力学实验

第1讲力学实验复习(1)验证性实验：验证力的平行四边形定则，验证牛顿运动定律，验证机械能守恒定律，验证动量守恒定律。(2)探究性实验：探究弹力与弹簧伸长的关系，探究功与速度变化间的关系。实验考查类型：1.误差和有效数字(1)有效数字①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。②科学记数法：大的数字，如36500，如果第3位数5已不可靠时，应记作3.65×104；与保留几位小数要区分(2)误差①误差是测量值与真实值之间的差异，不是错误，且不可避免。②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。③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。2.基本仪器的使用(1)长度测量类仪器：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：游标尺/mm精度/mm测量结果(游标尺上第n条刻度线与主尺上的某刻度线正对时)/mm刻度格数刻度总长度每小格与1毫米差1090.10.1主尺上读的毫米数＋0.1n20190.050.05主尺上读的毫米数＋0.05n50490.020.02主尺上读的毫米数＋0.02n③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)×0.01mm。(2)时间测量类仪器：①打点计时器：每打两个点的时间间隔为0.02s，一般每五个点取一个计数点，则时间间隔为Δt＝0.02×5s＝0.1s。②频闪照相机：用相等时间间隔获取图象信息的方法将物体在不同时刻的位置记录下来。③光电门：记录遮光时间。3.实验数据的处理方法(1)列表法：在记录和处理数据时，为了简单而明显地表示出有关物理量之间的关系，可将数据填写在适当的表格中，即为列表法。(2)平均值法：把在同一状态下测定的同一个物理量的若干组数据相加求和，然后除以测量次数。(3)作图法：用作图法处理数据的优点是直观、简便，有取平均值的效果。由图线的斜率、截距、包围的面积等可以研究物理量之间的关系。1.(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1(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30s内共滴下46个小水滴)(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。(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2位有效数字)解析(1)小车在阻力的作用下，做减速运动，由图(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。(2)已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴，所以相邻两水滴间的时间间隔为Δt＝3045s＝23s，所以A点位置的速度为vA＝0.117＋0.1332×23m/s＝0.19m/s。根据逐差法可求加速度a＝（x5＋x4）－（x2＋x1）6（Δt）2，解得a＝0.038m/s2。2.(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1mm)的纸贴在水平桌面上，如图2(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。(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。(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＝4.2N和F2＝5.6N。(ⅰ)用5mm长度的线段表示1N的力，以O为作用点，在图2(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；(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。解析(1)由图(b)可知，F的大小为4.0N(2)(ⅰ)画出力F1、F2的图示，如图所示(ⅱ)用刻度尺量出F合的线段长为20mm，所以F合大小为4.0N，F合与拉力F的夹角的正切值为tanα＝0.05。3.(2017·全国卷Ⅱ，22)某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系。使用的器材有：斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器。实验步骤如下：①如图3(a)，将光电门固定在斜面下端附近，将一挡光片安装在滑块上，记下挡光片前端相对于斜面的位置，令滑块从斜面上方由静止开始下滑；②当滑块上的挡光片经过光电门时，用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间Δt；③用Δs表示挡光片沿运动方向的长度(如图(b)所示)，v表示滑块在挡光片遮住光线的Δt时间内的平均速度大小，求出v；④将另一挡光片换到滑块上，使滑块上的挡光片前端与①中的位置相同，令滑块由静止开始下滑，重复步骤②、③；⑤多次重复步骤④；⑥利用实验中得到的数据作出v－Δt图，如图4所示。完成下列填空：(1)用a表示滑块下滑的加速度大小，用vA表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小，则v与vA、a和Δt的关系式为v＝________。(2)由图4可求得vA＝______cm/s，a＝______cm/s2。