2022届二轮复习 专题九第1课时　力学、热学和光学实验 课件（65张）

这是一份2022届二轮复习 专题九第1课时　力学、热学和光学实验 课件（65张），共60页。PPT课件主要包含了高考题型，专题限时训练，限时40分钟等内容，欢迎下载使用。
本专题主要复习力学、热学和光学实验的基本原理和方法，并借助基本实验分析拓展创新实验。
主要考查长度的测量和读数；对力的研究；“纸带类”实验；验证动量守恒定律；力学拓展创新实验；探究气体压强与体积的关系；测量玻璃的折射率；用双缝干涉实验测量光的波长；用单摆测量重力加速度的大小等。
通常作为第一个实验题，考查实验的基本原理和方法，难度一般较小。
高考题型2　“纸带类”实验
高考题型1　对力的研究
高考题型3　其他力学实验
高考题型4　新高考增加的力学实验
高考题型5　热学和光学实验
【例1】 (2021·广东省普通高中学业水平选择性考试，11)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1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1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。
解析　(1)ΔL3＝L6－L3＝18.09 cm－12.05 cm＝6.04 cm，压缩量的平均值
答案　(1)6.04　6.05　(2)3　(3)48.6
【例2】 (2021·湖北省高考模拟)在验证力的平行四边形定则的实验中，某兴趣小组使用传统的木板、图钉、白纸、橡皮条、细绳和弹簧测力计等工具，把木板平放在水平桌面上来做实验。(1)下列不必要的实验要求是________。A．弹簧测力计应在使用前校零B．拉绳方向应与木板平面平行C．为了更方便地验证力的平行四边形定则，最好使两个力F1、F2间的夹角为90°D．改变拉力，进行多组实验，每次都要使结点静止在同一位置
(2)下列实验操作合理的是________。A．记录结点的位置时，应该在结点正下方描一个清晰且尽量大的点B．记录细绳方向时，应该在细绳正下方相距较远的位置上点两个较小的点C．为了方便操作和作图，可将其中一个弹簧测力计中拉力的方向固定下来，改变另一个弹簧测力计的示数和拉力的方向D．为了减小实验误差，在不超出量程的情况下，应该使弹簧测力计的示数尽量大些(3)兴趣小组在水平放置的木板上很快做完了实验，想尝试在倾斜木板上做实验，________(填“能”或“不能”)有效验证力的平行四边形定则。
解析　(1)根据仪器使用常识可知，弹簧测力计在使用前需校零，A项是必要的；实验中力必须与木板在同一平面内，B项也是必要的；要验证平行四边形定则，夹角不应该选取特殊角度，C项不必要；在同一组实验中，要使两次拉力的作用效果相同，结点的位置必须相同，但在不是同一组实验验证时，结点的位置可以不同，所以不需要固定结点位置，D项不必要。(2)实验中记录描点时，点描得越小，带来的实验误差会越小，故描点要尽量小且清晰，A项操作是不合理的；两个点相距较远，有利于作图时把力的方向作准确，B项操作是合理的；为了方便作图，可将其中一个弹簧测力计中拉力的
方向固定下来，改变另一个弹簧测力计的示数和拉力的方向，只要将结点拉至与一个弹簧测力计拉橡皮条时结点相同的位置即可，不影响实验的有效性，故C项操作是合理的；为了减小实验误差，在不超出弹簧测力计量程的情况下，弹簧测力计的示数越大，读数误差越小，故D项是合理的。(3)无论在哪个平面做实验，只要满足在该平面内两次力的作用效果相同，在操作无误的情况下，即可验证力的平行四边形定则，因此在倾斜的木板上做实验，也能够有效验证力的平行四边形定则。答案　(1)CD　(2)BCD　(3)能
【例3】 如图2甲为某同学验证“物体运动的加速度与力之间的关系”的实验装置图。已知滑块质量为M，当地重力加速度为g，实验中使用交流电源的频率为50 Hz。
(1)如图甲所示，安装好实验装置。取下砝码盘，调整滑板右端高度，轻推滑块后能匀速下滑。(2)挂上总质量为m的砝码盘(连同盘中砝码)，调整左端滑轮高度，让细绳平行于滑板。闭合打点计时器电源开关，然后放开滑块，就可打出滑块运动的纸带。图乙所示为某次操作中打出的一条纸带，相邻的两个计数点之间还有3个点未标出，数据的单位是cm。则滑块运动的加速度a＝________m/s2(保留3位有效数字)。(3)改变砝码盘(连同盘中砝码)的总质量m，重复步骤(2)操作，就可测出对应的加速度a；通过对这些实验数据分析，就可以验证物体运动的加速度与合外力是否成正比。
