2020高考物理二轮复习专题17力学实验讲含解析

力学实验实验实验一：研究匀变速直线运动实验二：探究弹力和弹簧伸长的关系实验三：验证力的平等四边形定则实验四：验证牛顿运动定律实验五：探究动能定理实验六：验证机械能守恒定律1．要求会正确使用的仪器主要有：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧秤、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等。2．要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减少偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差。3．要求知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果。间接测量的有效数字运算不作要求。纵观近几年高考试题，预测2019年物理高考试题还会考：1、高考对于基本仪器的读数作为基础知识考查频率较高。在力学部分，考查的实验仪器主要有弹簧测力计、秒表、螺旋测微器、游标卡尺，大多数时候是填空题，注意估读和误差分析。2、力学中有多个实验都要用到打点计时器,能否正确使用打点计时器,并根据纸带进行正确的数据运算，是能否完成这些实验的关键，利用纸带直接测量的时间和位移，可以计算研究对象的瞬时速度和加速度，若结合其它物理量的测量，还可以解决与上面这些量直接有关或间接有关的问题，例如：计算动能、重力势能、动摩擦因数、功率、转速等，从而延伸出很多与纸带有关的力学实验。3、图象法是一种重要的实验数据处理方法．图象具有既能描述物理规律，又能直观地反映物理过程、表示物理量之间定性定量关系及变化趋势的优点．当前高考试题对数据处理、结果分析考查的频率较高。考向01长度的测量1.讲高考（1）考纲要求掌握螺旋测微器和游标卡尺的原理及读数方法（2）命题规律高考对于基本仪器的读数作为基础知识考查频率较高。在力学部分，考查的实验仪器主要有弹簧测力计、秒表、螺旋测微器、游标卡尺，大多数时候是填空题，注意估读和误差分析。考点定位】验证力的平行四边形定则【名师点睛】验证力的平行四边形定则中的作图法要注意标明：力的标度、刻度、方向箭头、大小和物理量名称。考点定位】验证机械能守恒【方法技巧】本题重在考查实验的误差分析，空气阻力的影响是使得一部分势能转化为内能，势能的减少量大于动能的增加量。2．讲基础（1）误差和有效数字①误差:误差产生原因大小特点减小方法系统误差实验仪器不精确实验原理不完善实验方法粗略总是偏大或偏小更新仪器完善原理改进方法偶然误差测量、读数不准确可大可小画图像或取平均值②有效数字定义:带有一位不可靠数字的近似数字。有效数字的最后一位是测量者估读出来的,是误差的来源。从数字左边第一个不为零的数字算起,如0.0643为三位有效数字。（2）长度的测量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个刻线与主尺上的某刻度线对正时)/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）力学实验分类①应用性实验(a)游标卡尺的使用(b)螺旋测微器的使用②验证性实验:(a)验证力的平行四边形定则;(b)验证牛顿运动定律;(c)验证机械能守恒定律。③探究性实验:(a)研究匀变速直线运动(b)探究弹力与弹簧伸长的关系;(c)探究动能定理;3．讲典例案例1．（1）图甲中游标卡尺读数为cm，图乙中螺旋测微器读数为mm。（2）利用图所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h．某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下的四种测量方案：A．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度v．B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v＝2gh计算出瞬时速度v．C．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过h＝v2/2g计算出高度h．D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v．以上方案中只有一种正确，正确的是________．（填入相应的字母）在实验中，某同学根据实验测得的数据，通过计算发现，重锤在下落过程中，重锤动能的增加量略大于重锤势能的减少量，若实验测量与计算均无错误，则出现这一问题的原因可能是（）A．重锤的质量偏大B．交流电源的电压偏高C．交流电源的频率小于50HzD．重锤下落时受到的阻力过大【答案】（1）0．660；8．800（2）D；C【解析】试题分析：（1）游标卡尺读数为螺旋测微器的读数为考点：验证机械能守恒定律的实验【名师点睛】解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的仪器、操作步骤和数据处理以及注意事项．该实验是验证机械能守恒定律的实验．因为我们知道自由落体运动只受重力，机械能就守恒．如果把重物看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证呢．考点：考查测量动摩擦因数【名师点睛】基于牛顿第二定律和匀变速直线运动、动能定理结合的一个创新型测量实验.【趁热打铁】某同学为验证“动能定理”设计了如图1所示的实验装置：用一个电磁铁吸住一个小钢球；当将电磁铁断电后，小钢球由静止开始向下加速运动；小钢球经过光电门时，计时装置将记录小钢球通过光电门所用的时间t，用游标卡尺测出小钢球的直径d，用直尺测量出小钢球由静止开始下降至光电门时的高度h，当地的重力加速度为g，那么（1）测量小钢球的直径结果如图1所示，则小钢球的直径d=cm．（2）忽略了空气阻力的影响，该同学验证“动能定理”的表达式为（用题中字母表示）．（3）如果用这套装置验证机械能守恒定律，下面的做法能提高实验精度的是．A．在保证其他条件不变的情况下，减小小球的直径B．在保证其他条件不变的情况下，增大小球的直径C．在保证其他条件不变的情况下，增大小球的质量D．在保证其他条件不变的情况下，减小小球的质量【答案】（1）1．326（2）（3）AC【解析】【详解】考点：验证动能定理【名师点睛】本题难点在于第三问，要明确实验的原理，综合不考虑空气阻力和考虑空气阻力两种情况，分别列动能定理来讨论。