验证性实验--2023高考物理实验题技法 (解析版）

这是一份验证性实验--2023高考物理实验题技法 (解析版），共19页。试卷主要包含了列表验证性实验，验证力的平等四边形定则，验证机械能守恒，验证动能定理等内容，欢迎下载使用。
验证性实验验证性实验就是在学生既得知识经验基础上设计出程式化实验方案,再由学生通过观察和操作,验证并巩固习得知识同时培养实验技能的实验方式。解读验证性实验验证性是每年高考的常考考点，源于教材而不限于教材，对实验原理、实验数据处理、实验仪器使用都是常考热点。常见验证性实验一、列表验证性实验实验名称实验原理实验装置数据处理方法验证力平行四边形定则两力的作用效果与一力相同作图法验证牛顿第二定律控制变量法验证：a∝Fa∝  图像法 验证机械能守恒定律Ep少=Ek增 从几条打下点的纸带中挑选出点迹清楚的纸带进行测量ΔEk= ,|ΔEp|=mgdn,vn=,计算对比→|ΔEp|与ΔEk验证动量守恒定律m1v1=m1v1'+m2v2' 落点距离分析 m1·OP=m1·OM+m2·ON  二、验证力的平等四边形定则  1.目的：验证平行四边形法则。2.器材：方木板一个、白纸一张、弹簧秤两个、橡皮条一根、细绳套两个、三角板、刻度尺,图钉几个。3.主要测量：a.用两个测力计拉细绳套使橡皮条伸长，绳的结点到达某点O。结点O的位置。记录两测力计的示数F1、F2。两测力计所示拉力的方向b．用一个测力计重新将结点拉到O点。记录 弹簧秤的拉力大小F及方向。4．作图：刻度尺、三角板5．减小误差的方法:a．测力计使用前要校准零点。b．方木板应水平放置。c．弹簧伸长方向和所测拉力方向应一致,并与木板平行.d．两个分力和合力都应尽可能大些.e．拉橡皮条的细线要长些,标记两条细线方向的两点要尽可能远些.f．两个分力间的夹角不宜过大或过小,一般取600---1200为宜三、验证机械能守恒1．原理：物体做自由落体运动，根据机械能守恒定律有：mgh=在实验误差范围内验证上式成立。2．实验器材：打点计时器，纸带，重锤，米尺，铁架台，烧瓶夹、低压交流电源、导线。3．实验条件：a．打点计时器应该竖直固定在铁架台b．在手释放纸带的瞬间，打点计时器刚好打下一个点子，纸带上最初两点间的距离约为2毫米。4．测量的量：a．从起始点到某一研究点之间的距离，就是重锤下落的高度h，则重力势能的减少量为mgh1；测多个点到起始点的高h1、h2、h3、h4（各点到起始点的距离要远一些好）b．不必测重锤的质量5．误差分析：由于重锤克服阻力作切，所以动能增加量略小于重力势能减少量6．易错点a．选择纸带的条件：打点清淅；第1、2两点距离约为2毫米。b.打点计时器应竖直固定，纸带应竖直四、验证动能定理1．实验原理(如图1所示)图1(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功为W.(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为2W.(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为3W.(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋时的速度，列表、作图，由图象可以确定功与速度变化的关系．2．实验器材橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉、刻度尺等．3．实验步骤(1)垫高木板的一端，平衡摩擦力．(2)拉伸的橡皮筋对小车做功：①用一条橡皮筋拉小车——做功W.②用两条橡皮筋拉小车——做功2W.③用三条橡皮筋拉小车——做功3W.(3)测出每次做功后小车获得的速度．(4)分别用各次实验测得的v和W绘制W－v或W－v2、W－v3、……图象，直到明确得出W和v的关系．4．实验注意事项(1)将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡．方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角．(2)测小车速度时，应选纸带上的点迹均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分．(3)橡皮筋应选规格一样的．力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值．