答案　(2)0.535　(4)越来越大
【例4】 (2021·全国甲卷，22)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3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2位有效数字，重力加速度大小取9.80 m/s2)。
解析　利用匀变速直线运动规律的推论Δs＝at2
由牛顿第二定律有mgsin α－μmgcs α＝ma
答案　0.43　0.32
【例5】 (2020·河南洛阳市一模)某同学用图4(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图(b)所示。
该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图(b)中给出的物理量可以计算出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度的大小为________。(2)已测得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，s3＝10.10 cm；当重力加速度取9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%，由此推算出f为________Hz。
【例6】 (2021·湘豫名校4月联考)某同学设计了如图5甲所示的装置验证动量守恒定律：
图5(1)小车a的前端粘有质量不计的橡皮泥，在小车a后连着纸带，纸带通过电磁打点计时器，长木板下垫着小木块，开始时未放小车b，移动长木板下的小木块，轻推小车a，直到纸带上打下的点迹________(填“均匀”或“不均匀”)；
(2)在小车a的前方放置一个与a材料相同的静止小车b，推动小车a使之运动，后与小车b相碰并粘合成一体，若已测得打点的纸带如图乙所示，O为运动的起点，s1、s2、s3、s4分别为OA、AB、BC、CD的长度，则应选________段来计算a碰撞前的速度，应选________段来计算a和b碰后的共同速度(以上两空均选填“s1”“s2”“s3”或“s4”)；(3)设a的质量为ma、b的质量为mb，要验证碰撞中的动量守恒定律，要验证的关系为________________(选ma、mb、s1、s2、s3、s4来表示)。
解析　(1)当小车a所受的摩擦力和重力沿斜面向下的分力平衡时，小车a做匀速运动，即打下的点迹均匀。
(2)推动小车由静止开始运动，故小车有个加速过程，在碰撞前做匀速直线运动，即在相同的时间内通过的位移相同，故AB段为匀速运动的阶段，故选AB段计算碰前的速度，即选s2；碰撞过程是一个变速运动的过程，而a和b碰后共同运动时做匀速直线运动，故在相同的时间内通过相同的位移，故应选CD段来计算碰后共同的速度，即选s4。
即为mas2＝(ma＋mb)s4。答案　(1)均匀　(2)s2　s4　(3)mas2＝(ma＋mb)s4
【例7】 (2021·贵州毕节市4月第二次诊断)毕节市著名风景区韭菜坪，最高峰海拔2 900.6 m，素有“贵州屋脊”之称，大韭菜坪为世界上最大面积的野韭菜花带，小韭菜坪石林景观俊奇独特。
某高中学校的同学到小韭菜坪观赏石林，被独特奇秀的石林景观震撼，同学们突然想知道小韭菜坪的重力加速度是多少，于是他们结合所学物理知识，利用“单摆”实验测定山顶的重力加速度，同学们进行了以下操作，请完成以下填空：(1)如图6所示，用直尺测出摆线的长度为l1和小球最低端到悬点的距离为l2，则摆长l＝________(用l1和l2表示)
(2)若摆球在竖直平面内做小角度摆动时，可视为简谐运动，为了记录振动次数和测量振动周期，同学们从某一次经过最低点时开始计时并计数1次，测出经过最低点n次(约60～100次)的时间为t，则该单摆的振动周期为T＝________；(3)同学们根据测量的实验数据，计算出小韭菜坪的重力加速度，则表达式为g＝________(用l1、l2、n、t表示)。
【例8】 (2021·江苏苏州市震川中学第一次统测)如图7(a)所示为探究向心力与质量、半径、角速度关系的实验装置。金属块放置在转台凹槽中，电动机带动转台做圆周运动，可通过改变电动机的电压来控制转台的角速度。光电计时器可以采集转台转动时间的信息。已知金属块被约束在转台的径向凹槽中，只能沿半径方向移动，且可以忽略其与凹槽之间的摩擦力。