主要实验步骤如下：a．安装好实验器材。接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次。b．选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点O（t=0），然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点，如图2中A、B、C、D、E、F……所示。c．通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E……点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5……d．以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图3所示。结合上述实验步骤，请你完成下列任务：（1）在下列仪器和器材中，还需要使用的有____________和___________(填选项前的字母)。A．电压合适的50Hz交流电源B．电压可调的直流电源C．刻度尺D．秒表E．天平(含砝码)（2）在图3中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点，请在该图中标出计数点C对应的坐标点，并画出v-t图像_____________。（3）观察v-t图像，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是___________。v-t图像斜率的物理意义是______________________。（4）描绘v-t图像前，还不知道小车是否做匀变速直线运动。用平均速度表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对△t的要求是______（选填“越小越好”或“与大小无关”)；从实验的角度看，选取的△x大小与速度测量的误差______(选填“有关”或“无关”)。（5）早在16世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的。当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图4所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜想。请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的_____________________。【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理（北京卷）【答案】AC如图所示：小车的速度随时间均匀变化加速度越小越好有关如果小球的初速度为0，其速度，那么它通过的位移x∝t2。因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。（2）利用所给点迹描点连线，得图像其中C点的横坐标为3T，纵坐标为（3）结合图像可以看出小球速度随时间均匀变化，所以小球做匀加速运动，图像的斜率代表了运动时的加速度（4）越小，则越接近计数点的瞬时速度，所以越小越好，计算速度需要用到的测量值，所以大小与速度测量的误差有关。点睛：本题考查了速度与与时间得关系，速度没有办法直接测量，所以要利用物理关系转化，转换成我们能够测量的量，然后在来验证速度与时间得关系。考点定位】实验——验证机械能守恒定律【名师点睛】本题的难点是对实验原理的理解。考点定位】研究小车的匀变速直线运动实验【名师点睛】此题是一道考查研究小车的匀变速直线运动的常规实验题；注意不要把此实验与验证牛顿第二定律的实验相混淆；在验证牛顿第二定律的实验中，要求小车的质量远大于钩码的质量和平衡小车与长木板间的摩擦力，但在此实验中是不必要的；此题考查学生对力学基本实验的掌握情况。2．讲基础（1）利用纸带判断物体的运动情况①点迹密集的地方表示纸带运动的速度小，点稀疏的地方表示速度大。②若点与点之间的距离相等，就可判断物体做匀速运动，若点与点间距越来越大，则物体做加速运动，反之做减速运动.③位移x：指两个计数点之间的距离，一般可用刻度尺测量得到。（2）平均速度和瞬时速度的计算①平均速度：两点间平均速txv，这里Δx可以用直尺测量出两点间的距离，Δt为两点间的时间隔数与两点间时间间隔的乘积。②在匀变速直线运动中，某点的瞬时速度可以由此点前后两点间的平均速度表示如图所示，或（3）如何通过纸带确定物体做匀变速运动的加速度？常用的有四种方法：①粗略计算法：2Txa或②利用“逐差法”求加速度。③先求出第n点时纸带的瞬时速度（一般要5点以上），然后作出图象，用图象的斜率求物体运动的加速度。3．讲典例案例1．某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）．从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50Hz．（1）通过分析纸带数据，可判断物块在相邻计数点__________和______之间某时刻开始减速．（2）计数点5对应的速度大小为_______m/s，计数点6对应的速度大小为________m/s．（保留三位有效数字）（3）物块减速运动过程中加速度的大小为a=________m/s2，若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数（g为重力加速度），则计算结果比动摩擦因数的真实值_______（填“偏大”或“偏小”）．【答案】①6；7；②1.00；1.20；③2.00，偏大【解析】试题分析：（1）据题意，从纸带上相邻计数点距离可以看出，1-5点间均已2cm增加，7点之后均已2cm减少，故从6、7点开始减速；（2）计数点5对应的速度等于4-6的平均速度，为：；计数点6的速度为；（3）据逐差法有：；由于加速阶段有：，减速阶段有：，整理得：，由于，所以，故偏大。【趁热打铁】验证机械能守恒定律的实验装置如图甲所示．①安装打点计时器时，应使打点计时器的平面处在平面内，且两个纸带限位孔的连线处在方向上．②图乙为实验所得的一条纸带，在纸带上选取了点迹清晰、连续的3个点A、B、C，测出A、B、C与起始点O之间的距离分别为h1，h2，h3．已知打点周期为T，当地重力加速度为g．甲、乙两同学分别用表达式vB=g（4T）、vB=来计算B的速度．那么，其中同学的计算方法更符合实验的要求