(结果保留3位有效数字)图4解析(1)设挡光片末端到达光电门的速度为v，则由速度—时间关系可知：v＝vA＋aΔt，且v＝vA＋v2联立解得：v＝vA＋12aΔt；(2)由图4可读出vA＝52.1cm/s，图线的斜率k＝12a＝53.6－52.4（180－32.5）×10－3cm/s2≈8.14cm/s2，即a＝16.3cm/s2。答案(1)v＝vA＋12aΔt(2)52.116.31.高考考查特点(1)“源于课本，不拘泥于课本”一直是高考实验命题的理念。(2)考查实验的灵魂——实验原理是重中之重。(3)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，融入实验的综合分析之中。(4)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。如2017年全国卷Ⅱ的第22题。2.解题的常见误区及提醒(1)拘泥于教材实验，死记硬背不知变通是常见错误。(2)注重物理规律在实验仪器和操作中的实现条件是解题的关键。(3)不分析试题的情景，生搬硬套教材实验，错误的应用实验结论。(4)进行实验时要注重实验的细节，不能结合实验的器材和数据以及物体的受力情况进行分析。1.下面各图均是用游标卡尺测量时的示意图，图5甲中游标卡尺为50分度游标卡尺，图乙为20分度游标卡尺，图丙为10分度游标卡尺，它们的读数分别为____________；____________；____________。游标卡尺和螺旋测微器的读数图5解析在图甲中，主尺读数为42mm，游标尺上第5条刻度线与主尺上的一条刻度线对齐，由于游标尺是50分度的，所以读数为42mm＋5×0.02mm＝42.10mm；在图乙中，主尺读数为63mm，游标尺上第6条刻度线与主尺上的一条刻度线对齐，由于游标尺是20分度的，所以读数为63mm＋6×0.05mm＝63.30mm；在图丙中，主尺读数为29mm，游标尺上第8条刻度线与主尺上的一条刻度线对齐，由于游标尺是10分度的，所以读数为29mm＋8×0.1mm＝29.8mm。答案42.10mm63.30mm29.8mm2.某同学利用螺旋测微器测量一金属板的厚度。该螺旋测微器校零时的示数如图6(a)所示，测量金属板厚度时的示数如图(b)所示。图(a)所示读数为________mm，图(b)所示读数为______mm，所测金属板的厚度为______mm。图6解析题图(a)所示读数为0mm＋1.0×0.01mm＝0.010mm；题图(b)的读数为6.5mm＋37.0×0.01mm＝6.870mm；故金属板的厚度d＝6.870mm－0.010mm＝6.860mm。答案0.0106.8706.860练后反思游标卡尺和螺旋测微器读数的“3点注意”(1)螺旋测微器读数时要估读，以毫米为单位，小数点后必须为3位，同时注意固定刻度上的半刻度是否露出。(2)游标卡尺不估读，以毫米为单位，10分度卡尺，小数点后只有1位；20分度和50分度卡尺，小数点后有2位。(3)注意题目要求的单位是否为mm，若不是则要先以mm为单位读数，然后再换算为题目要求的单位。1.(1)在“研究匀变速直线运动”的实验中，下列方法中有助于减小实验误差的是________。(填正确答案标号)A.选取计数点，把每打5个点的时间间隔作为一个时间单位B.使小车运动的加速度尽量小些C.舍去纸带上开始时密集的点，只利用点迹清晰、点间隔适当的那一部分进行测量、计算D.适当增加挂在细绳下钩码的个数“纸带”类实验(2)某次实验获得的纸带如图7所示，O点为起始点，A、B、C、D、E、F、G为计数点，每相邻两个计数点间还有4个点没有画出，由图可知纸带的加速度为a＝________，在打D点时纸带的速度为vD＝________(保留两位有效数字)，F到G的距离为xFG＝________。图7解析(1)选取计数点，把每打5个点的时间间隔作为一个时间单位，可以减小测量的误差，A正确；为了减小实验的测量误差，加速度应适当大一些，B错误；舍去纸带上开始时密集的点，只利用点迹清晰、点间隔适当的那一部分进行测量、计算，可以减小误差，C正确；适当增加钩码的个数，可以适当增大加速度，减小实验误差，D正确。(2)因为连续相等时间内的位移之差Δx＝0.75cm，根据Δx＝aT2得，a＝ΔxT2＝0.75×10－20.01m/s2＝0.75m/s2，xFG＝xEF＋0.75cm＝19.65cm－14.50cm＋0.75cm＝5.90cm。打D点时纸带的速度vD＝xCE2T＝（14.50－6.45）×10－20.2m/s＝0.40m/s。答案(1)ACD(2)0.75m/s20.40m/s5.90cm2.用图8所示装置探究物体的加速度与力的关系。实验时保持小车(含车中重物)的质量M不变，细线下端悬挂钩码的总重力作为小车受到的合力F，用打点计时器测出小车运动的加速度a。图8(1)关于实验操作，下列说法中正确的是________。A.实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行B.平衡摩擦力时，在细线的下端悬挂钩码，使小车在线的拉力作用下能匀速下滑C.每次改变小车所受的拉力后都要重新平衡摩擦力D.实验时应先接通打点计时器电源，后释放小车(2)图9为实验中打出纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹未标出，测出各计数点到A点间的距离。已知所用电源的频率为50Hz，打B点时小车的速度v＝________m/s，小车的加速度a＝______m/s2。(3)改变细线下端钩码的个数，得到a－F图象如图10所示，造成图线上端弯曲的原因可能是________________________________________________________________________________。图9解析(1)细线的拉力不能引起小车对长木板压力的变化，A项正确；平衡摩擦力时不要挂钩码，B项错误；改变小车的拉力时无需重新平衡摩擦力，C项错误；实验时应先接通电源，后释放小车，D项正确。图10(2)打B点时小车的速度为vB＝AC2T＝6.32×10－20.2m/s＝0.316m/s；根据逐差法得出小车加速度为a＝x