(1)某同学保持金属块质量和转动半径不变，仅改变转台的角速度，探究向心力与角速度的关系。不同角速度对应的向心力可由力传感器读出。若光电计时器记录转台每转50周的时间为T，则金属块转动的角速度ω＝________。(2)上述实验中，该同学多次改变角速度后，记录了一组角速度ω与对应的向心力F的数据，见下表。请根据表中数据在图(b)给出的坐标纸中作出F与ω2的关系图像。由图像可知，当金属块质量和转动半径一定时，F与ω2呈________关系(选填“线性”或“非线性”)。
(3)为了探究向心力与半径、质量的关系，还需要用到的实验器材：________、________。
(2)根据描点法在坐标纸中作出F－ω2的关系图像如图所示
由图像可知，F与ω2呈线性关系。(3)根据向心力Fn＝mrω2可知，为了探究向心力跟半径、质量的关系，还需要用刻度尺测半径和天平测量金属块的质量。
【例9】 (2021·全国乙卷，22)某同学利用图8(a)所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔0.05 s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图(b)所示(图中未包括小球刚离开轨道的影像)。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为5 cm。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图(b)中标出。
完成下列填空：(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图(b)中位置A时，其速度的水平分量大小为________m/s，竖直分量大小为________m/s；(2)根据图(b)中数据可得，当地重力加速度的大小为________m/s2。
(2)在竖直方向上，根据Δy＝gT2，解得当地的重力加速度
答案　(1)1.0　2.0　(2)9.7
【例10】 (2021·山东德州市高三期末)某实验小组用注射器和压强传感器探究一定质量的气体发生等温变化时遵循的规律，实验装置如图9所示。用活塞和注射器外筒封闭一定的气体，其压强可由左侧的压强传感器测得。
(1)关于该实验，下列说法正确的是________。A．该实验用控制变量法研究气体的变化规律B．实验时注射器必须水平放置C．注射器内部的橫截面积没必要测量D．注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位
(2)进行实验操作时，不能推拉活塞过快，其原因是____________________________________________________________________________________________。(3)该实验小组首先在甲实验室进行了实验，下表为记录的实验数据，其中有一次记录的实验数据错误，记录错误的是________(填错误数据对应的实验序号)。
解析　(1)该实验过程中控制气体的温度不变，即运用了控制变量法，故A正确；实验时注射器如何放置对实验结果没有影响，故B错误；实验中要探究的是压强与体积之间的比例关系，所以不需要测量气体的体积，注射器内部的横截面积没有必要测量，故C正确；注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，便于等量的改变体积，可以不标注单位，故D正确。(2)如果活塞推拉的过快，气体的温度将产生显著的变化，实验误差将增大。(3)由实验数据可知气柱长度与气柱压强的乘积基本恒定，前四组数据符合的很好，乘积在11.9～12.0之间，第5组数据的乘积较大，为15.2，说明第5组数据记录错误。(4)气体压强与气体的温度有关，一定量的气体，在相同体积下，温度越高，压强越大，故图像①是在温度稍高的乙实验室中测量获得的。答案　(1)ACD　(2)防止封闭气体温度发生改变　(3)5 (4)①
【例11】 (2021·湖南省高考模拟一)如图11甲所示，在“用双缝干涉测光的波长”的实验中，将实验仪器按要求安装在光具座上，并选用缝间距d＝0.20 mm的双缝屏。从仪器注明的规格可知，像屏与双缝屏间的距离L＝700 mm。然后，接通电源使光源正常工作。
