2018年高考物理大二轮复习专题九实验技能与创新第1讲力学实验与创新课件.ppt

第1讲　力学实验与创新•专题九　实验技能与创新高考题型2　““纸带类””实验高考题型3　力学创新实验高考题型1　橡皮条、弹簧、碰撞类实验高考题精选精练橡皮条、弹簧、碰撞类实验高考题型1例例1　(2017·四川成都市第一次诊断)将两根自然长度相同、劲度系数不同、粗细也不同的弹簧套在一起，看作一根新弹簧，设原粗弹簧(记为A)劲度系数为k1，原细弹簧(记为B)劲度系数为k2、套成的新弹簧(记为C)劲度系数为k3.关于k1、k2、k3的大小关系，同学们做出了如下猜想：甲同学：和电阻并联相似，可能是乙同学：和电阻串联相似，可能是k3＝k1＋k2丙同学：可能是k3＝(1)为了验证猜想，同学们设计了相应的实验(装置如图1).图1(2)简要实验步骤如下，请完成相应填空.a.将弹簧A悬挂在铁架台上，用刻度尺测量弹簧A的自然长度L0；b.在弹簧A的下端挂上钩码，记下钩码的个数n、每个钩码的质量m和当 地的重力加速度大小g，并用刻度尺测量弹簧的长度L1；c.由F＝____计算弹簧的弹力，由x＝L1－L0计算弹簧的伸长量，由k＝ 计算弹簧的劲度系数；d.改变__________，重复实验步骤b、c，并求出弹簧A的劲度系数的平 均值k1；e.仅将弹簧分别换为B、C，重复上述操作步骤，求出弹簧B、C的劲度 系数的平均值k2、k3.比较k1、k2、k3并得出结论.nmg钩码的个数解析　解析　根据共点力平衡可知：F＝nmg　改变钩码的个数，重复实验答案解析(3)图2是实验得到的图线，由此可以判断____同学的猜想正确.答案解析图2乙技巧点技巧点拨拨探究弹力和弹簧伸长量的关系(1)实验原理要测出每次悬挂重物的重力大小F和弹簧伸长的长度x，建立F－x坐标系，描点作图探究.(2)操作关键①实验中不能挂过多的钩码，会使弹簧超过弹性限度.②作图象时，不要连成“折线”，而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在两侧.1.(2017·全国卷Ⅲ·22) 某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴(横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示1 mm)的纸贴在水平桌面上，如图3(a)所示.将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外)，另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长.对点拓展练21图3答案21解析(1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O，此时拉力F的大小可由测力计读出.测力计的示数如图(b)所示，F的大小为____N.4.0解析　解析　由图(b)可知，F的大小为4.0 N答案21解析(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A点；现使用两个测力计同时拉橡皮筋，再次将P端拉至O点.此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2 N和F2＝5.6 N.(ⅰ)用5 mm长度的线段表示1 N的力，以O为作用点，在图(a)中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力F合；图3答案　答案　见解析图答案21解析(ⅱ)F合的大小为____N，F合与拉力F的夹角的正切值为____.若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则.4.00.05解解析析　　用刻度尺量出F合的线段长约为20 mm，所以F合大小为4.0 N，量出合力箭头处到y轴的距离和所作合力在y轴投影的长度，则F合与拉力F的夹角的正切值为tan α＝0.05.2.(2017·河北唐山市一模)气垫导轨是一种实验辅助仪器，利用它可以非常精确地完成多个高中物理实验，滑块在导轨上运动时，可认为不受摩擦阻力，现利用气垫导轨验证动量守恒定律，实验装置如图4.21图4(1)对导轨进行调节平衡，使气垫导轨和光电门都正常工作，在导轨上只放置滑块a.调整调节旋钮，轻推滑块，观察滑块通过两光电门的时间，当_________________________________________时，说明导轨已经水平.答案21解析滑块a(的遮光条)通过两个光电门所用时间相等解解析析　　如果平衡，滑块a将在导轨上做匀速运动，因此通过两个光电门所用的时间相等；(2)使用天平测得滑块a、b质量分别为ma、mb，然后按如图所示方式放在气垫导轨上.使滑块a获得向右的速度，滑块a通过光电门1后与静止的滑块b碰撞并粘在一起，遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1、t2，则上述物理量间如果满足关系式_____________，则证明碰撞过程中两滑块的总动量守恒.答案21解析“纸带类”实验高考题型2(1)平衡摩擦力时，若所有的操作均正确，打出的纸带如图乙所示，应____(填“减小”或“增大”)木板的倾角，反复调节，直到纸带上打出的点迹________为止.