(4)小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些．5．实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W的数值，而只是看第2次、第3次……实验中的W是第1次的多少倍，简化数据的测量和处理．(2)作W－v图象，或W－v2、W－v3图象，直到作出的图象是一条倾斜的直线.验证动量定理例题：（2020·全国Ⅰ卷·T23）某同学用如图所示的实验装置验证动量定理，所用器材包括：气垫导轨、滑块（上方安装有宽度为d的遮光片）、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。实验步骤如下：（1）开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时，可认为气垫导轨水平；（2）用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块（含遮光片）的质量m2；（3）用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接，并让细线水平拉动滑块；（4）令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动，和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12；（5）在遮光片随滑块从A运动到B的过程中，如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，拉力冲量的大小I=________，滑块动量改变量的大小Δp=________；（用题中给出的物理量及重力加速度g表示）（6）某次测量得到的一组数据为：d=1.000 cm，m1=1.5010-2 kg，m2=0.400 kg，△t1=3.90010-2 s，Δt2=1.27010-2 s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。计算可得I=________N·s，Δp=____ kg·m·s-1；（结果均保留3位有效数字）（7）定义，本次实验δ=________%（保留1位有效数字）。【答案】    ①. 大约相等    ②. m1gt12    ③.     ④. 0.221    ⑤. 0.212    ⑥. 4【解析】（1）[1]当经过A,B两个光电门时间相等时，速度相等，此时由于阻力很小，可以认为导轨是水平的。（5）[2]由I=Ft，知[3] 由知(6)[4]代入数值知，冲量[5]动量改变量（7）[6]由定义公式可得，本次实验验证动能定理例题：（2020·全国Ⅲ卷·T22） 某同学利用图（a）所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如图（b）所示。
 已知打出图（b）中相邻两点的时间间隔为0.02 s，从图（b）给出的数据中可以得到，打出B点时小车的速度大小vB=_____m/s，打出P点时小车的速度大小vP=_____m/s（结果均保留2位小数）。若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图（b）给出的数据中求得的物理量为_________。【答案】    ①. 0.36    ②. 1.80    ③. B、P之间的距离【解析】 [1][2]由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度[3]验证动能定理需要求出小车运动的过程中拉力对小车做的功，所以还需要测量对应的B、P之间的距离。 验证平行四边形定则例题．（2020·全国高三一模）物理小组的同学在老师指导下用两根完全相同的轻弹簧和重物验证力的平行四边形定则，他进行了如下操作（弹簧始终处于弹性限度内）：（1）用刻度尺测出弹簧的自由长度L0。（2）如图l所示，把重物通过细绳连接在弹簧下端，稳定后测出弹簧的长度L1。（3）如图2所示，用两根弹簧挂起重物，稳定时两弹簧与竖直方向的夹角均为60°，测出两弹簧的长度分别为L2、L3，若要验证力的平行四边形定则，需满足的条件是 ___。（4）如图3所示，他又把两弹簧调整到相互垂直，稳定后测出两弹簧的长度为L4、L5，若要验证力的平行四边形定则，需满足的条件是____。