(1)已知测量头上主尺的最小刻度是毫米，副尺(游标尺)上有20分度。某同学调整手轮后，从测量头的目镜看去，使分划板中心刻度线与某条纹A中心对齐，如图乙所示，此时测量头上主尺和副尺的示数情况如图丙所示，此示数为________mm；接着再转动手轮，使分划板中心刻度线与某条纹B中心对齐，测得A到B条纹间的距离为8.40 mm。利用上述测量结果，经计算可得经滤光片射向双缝的色光的波长λ＝________m(保留2位有效数字)。(2)另一同学按实验装置安装好仪器后，观察到光的干涉现象效果很好。若他对实验装置作了一下改动后，在像屏上仍能观察到清晰的条纹，且条纹数目有所增加。以下改动可能实现这个效果的是________。
A．仅将滤光片移至单缝和双缝之间 B．仅将单缝远离双缝移动少许C．仅将单缝与双缝的位置互换 D．仅将红色滤芯光片换成绿色的滤芯光片
解析　(1)图中游标卡尺的主尺的刻度为0，游标尺的第5刻度与上边对齐，则读数为：0 mm＋5×0.05 mm＝0.25 mm，
答案　(1)0.25　4.8×10－7　(2)D
1．(2021·辽宁省高考模拟)如图1所示，双缝干涉实验装置中，屏上一点P到双缝的距离之差为2.1 μm，若用单色光A照射双缝时，发现P点正好是从屏中间O算起的第四条暗条纹，换用单色光B照射双缝时，发现P点正好是从屏中间O算起的第三条亮条纹，则下列说法正确的是(　　)
A．单色光B的频率大于单色光A的频率B．单色光B的波长小于单色光A的波长C．单色光B的相邻亮条纹间的距离小于单色光A的相邻亮条纹间的距离D．用单色光A和B在同一单缝衍射的装置上做实验，在缝宽不变的情况下，单色光B更容易发生明显衍射
2．(2021·江西五市九校协作体第一次联考)某同学用如图2所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”。弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M，弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置。分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向。
(1)下列的实验要求中不必要的是________；A．细线AO与BO之间的夹角应尽可能大于90°B．改变拉力的大小与方向，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置C．细线应尽可能长一些D．应测量重物M所受的重力(2)图3的示数为________N；
(3)图4是在白纸上根据实验结果画出的力的图示，下列说法正确的是________。
A．图中的F′是力F1和F2合力的理论值B．图中的F是力F1和F2合力的理论值C．F是力F1和F2合力的实际测量值D．本实验将细线都换成橡皮条，同样能达到实验目的
答案　(1)AB　(2)3.80　(3)ACD解析　(1)细线AO与BO之间的夹角适当大一点，不一定需要大于90°，A错误；当结点O位置确定时，弹簧测力计A的示数也确定，由于重物的重力已确定，两力大小与方向均一定，因此弹簧测力计B的大小与方向也一定，所以不需要改变拉力多次实验，B错误；细线应尽可能长一些，能更加准确的记录力的方向，C正确；实验通过做出三个力的图示，来验证“力的平行四边形定则”，因此重物的重力必须要知道，D正确。(2)弹簧测力计读数，每1 N被分成10格，则1格就等于0.1 N。图指针落在3 N到4 N的第8格处，所以示数为3.80 N。
(3)F1与F2的合力的实际测量值等于下面悬挂重物的重力大小，方向与重力方向相反；而理论值是通过平行四边形定则得到的值。所以F是F1和F2的合力的实际值，F′是F1和F2的合力的测量值，B错误，A、C正确；本实验将细线都换成橡皮条，同样能达到实验目的，D正确。
3．(2021·湖北八市3月联考)某同学设计如图5甲所示实验装置探究质量一定时，加速度和力的关系。将一端带有定滑轮的长木板放在水平实验桌面上，长木板左端固定的位移传感器，可以测得滑块的位移，通过电脑将数据转换成滑块的位移－时间图线。滑块通过细线跨过定滑轮与力传感器相连，力传感器可直接测出细线中拉力大小，传感器下方悬挂钩码。