例例2　(2017·广东惠州市第三次调研)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，采用了如图5甲所示的实验方案.操作如下：图5答案解析增大间距相等答案(2)已知小车质量为M，盘和砝码的总质量为m，要使细线的拉力近似等于盘和砝码的总重力，应该满足的条件是m_______M(填“远小于”“远大于”或“等于”).解析远小于解析　解析　对整体：mg＝(M＋m)a当M≫m时，可以认为小车受到的合力等于盘和砝码的总重力，故填远小于.答案(3)图丙为小车质量一定时，根据实验数据描绘的小车加速度a的倒数与盘和砝码的总质量m的倒数之间的实验关系图象.若牛顿第二定律成立，则小车的质量M＝_____kg.(g取10 m/s2)解析0.08技巧点技巧点拨拨1.“纸带类”实验涉及了力学中的研究速度随时间变化的规律、验证牛顿第二定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律以及验证动量守恒等5个实验.2.利用纸带可以计算计数点的速度和用逐差法计算加速度.3.注意掌握：(1)接通电源、释放纸带的先后顺序；(2)是否需要平衡摩擦力；(3)是否需要m≪M；(4)是否需要测量质量等.3.(2017·全国卷Ⅰ·22)某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动，用自制“滴水计时器”计量时间.实验前，将该计时器固定在小车旁，如图6(a)所示.实验时，保持桌面水平，用手轻推一下小车.在小车运动过程中，滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴，图(b)记录了桌面上连续6个水滴的位置.(已知滴水计时器每30 s内共滴下46个小水滴)对点拓展练43图643(1)由图(b)可知，小车在桌面上是________(填“从右向左”或“从左向右”)运动的.答案解析从右向左解解析析　　小车在阻力的作用下，做减速运动，由题图(b)知，从右向左相邻水滴间的距离逐渐减小，所以小车在桌面上是从右向左运动.43(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动.小车运动到图(b)中A点位置时的速度大小为____ m/s，加速度大小为_____ m/s2.(结果均保留两位有效数字)答案解析0.190.0384.(2017·四川绵阳市二诊)用如图7甲所示的装置验证机械能守恒定律.已知打点计时器打点频率f＝50 Hz.43图7(1)实验中得到的一条纸带如图乙所示，第一个打点标记为O，选择点迹清晰且便于测量的连续5个点，标为A、B、C、D、E，测出A、C、E到O点的距离分别为d1＝9.51 cm、d2＝15.71 cm、d3＝23.47 cm.重物质量为0.5 kg，当地重力加速度g＝9.80 m/s2.现选取重物在OC段的运动进行数据处理，则OC段重力势能减少量为_____J，动能增加量为_____J.(计算结果均保留两位有效数字)43答案0.770.76(2)如果测得纸带上第一个和第二个打点间的距离大约是6 mm，出现这种情况可能的原因是________.A.重锤的质量过大B.电源电压偏大C.先释放纸带后接通打点计时器电源D.打点计时器没有竖直固定43答案√√力学创新实验高考题型3例例3　(2017·河北邯郸市模拟) 如图8甲所示，上表面光滑的楔形木块A固定在水平放置的压力传感器上.某同学将质量不同的小钢球从斜面顶端由静止释放(每次只有一个小球)，记录小钢球在斜面上运动时压力传感器的示数，并根据实验数据作出F－m图线，如图乙.重力加速度大小取9.8 m/s2，完成下列填空：图8(1)不同质量的小钢球在斜面上运动的时间______(填 “相同”或“不相同”)；答案解析相同解解析析　　根据牛顿第二定律得小钢球下滑的加速度为：a＝ ＝gsin θ，则不同质量的小钢球在斜面上的运动情况完全相同，所以运动的时间也相同.(2)由图象知，木块A的质量M＝____kg(保留两位有效数字)；答案解析0.20解解析析　　当m＝0时，传感器的示数即为木块A的重力，则有：Mg＝1.97 N，解得：M＝ kg＝0.20 kg(3)若斜面倾角为θ，由图象可知，cos2θ＝___________________(保留两位有效数字).答案解析0.34(0.32～0.36均可) 技巧点技巧点拨拨1.力学创新实验的特点(1)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.(2)将实验的基本方法——控制变量法，处理数据的基本方法——图象法、逐差法，融入到实验的综合分析之中.2.创新实验题的解法(1)根据题目情景，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，应用原理公式或图象法处理实验数据，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.5.(2017·福建漳州市联考)“用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图9(a)所示.实验中通过增加钩码的数量，多次测量，可得小车运动的加速度a和所受拉力F的关系图象.他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图(b)所示.