【答案】        【解析】（3）[1]当合力沿两个分力角平分线方向且两个分力夹角为，合力和两个分力大小相等，故弹簧形变量形同，长度相同，即；（4）[2]当两个分力相互垂直时，由勾股定理知：即：。训练题1、（2022·安徽合肥市高三下学期二模） 某实验小组利用下图装置验证系统机械能守恒。跨过定滑轮的轻绳一端系着物块A，另一端穿过中心带有小孔的金属圆片C与物块B相连，A和B质量相等。铁架台上固定一圆环，圆环处在B的正下方。将B和C由距圆环高为处静止释放，当B穿过圆环时，C被搁置在圆环上。在铁架台P1、P2处分别固定两个光电门，物块B从P1运动到P2所用的时间t由数字计时器测出，圆环距P1的高度，P1，P2之间的高度，重力加速度g取9.8m/s2。
 （1）B穿过圆环后可以视为做_______直线运动；（2）为了验证系统机械能守恒，该系统应选择_______（选填“A和B”或“A、B和C”）；（3）测得B通过P1P2的时间，A、B的质量均为0.3kg，C的质量为0.2kg，则该实验中系统重力势能减少量为_______，系统动能增加量为_______，系统重力势能减少量与系统动能增加量有差别的原因是_______（结果保留三位有效数字）【答案】    ①. 匀速    ②. A、B和C    ③. 1.37J    ④. 1.32J    ⑤. 摩擦阻力和空气阻力对系统做了负功【解析】（1）[1]因为A质量和B质量相等，B穿过圆环后，忽略绳子与滑轮间的摩擦力以及空气阻力，B穿过圆环后可以视为做匀速运动；（2）[2]由图可知，B、C减小的重力势能转化为A的重力势能以及A、B、C的动能，可知为了验证系统机械能守恒，该系统应选择A、B和C；（3）[3][4][5]由题意知、A、B、C到达圆环时的速度A、B、C到达圆环时重力势能减少量为A、B、C到达圆环时动能增加量为系统重力势能减少量与系统动能增加量有差别的原因是摩擦阻力和空气阻力对系统做了负功。2、（2022·福建福州市高三下学期三月质检） 利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图甲所示。实验步骤如下：①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m②将气垫导轨右端调节高些，以平衡摩擦力③用游标卡尺测量挡光条的宽度d④用刻度尺测出两光电门A、B中心之间的距离s⑤用天平测出滑块和挡光条的总质量M、托盘和砝码的总质量m⑥接通气源，将滑块移至光电门A右侧某处，待托盘和砝码静止不动时，释放滑块，且要求托盘和砝码落地前挡光条已通过光电门B⑦从数字计时器（图中未画出）上分别测得挡光条通过光电门A和光电门B挡光所用的时间ΔtA和ΔtB⑧用公式ΔEP=mgs'计算出系统重力势能减少量，用公式ΔEK计算出系统动能的增加量，通过比较ΔEP和ΔEK是否相等，就能验证该过程系统机械能是否守恒。上述实验②步骤有错，应改为________；实验⑧步骤中ΔEK表达式有错，应改为________。某次测量挡光条宽度如图乙所示，其读数d=________×10-3m。【答案】    ①. 将气垫导轨调到水平    ②.     ③. 9.50【解析】 [1]上述实验②步骤有错，应改为将气垫导轨调到水平；[2]从数字计时器（图中未画出）上分别测得挡光条通过光电门A和光电门B挡光所用的时间ΔtA和ΔtB，经过两光电门的速度动能变化[3] 读数3、（2022·广东肇庆市高三下学期三模） 某同学用如图甲所示的装置做“验证动能定理”实验，实验操作如下：（1）用50分度的游标卡尺测量固定在小车上的遮光片宽度如图乙所示，则遮光片的宽度d=______mm；（2）调节长木板的倾角，将小车放在长木板靠近滑轮的一侧，砂桶用细绳跨过定滑轮挂在小车上并使细绳平行于长木板。调整砂桶内砂子的质量，使小车以某一初速度沿长木板向下运动时，通过两个光电门的时间相等。取下细绳和砂桶，用天平称得砂桶和砂的总质量为m。再将小车在靠近滑轮的位置由静止释放，小车通过光电门1和光电门2时显示的时间分别为t1、t2，已知重力加速度为g，小车与遮光片的总质量为M，两光电门间的距离为l，则小车从通过光电门1到通过光电门2的过程中，动能的增加量为____________，小车所受合为___________。若满足等式___________，则动能定理得以验证；（结果均用已知字母表示）（3）若实验过程中，保证小车能够沿长木板下滑但不满足m<<M，则对实验结果__________（选填“无影响”或“有影响”）。