2023届高考物理二轮复习专题六第1讲力学实验学案

这是一份2023届高考物理二轮复习专题六第1讲力学实验学案，共12页。


1. 掌握基本仪器的使用和读数．
2. 理解基本实验方法与数据处理．
3. 能解释力学实验的设计．
(2020·江苏卷)疫情期间“停课不停学”，小明同学在家自主开展实验探究．用手机拍摄物体自由下落的视频，得到分帧图片，利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度，实验装置如图所示．
(1) 家中有乒乓球、小塑料球和小钢球，其中最适合用作实验中下落物体的是__小钢球__．
(2) 下列主要操作步骤的正确顺序是__①③④②__．(填写各步骤前的序号)
①把刻度尺竖直固定在墙上
②捏住小球，从刻度尺旁静止释放
③手机固定在三角架上，调整好手机镜头的位置
④打开手机摄像功能，开始摄像
(3) 停止摄像，从视频中截取三帧图片，图片中的小球和刻度如图所示．已知所截取的图片相邻两帧之间的时间间隔为 eq \f(1,6) s，刻度尺的分度值是1 mm，由此测得重力加速度为__9.6(9.5～9.7均可)__m/s2.

(4) 在某次实验中，小明释放小球时手稍有晃动，视频显示小球下落时偏离了竖直方向．从该视频中截取图片，__仍能__(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度．
【解析】 (1) 小钢球受到的空气阻力相对最小，可近似认为做自由落体运动．
(2) 安装好器材后，先打开手机摄像功能，再由静止释放小球．这类似于使用打点计时器时先接通电源，再释放纸带，故顺序是①③④②.
(3)由题图读得x1＝2.50 cm，x2＝26.50 cm，x3＝77.20 cm，由(x3－x2)－(x2－x1)＝gT2，T＝ eq \f(1,6) s，解得g≈9.6 m/s2.
(4) 释放时手抖动，导致小球的运动偏离了竖直方向，但在小球下落过程中，小球竖直分运动仍然是加速度为重力加速度g的运动，故仍能用(3)问的方法测出重力加速度．
1. 关于基本仪器的使用
(1) 游标卡尺：测外径或厚度在卡脚下方测量，不能将小测量物靠近主尺放置；要认准游标“0”刻度在哪，读数时应轻轻“锁定”游标．
(2) 螺旋测微器：测量长度较小的物体；要注意0.5 mm刻度线在上方还是下方；听到“咯、咯”声之后要换用微调；读数时应轻轻“锁定”可动部分．
(3) 弹簧测力计：使用前应校零，选择弹簧测力计时，要选力的方向通过弹簧轴线的，必要时要选对拉时读数相同的弹簧测力计．
(4) 打点计时器：电火花计时器使用的是220 V交流电源；电磁打点计时器使用的是8 V低压交流电源．
2. 关于基本仪器的读数
(1) 注意使用的刻度尺或弹簧测力计的最小分度值．应估读到其最小分度的 eq \f(1,10)，读数或测量值为：准确值(单位)＋估读值(单位)，统一单位后得最后结果．
(2) 注意游标卡尺的精度是多少(即游标部分格数的倒数)，测量时还要注意看准是第几(用n表示)条游标刻度线与主尺上的某条刻度线对齐，读数或测量值为：主尺部分(单位)＋n×精度(单位)，三种游标卡尺的精度分别为0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm.统一单位后得最后结果．注意游标卡尺测长度不需要估读．
(3) 螺旋测微器的读数：测量值＝固定刻度整毫米数＋半毫米数＋可动刻度读数(含估读)×0.01 mm.
a
eq \x(例) eq \x(1)(2022·淮安调研)某同学用图a装置探究两根相同弹簧甲、乙串联后总的劲度系数与弹簧甲劲度系数的关系．他先测出不挂钩码时弹簧甲的长度和两弹簧的总长度，再将钩码逐个挂在弹簧的下端，记录数据填在下面的表格中．
(1)关于本实验操作，下列说法正确的是__C__．
A. 悬挂钩码后立即读数
B. 钩码的数量可以任意增减
C. 安装刻度尺时，必须使刻度尺保持竖直状态
(2)已作出钩码重力F与弹簧总长度L2的关系图像，如图b中实线所示，由图像可知两根弹簧串联后总的劲度系数k为__1.00__N/cm.