对点拓展练65图965(1)图线___是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的；(选填“a”或“b”) 答案解析b解解析析　　在水平轨道上，由于受到摩擦力，拉力不为零时，加速度仍然为零，可知图线a是在轨道水平的情况下得到的.当轨道的右侧抬高过高时(平衡摩擦力过度)，拉力等于0时，会出现加速度，所以图线b是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的.65(2)在轨道水平时小车运动的阻力Ff＝_____；答案解析0.5 N解解析析　　根据牛顿第二定律得，F－Ff＝ma，a＝ ，图线的斜率表示质量的倒数；因为F＝0.5 N时，加速度为零，解得Ff＝0.5 N.65(3)图(b)中，拉力F较大时，a－F图线明显弯曲，产生误差.为消除此误差可采取的措施是__________.A.调整轨道的倾角，在未挂钩码时使小车能在轨道 上匀速运动B.在钩码与细绳之间接入一力传感器，用力传感器读数代替钩码的重力C.更换实验中使用的钩码规格，采用质量较小的钩码进行上述实验D.在增加钩码数量的同时在小车上增加砝码，使钩码的总质量始终远小 于小车的总质量答案√√解析(1)用游标卡尺测量出固定于滑块上的遮光条的宽度d，如图乙，d＝_____mm.在桌面上合适位置固定好弹簧和光电门，将光电门与数字计时器(图中未画出)连接.6.(2017·山东德州市模拟)某同学用如图10甲所示的装置测量滑块与水平桌面之间的动摩擦因数，实验过程如下：答案65解析图105.70(2)用滑块把弹簧压缩到某一位置，测量出滑块到光电门的距离x.静止释放滑块，测出滑块上的遮光条通过光电门所用的时间t，则此时滑块的速度v＝___(用题中所给字母表示).答案65解析解析　解析　滑块的速度为：v＝则有：－2μgx＝－b,2Ep·a＝2μgx(3)通过在滑块上增减砝码来改变滑块的质量m，仍用滑块将弹簧压缩到(2)中的位置，重复(2)的操作，得出一系列滑块质量m与它通过光电门时的速度v的值.根据这些数值，作出v2－ 图象如图丙所示.已知当地的重力加速度为g.由图象可知，滑块与水平桌面之间的动摩擦因数μ＝____，弹性势能Ep＝___.答案65解析高考题精选精练图11题组题组1　全国卷真题精选　全国卷真题精选1.(2016·全国卷Ⅱ·22)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图11(a)所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接.向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能.1234(1)实验中涉及到下列操作步骤：①把纸带向左拉直②松手释放物块③接通打点计时器电源④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号).答案1234解析④①③②解析　解析　根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②.(2)图(b)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为50 Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为_____m/s.比较两纸带可知，___(填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.答案1234解析1.29M2.(2016·全国卷Ⅲ·23)某物理课外小组利用图12中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码.本实验中1234图12可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下：(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑.(2)将n(依次取n＝1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.1234(3)对应于不同的n的a值见下表.n＝2时的s-t图象如图13所示；由图13求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.1234n12345a/(m·s－2)0.20 0.580.781.00图130.39答案解析解解析析　　因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将题图中点(2,0.78)代入s＝ at2可得，a＝0.39 m/s2.解析　解析　根据描点法可得如图所示图线.(4)利用表中的数据在图14中补齐数据点，并作出a-n图象.从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比.答案1234解析图14答案　答案　见解析图(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为_____kg(保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8 m·s－2).