(1)下列说法正确的是________；A．细线必须与长木板平行B．细线的拉力就是滑块受到的合外力C．滑块的质量必须远大于钩码的质量(2)某次实验得到滑块的位移－时间图像如图乙所示，则滑块的加速度大小为________m/s2(结果保留2位有效数字)；(3)该同学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，如图丙所示，取重力加速度g＝10 m/s2，则滑块的质量为________kg，滑块与长木板之间的动摩擦因数μ＝________(结果均保留2位有效数字)。
解析　(1)为了保证滑块做匀加速直线运动，细线必须与长木板平行，A正确；因为没有平衡摩擦力，所以细线拉力不等于合外力，B错误；因为有拉力传感器，所以不需要满足滑块的质量必须远大于钩码的质量，C错误。
代入图乙数据解得a＝0.50 m/s2。
(3)将轨道倾斜，有F＋mgsin α－μmgcs α＝ma
轨道水平，有F－μmg＝ma将F＝2 N，a＝0代入得μ＝0.20。答案　(1)A　(2)0.50　(3)1.0　0.20
4．(2021·广东惠州市第三次调研)图6(a)是测量木块与木板间动摩擦因数的实验装置。接通电源，开启打点计时器，从斜面上某点释放木块，木块沿木板滑下，多次重复后选择点迹清晰的一条纸带如图(b)所示。图中0～4是选取的五个计数点，相邻两计数点的时间间隔为T，如图(b)所示，测出了两个计数点的间距s1和s4，重力加速度为g，完成下列填空：
(1)木块下滑的加速度大小为__________(用符号T、s1、s4表示)；(2)下列物理量中，还需测量的是________；A．木块的质量m B．木板的质量MC．木块下滑的时间t D．木板的倾角θ(3)木块与木板间的动摩擦因数为________(用以上测量物理量的符号表示)；(4)实验中发现动摩擦因数的测量值大于实际值，可能的一个原因是______________________________________________________________________。
(4)木块受到纸带阻力作用
解析　(1)根据逐差法有s4－s1＝3aT2
(2)根据牛顿第二定律mgsin θ－μmgcs θ＝ma
则要测量动摩擦因数还需要测量木板的倾角，故选D。
(3)木块与木板间的动摩擦因数为
(4)实验中发现动摩擦因数的测量值大于实际值，可能的一个原因是木块受到纸带阻力作用。
5．(2021·辽宁葫芦岛市期末)图7甲为在气垫导轨上验证机械能守恒定律的实验装置，将导轨调至水平，滑块装有宽度为d的遮光条，滑块包括遮光条总质量为M。细绳下端挂砝码，钩码的质量为m。滑块在钩码作用下先后通过两个光电门，用光电计时器记录遮光条通过光电门1和2各自的时间，可以计算出滑块通过光电门的速度v1和v2，用刻度尺测出两个光电门之间的距离s，重力加速度为g。
(1)该星球模拟实验舱内的重力加速度大小为______m/s2(结果保留2位有效数字)；(2)小球经过a位置时的速度大小为________m/s(结果保留3位有效数字)。
7．(2021·辽宁葫芦岛市高考一模)为了验证动量守恒定律，某同学使用如图9甲所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当两个刚性滑行器通过G1、G2光电门时，光束被滑行器上的挡光片遮挡的时间称为光电门的挡光时间。预先测得两滑行器连同挡光片的总质量分别为M、m(M＞m)，两挡光片宽度为D(两挡光片宽度相同)。该同学想在水平的气垫导轨上，只利用以上仪器验证动量守恒定律，请回答下列问题：(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺母，使气垫导轨水平。在不增加其他测量器材的情况下，调水平的步骤是：接通气垫导轨装置的电源，调节导轨下面的螺母，若滑行器M放在气垫导轨上的任意位置都能保持静止，或者轻推滑行器M，M分别通过光电门G1、G2的时间________，则导轨水平。
(2)用游标卡尺测量两挡光片的宽度如图乙所示，则D＝________mm。(3)将滑行器M静置于两光电门之间，将滑行器m置于光电门G1右侧，用手推动m，使m获得水平向左的速度经过光电门G1并与M发生碰撞且被弹回，再次经过光电门G1。光电门G1先后记录的挡
光时间为Δt11、Δt12，光电门G2记录的挡光时间为Δt2。在本次实验中，若表达式________________(用M、m、Δt11、Δt12、Δt2表示)在误差允许的范围内成立，则动量守恒定律成立。