eq \(\s\up12(),\s\d4(b))
(3) 在图b的坐标纸上描点作出钩码重力F与弹簧甲的长度L1的关系图像．
【答案】
(4) 根据FL1图像可求出一根弹簧的劲度系数k′，k和k′的定量关系为__k′＝2k__．
(5) 本实验中，弹簧的自重对所测得的劲度系数__无__(选填“有”或“无”)影响．
【解析】 (1) 悬挂钩码后应等示数稳定后再读数，A错误；因为所挂钩码重力不能超过弹性限度，即钩码的数量不可以任意增减，B错误；安装刻度尺时，必须使刻度尺保持竖直状态，C正确．
(2) 因为FL图像的斜率为劲度系数，故k＝ eq \f(ΔF,ΔL)＝1.00 N/cm.
(3) 图像如图所示．
(4) 根据FL1图像可求出一根弹簧的劲度系数为k′＝2.00 N/cm，故k和k′的定量关系为k′＝2k.
(5) 本实验中，用图像斜率求得弹簧劲度系数，故弹簧的自重对所测得的劲度系数无影响．
1. 力学实验的基本方法
力学实验的基本方法就是测量力、位移、时间等的方法．测力可以用弹簧测力计，也可以用天平测出质量求得力，还可以根据牛顿运动定律或动能定理等测出相关物理量来求得力．测位移主要用到打点计时器、频闪照相、位移传感器结合示波器或给定图像和用测长度的仪器测量，也可以根据牛顿运动定律或动能定理等求得相关物理量来求得位移．测时间主要用到打点计时器、秒表、光电门等仪器，也可根据题目中已知装置、图像结合相关规律求得时间．
2. 数据处理方法
(1) 作图法：作图必须规范，要有两个箭头、两个物理量及单位，标度必须标注完整，要使图线分布在坐标纸的较大区域内，要根据两个坐标轴物理量间的关系考虑是拟合直线还是平滑的曲线，还要考虑截距的物理意义．
(2) 数学方法
①“平均速度法”求速度：vn＝ eq \f(xn＋xn＋1,2T).
②“逐差法”求加速度：设相邻相同时间T内物体的位移分别为x1、x2…x6，
加速度a＝ eq \f(（x4＋x5＋x6）－（x1＋x2＋x3）,9T2).
3. 有效数字的位数：从左侧第一个不为零的数字起到最末一位数字止，共有几个数字，就是几位有效数字．
4. 误差
(1) 由于仪器不精确、方法粗略、原理不完善等产生的是系统误差，特点是测量值总偏大或偏小．
(2) 由于各偶然因素对实验者、测量仪器、被测量物的影响而产生的误差是偶然误差，特点是有时偏大有时偏小，可用多次测量求平均值减小偶然误差．
eq \x(例) eq \x(2)(2021·江苏卷)小明利用如图1所示的实验装置验证动量定理．将遮光条安装在滑块上，用天平测出遮光条和滑块的总质量M＝200.0 g，槽码和挂钩的总质量m＝50.0 g．实验时，将滑块系在绕过定滑轮悬挂有槽码的细线上．滑块由静止释放，数字计时器记录下遮光条通过光电门1和2的遮光时间Δt1 和Δt2，以及这两次开始遮光的时间间隔Δt，用游标卡尺测出遮光条宽度，计算出滑块经过两光电门速度的变化量Δv.
eq \(\s\up12(),\s\d4(图1))
(1) 游标卡尺测量遮光条宽度如图2所示，其宽度d＝__10.20__mm.
(2) 打开气泵，待气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导轨上的滑块能在短时间内保持静止，其目的是__将气垫导轨调至水平__．
(3) 多次改变光电门2的位置进行测量，得到Δt 和Δv 的数据如下表，请根据表中数据在方格纸上作出ΔvΔt 图线．
【答案】
(4) 查得当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，根据动量定理，ΔvΔt 图线斜率的理论值为__1.96__m/s2.
