不是小球刚开始运动的时刻，造成了实验测量比值偏小

C．多录几次视频，选择小球接近做直线运动的进行测量

D．为了减小实验误差，应多测几次，求平均值

5-2. （2022·全国·三模）某同学打算在家中利用能找到的器材来研究动量定理，实验设计如图1，将小球固定在刻度尺的旁边由静止释放，用手机连拍功能拍摄小球自由下落的过程，图2为利用图片得到各时刻小球的位置与小球第一位置的距离分别为h1、h2、h3、h4，手机连拍频率为f，查阅得知当地重力加速度为g，小球质量为m。

（1）小球在位置2时的瞬时速度为___________（用题中所给物理量符号表示）；

（2）关于实验装置和操作，以下说法正确的是______________；

A．刻度尺应固定在竖直平面内         B．选择材质密度小的小球

C．选择材质密度大的小球             D．铅垂线的作用是检验小球是否沿竖直方向下落

（3）取小球在位置2~4的过程研究，则验证动量定理的表达式为______________________（用题中所给物理量符号表示）；

（4）若实验过程中发现小球所受重力的冲量大于动量的增加量，造成此问题的原因可能是_______________________________。