答案1234解析0.44(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是______(填入正确选项前的标号)A.a-n图线不再是直线B.a-n图线仍是直线，但该直线不过原点C.a-n图线仍是直线，但该直线的斜率变大√√答案1234解析√√解解析析　　若保持木板水平，则小车运动中受到摩擦力的作用，由牛顿第二定律得，nmg－μ(M＋5m－nm)g＝(M＋5m)a，解得：a＝ －μg，直线的斜率变大.绳的拉力等于摩擦力时，小车才开始运动，图象不过原点，选项B、C正确.3.(2013·新课标全国Ⅰ·22)图15为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图.实验步骤如下：1234图15①用天平测量物块和遮光片的总质量M，重物的质量m，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，用米尺测量两光电门之间的距离s；②调整轻滑轮，使细线水平；③让物块从光电门A的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间ΔtA和ΔtB，求出加速度a；④多次重复步骤③，求a的平均值 ；⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数μ.回答下列问题：(1)测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图16所示.其读数为________ cm.1234答案解析图16答案　答案　见解析解析　解析　d＝0.9 cm＋12×0.05 mm＝0.960 cm(2)物块的加速度a可用d、s、ΔtA和ΔtB表示为a＝________.答案1234解析答案　答案　见解析解析　解析　因为vA＝ ，vB＝ ，又由2as＝vB2－vA2，(3)动摩擦因数μ可用M、m、 和重力加速度g表示为μ＝________.答案1234解析答案　答案　见解析解析　解析　设细线上的拉力为FT，则mg－FT＝m   ，FT－μMg＝M两式联立得μ＝(4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于____________(填“偶然误差”或“系统误差”).答案1234解析答案　答案　见解析解析　解析　由实验装置引起的误差为系统误差.题组题组2　各省市真题精选　各省市真题精选4.(2015·山东理综·21)某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则.实验步骤：①将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向.②如图17甲所示，将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上，另一端用圆珠笔尖竖直向下拉，直到弹簧秤示数为某一设定值时，将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2，记录弹簧秤的示数F，测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮筋的长度l).每次将弹簧秤示数改变0.50 N，测出所对应的l，部分数据如下表所示：1234F(N)00.501.001.502.002.50l(cm)l010.9712.0213.0013.9815.05③找出②中F＝2.50 N时橡皮筋两端的位置，重新标记为O、O′，橡皮筋的拉力记为FO O′.④在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图乙所示.用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端，使秤钩的下端达到O点，将两笔尖的位置标记为A、B，橡皮筋OA段的拉力记为FOA，OB段的拉力记为FOB.1234图17解解析析　　做出F-l图象，如图甲所示，求得直线的截距即为l0，可得l0＝10.0 cm完成下列作图和填空：(1)利用表中数据在图18中画出F-l图线，根据图线求得l0＝________cm.答案1234解析图18答案　答案　见解析图甲　10.0(9.8、9.9、10.1均正确)(2)测得OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，则FOA的大小为______N.答案1234解析答案　答案　1.80(1.70～1.90均正确)解析　解析　可计算橡皮筋的劲度系数若OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，则橡皮筋的弹力为F＝kΔx＝50×(6.00＋7.60－10.00)×10－2 N＝1.80 N则此时FOA＝F＝1.80 N(3)根据给出的标度，在图19中作出FOA和FOB的合力F′的图示.答案1234解析图19答案　答案　见解析图乙解析　解析　FOB＝FOA＝1.80 N，两力的合力F′如图乙所示.(4)通过比较F′与_____的大小和方向，即可得出实验结论.答案1234解析FOO′解解析析　　FOO′的作用效果和FOA、FOB两个力的作用效果相同，F′是FOA、FOB两个力的合力，所以通过比较F′和FOO′的大小和方向，可得出实验结论.。