(5) 实验结果发现，图线斜率的实验值总小于理论值，产生这一误差的两个可能原因有__BD__．
A. 选用的槽码质量偏小
B. 细线与气垫导轨不完全平行
C. 每次释放滑块的位置不同
D. 实验中Δt 的测量值偏大
【解析】 (1) 游标卡尺的读数为10 mm＋4×0.05 mm＝10.20 mm.
(2) 滑块保持稳定，说明气垫导轨水平．
(3) 根据表格中数据描点并用直线连接(如图).
(4) 根据动量定理有FΔt＝m总Δv，变形得mgΔt＝(M＋m)Δv，则ΔvΔt图像斜率的理论值k＝ eq \f(mg,M＋m)＝1.96 m/s2.
(5) 若细线与导轨不平行，在竖直方向存在分力，细线与导轨夹角越大，水平分力越小，则产生的加速度越小．若Δt的测量值偏大，则图像斜率变小，B、D符合要求．
“长木板(带滑轮)、小车、纸带、打点计时器”体系装置，主要来“测量做直线运动物体的瞬时速度”“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”“验证机械能守恒定律以及测定动摩擦因数”等几个实验．“长木板、小车、纸带、打点计时器”实验装置中的细节及注意事项如下：
(1) 在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”“探究动能定理”的实验中，都需要平衡摩擦力．平衡摩擦力的方法是将小车放在木板上，把木板不带滑轮的一端垫高，在小车后面接一条纸带，穿过打点计时器，让小车在没有牵引力的情况下恰能匀速下滑．
(2) 在测定动摩擦因数的实验中，木板必须水平，细线必须与长木板平行，这样才能使压力等于木块的重力，细线对木块的拉力沿水平方向．
(3) 小车在长木板上做匀加速直线运动时，绳上的拉力并不等于悬挂物的重力，只有当M车≫m挂时，绳上的力近似等于悬挂物的重力．如果绳上连接着力传感器或测力器，则可直接读出绳上的拉力，不需要M车≫m挂．
(4) 对于纸带，常见有以下三大应用：①由纸带确定时间；②求解瞬时速度；③用“逐差法”求加速度．但有些实验用光电门代替打点计时器来完成瞬时速度和加速度的测量，具体做法如下：①求瞬时速度：把遮光条(宽度为d)通过光电门的时间Δt内的平均速度看作物体经过光电门的瞬时速度，即v＝ eq \f(d,Δt)；②求加速度：若两个光电门之间的距离为L，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a＝ eq \f(v eq \\al(2,2) －v eq \\al(2,1) ,2L).
eq \x(例) eq \x(3)(2022·苏锡常镇调研)某同学在实验室取两个材质及底面粗糙程度相同的木盒，来测量木盒和木板之间的动摩擦因数．他采用“对调法”，可省去称质量的步骤，如图甲所示，一端装有定滑轮的长木板放置在水平桌面上，木盒1放置在长木板上，左端与穿过打点计时器的纸带相连，右端用细线通过定滑轮与木盒2相接．
eq \(\s\up12(),\s\d4(甲))
(1) 实验前，要调整定滑轮的角度，目的是__使细线与木板平行__．
(2) 木盒1不放细沙，在木盒2中装入适量的细沙，接通电源，释放纸带，打点计时器打出一条纸带纸，木盒1与木盒2(含细沙)位置互换，换一条纸带再次实验，打出第二条纸带，两纸带编号为第一组，改变木盒2中细沙的多少，重复上述过程，得到多组纸带，如图乙为某组实验中获得的两条纸带中的一条：0、1、2、3、4、5、6是计数点，每相邻两计数点间还有4个未标出的计时点，已知交流电源的频率为50 Hz，该纸带运动的加速度a0＝__0.500__m/s2.
