适用于新高考新教材广西专版2024届高考物理二轮总复习专题8物理实验第1讲力学实验课件

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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.(2023广西柳州三模)(命题点2)受天空课堂中王亚平测量聂海胜质量实验的启发,某实验小组设计类似测物体质量的实验。安装好如图甲实验装置,调节气垫导轨上的旋钮P、Q使气垫导轨水平,滑块在O点时弹簧处于原长。力传感器能采集弹簧的弹力,固定在滑块上的加速度传感器能采集滑块的加速度。
(1)接通气源后,将滑块拉至A点(图中未标出),OA距离为5 cm,此时力传感器的示数为0.60 N,则弹簧的劲度系数为　　　　 N/m(结果保留两位有效数字)。 (2)静止释放滑块后,根据传感器采集的数据绘制的a-F图像如图乙所示,可知滑块与加速度传感器的总质量为 　　　　kg(结果保留一位有效数字)。(3)测出两调节旋钮P、Q之间距离为l,调节旋钮Q,使之比旋钮P高出h,重绘a-F图像,纵轴截距为b,由此可知当地的重力加速度为　　　　。 
解析 (1)根据胡克定律F=kx,代入数据解得k=12 N/m。(2)根据牛顿第二定律可得F=m总a
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,橡皮筋的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筋,将橡皮筋的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筋,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方向解析 (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.(2023北京丰台一模)(命题点2)某物理兴趣小组利用传感器进行探究,实验装置原理如图甲所示。装置中水平光滑直槽能随竖直转轴一起转动,将滑块套在水平直槽上,用细线将滑块与固定的力传感器连接。当滑块随水平光滑直槽一起匀速转动时,细线的拉力提供滑块做圆周运动需要的向心力。拉力的大小可以通过力传感器测得,滑块转动的角速度可以通过角速度传感器测得。
(1)小组同学先让一个滑块做半径r为0.14 m的圆周运动,得到图乙中①图线。然后保持滑块质量不变,再将运动的半径r分别调整为0.12 m、0.10 m、0.08 m、0.06 m,在同一坐标系中又分别得到图乙中②、③、④、⑤四条图线。(2)对①图线的数据进行处理,获得了F-x图像,如图丙所示,该图像是一条过原点的直线,则图像横坐标x代表的是　　　　。 (3)对5条F-ω图线进行比较分析,得出ω一定时,F∝r的结论。请你简要说明得到结论的方法     　。 
答案 (2)ω2(或mω2等带ω2即可)(3)见解析解析 (2)向心力的公式F=mω2r,根据F-x图像知,该图像是一条过原点的直线,F与x的图像成正比,则图像横坐标x代表的是ω2(或mω2等带ω2即可);(3)探究F与r的关系时,要先控制m和ω不变,因此可在F-ω图像中找到同一个ω对应的向心力,根据5组向心力F与半径r的数据,在F-r坐标系中描点作图,若得到一条过原点的直线,则说明F与r成正比。
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.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.(2023广东茂名二模)某同学为了验证荡秋千过程中机械能是否守恒,设计了如图所示实验。长为l的轻质细绳一端固定在O点,另一端拴一质量为m的小球(尺寸相对l足够小),在O点正下方l处的N点放有一光电门。重力加速度为g,实验步骤如下:
(1)用螺旋测微器测出小球的直径D,小球直径D=　　　　 mm。 (2)将小球拉到偏离竖直方向上的某位置M,用工具测出M处的细绳与竖直方向的夹角θ。(3)静止释放小球,测出小球经过光电门的时间为Δt,计算小球经过光电门的速度。(4)从M到N的过程中,小球减少的重力势能ΔEp=　　　　,增加的动能ΔEk=　　　　　　(用题目中已知的物理量符号表示)。 (5)验证ΔEk=ΔEp,即可验证小球运动过程中机械能守恒。
解析 (1)螺旋测微器的精度为0.01 mm,螺旋测微器读数为固定刻度读数+可动刻度读数,即D=7 mm+17.0×0.01 mm=7.170 mm。(4)从M到N的过程中,小球减少的重力势能ΔEp=mgh=mgl(1-cs θ)
3.(2023湖南百校联考期中)图甲是利用手机内置的加速度传感器来探究加速度与力的关系的装置,轻弹簧的上端固定在支架上,手机上端与轻弹簧连接,手机下端通过细绳拴接小桶,桶中可添加重物。用电子秤测出手机、小桶、重物等物体的质量。实验过程如下:①调整弹簧、手机、小桶在一条竖直线上,并使整个装置处于静止状态;②剪断绳子,手机记录加速度数值,如图乙所示;③改变小桶中重物质量,重复实验,记录数据如下:
(1)下列说法正确的是　　　　。 A.绳子剪断后,弹簧提供的弹力即为手机受到的合力B.图乙中记录的第一个峰值,即为绳子剪断后手机的瞬时加速度C.本实验还需要测量弹簧的伸长量以及劲度系数D.手机和重物使得弹簧发生的形变不能超过弹簧的弹性限度(2)表格中有一处数据被遗漏,根据实验原理和其他数据,可以推测这一处数据的大小为　　　　 m/s2。(保留两位有效数字即可) (3)测得手机质量为m',小桶的质量为m0,已知当地重力加速度大小为g。在处理数据时,以手机的加速度a为纵坐标,重物质量m为横坐标,获得一条斜率为k,纵轴截距为b的直线。若手机加速度与所受外力成正比,那么k=　　　　,b=　　　　。(用m0、m'、g表示) 
答案 (1)BD(2)3.3
解析 (1)绳子剪断后,手机所受合力为弹簧的弹力减去手机的自重,故A错误。前面的数据波动是保持平衡时的轻微扰动,后续的数据波动是因为手机在做(近似)简谐运动,最后一个巨大的峰值是将手机停下来的瞬间记录的最大加速度,故第一个峰值即为我们要的绳子被剪断时的瞬时加速度,故B正确。剪断绳子后手机受到的合力即为小桶和重物的总重力,不需要对弹簧进行测量,只需要注意不超过弹簧的弹性限度即可,故C错误,D正确。