eq \(\s\up12(),\s\d4(乙))
(3) 五组实验测得的加速度如下表所示，请在图丙中作出a1a2 的关系图像，已知当地重力加速度为9.80 m/s2，由图像可得动摩擦因数为__0.40(0.38～0.42均可)__．(结果保留两位有效数字)
【答案】
(4) 由于纸带的影响，实验测得的动摩擦因数将__偏大__(选填“偏大”或“偏小”)；不考虑测量的偶然误差，上表中第__5__组数据求得的动摩擦因数最准确．
(5) 实验过程中，有时“对调法”两次实验不能全部完成，导致实验数据无效，请你提出一种解决此问题的实验方案：__逐步减少木盒2的细沙开展后续实验(或直接将细沙放入木盒1中开展实验)__．
【解析】 (1) 调整定滑轮的高度，使细线与长木板平行， 这样细线的拉力就沿水平方向，不会影响动摩擦因数的测量．
(2) 根据逐差法得出加速度a0＝[(x6＋x5＋x4)－(x3＋x2＋x1)]× eq \f(1,（3T）2)＝[(0.039 0＋0.034 0＋0.028 9)－(0.024 0＋0.018 9＋0.014 0)]× eq \f(1,（3×0.1）2) m/s2＝0.500 m/s2.
(3) 设木盒1的质量为m1，木盒2的质量为m2，对整体分析有m1g－μm2g＝(m1＋m2)a1，位置互换后m2g－μm1g＝(m1＋m2)a2，联立解得(1－μ)g＝a1＋a2，根据图像代入数据得μ＝0.40.
(4) 由于纸带与打点计时器间有摩擦，所以测量的动摩擦因数偏大；用第5组数据时，绳上的拉力最大，纸带与打点计时器间的相对摩擦力最小，所以相对误差最小．
(5) 逐步减少木盒2的细沙开展后续实验或直接将细沙放入木盒1中开展实验，可以得三组以上的数据．
(2021·盐城模拟)某同学用如图所示装置探究小车做匀变速直线运动的规律．
(1) 请在下列实验器材中，选出本实验中不需要的器材：__②③⑦__(填编号).
①电火花计时器②天平③低压交变电源④细线和纸带⑤钩码和小车⑥刻度尺⑦秒表⑧一端带有滑轮的长木板
(2) 安装好实验装置后，按照正确的实验操作，纸带被打出一系列点，其中一段如图所示，可知纸带的__左__(选填“左”或“右”)端与小车相连．
(3) 图中O、A、B、C、D、E、F为相邻的计数点，相邻两计数点间还有4个点未画出，则小车运动的加速度大小为__2.00__m/s2.打下E点时小车的瞬时速度大小为__1.10__m/s.(结果均保留3位有效数字)
(4) 如果当时电网中交变电流的电压变成210 V，频率不变，而做实验的同学并不知道，那么加速度的测量值__不变__(选填“偏大”“偏小”或“不变”).
(5) 实验结束后，甲、乙两组同学分别把纸带每隔0.1 s剪断，得到若干短纸条，再把这些纸条下端对齐，并排贴在一张纸上，得到如图甲、乙所示的两幅图．由图可知__甲__组实验过程中小车的加速度大，判断依据是__甲组纸条上端连线斜率大__．
【解析】 (1) 这里不需要知道小车及钩码的质量，所以不需要天平；电火花计时器有计时的功能，用的是220 V交流电源，故不需要低压交流电源和秒表．
(2) 小车释放后速度变大，相等时间内的位移越来越大，可知纸带的左端与小车相连．
(3) 由逐差法可得出a＝ eq \f(xCF－xOC,9T2)，T＝0.1 s，代入数据可求得a＝2.00 m/s2；匀变速直线运动中，任意某时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，则打E点时的速度等于DF段的平均速度vE＝ eq \f(xDF,2T)＝1.10 m/s.
(4) 交流电的频率不变，则打相邻两个点的时间不变，所以加速度不会变化．
(5) 剪断的纸带对应的时间都相等，x＝ eq \(v,\s\up6(－))t，所以纸带的长度之比等于平均速度之比，可以把题图甲、乙看成是平均速度和时间的关系图，由图可知题图甲中纸条上端连线的斜率较大，所以甲组实验过程中小车的加速度较大．
序号
1
2
3
4
5
6
钩码重力F/N
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
弹簧甲的长度
L1/cm
1.95
2.20
2.45
2.70
2.95
3.20
两弹簧总长度
L2/cm
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
6.50
Δt/s
0.721
0.790
0.854
0.913
0.968
Δv/
(m·s－1)
1.38
1.52
1.64
1.75
1.86
组次
1
2
3
4
5
a1/(m·s－2)
3.00
3.21
4.00
4.80
5.31
a2/(m·s－2)
2.81
2.60
1.82
1.00
a0