【答案】    ①. 4.20    ②.     ③. mg    ④.     ⑤. 无影响【解析】（1）[1] 游标卡尺读数是主尺读数（mm的整数倍）加上游标尺的读数（mm的小数位），由图可读出为（2）[2] 小车通过光电门1到通过光电门2时的瞬时速度分别为，则小车动能的增加量为[3]挂上砂桶时小车向下通过两个光电门的时间相等，说明是匀速运动，由平衡条件取下细绳和砂桶后，小车向下加速运动联立可得小车所受合为[4]对小车从通过光电门1和光电门2的过程，若动能定理成立，则合外力对小车做的功等于小车动能的增加量，即（3）[5]本实验中利用代换的方法，将小车沿斜面向下加速运动的合力巧妙的用小车匀速下滑时的砂和砂桶的总重量进行代换，所以实验不满足m<<M，对实验无影响。4、（2022·河北石家庄市高三下学期二模）某同学利用如图甲所示的气垫导轨装置验证机械能守恒定律。实验步骤如下：（1）先测出弹簧原长，由图乙中刻度尺和弹簧测力计的示数，可知弹簧的劲度系数k=______N/m；（2）将两个宽度均为d的挡光片固定在两个滑块a、b上，测出两滑块（含挡光片）的质量分别为、；（3）调节气垫导轨水平，a、b中间通过细线锁定压缩的弹簧（弹簧与两滑块不拴接），测出此时弹簧的长度为L，在a、b外侧一定距离处分别固定有光电门A、B。现烧断细线，测得滑块a经过光电门A的时间为，滑块b经过光电门B的时间为，已知弹簧恢复原长时两滑块尚未运动到光电门处，弹簧的弹性势能（x为弹簧的形变量），则只需等式______成立，即可验证弹簧和两滑块组成的系统机械能守恒。（用题中所测物理量的符号表示）【答案】    ①. 120    ②. 【解析】（1）[1]由图可知弹簧长度L=8.50cm，弹力F=3.0N，则 （2）[2]两滑块经过光电门时的速度为弹簧的弹性势能则要验证的关系是即5、（2020·桂梧高中高一月考）在做“探究力的平行四边形定则”实验时：(1)在该实验中，合力与分力的概念是一种____的科学思想方法。 (2)除已有的器材（方木板、白纸、弹簧秤、细绳套、刻度尺、三角板、图钉和铅笔）外，还必须有____________。(3)要使每次合力与分力产生相同的效果，必须______。A．每次将橡皮条拉到同样的位置 B．每次把橡皮条拉直C．每次准确读出弹簧秤的示数D．每次记准细绳的方向(4)在“验证力的平行四边形定则”实验中，某同学的实验结果如图所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳结点的位置。图中________是力F1与F2的合力的理论值；______是力F1与F2的合力的实验值。通过把________和________进行比较，验证平行四边形定则。【答案】等效替代    橡皮条    A    F    F′    F    F′    【解析】(1)[1]该实验中是通过两次拉同一根橡皮筋到同一点O来实验效果相同的，故实验采用了等效替代的思想方法建立合力与分力的概念；(2)[2]做探究共点力合成的规律实验：我们是让两个力拉橡皮条和一个力拉橡皮条产生的作用效果相同，测出两个力的大小和方向以及一个力的大小和方向，用力的图示画出这三个力，用平行四边形做出两个力的合力的理论值，和那一个力进行比较．所以我们需要的实验器材有：方木板（固定白纸），白纸（记录方向画图）、刻度尺（选标度）、绳套（弹簧秤拉橡皮条）、弹簧测力计（测力的大小）、图钉（固定白纸）、三角板（画平行四边形），橡皮条（让力产生相同的作用效果的），所以还需要橡皮条；(3)[3]要使每次合力与分力产生相同的效果，每次将橡皮条拉到同样的位置，即用一个力与用两个力的作用效果相同，故BCD错误，A正确；故选A。(4)[4][5] F1与F2合成的理论值是通过平行四边形定则算出的值，而实际值是单独一个力拉O点的时的值，因此F是F1与F2合成的理论值，F′是F1与F2合成的实际值；[6][7]通过把理论合力F和实际合力F′进行比较，验证平行四边形定则。6．（2020·全国高一课时练习）如图所示装置可用来验证机械能守恒定律。长度为L的轻绳一端固定在O点，另一端系一摆锤A，在A上放一个小铁片。现将摆锤拉起，使绳偏离竖直方向角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P阻挡而停止运动，这时铁片将做平抛运动而飞离摆锤，用刻度尺量出铁片的水平位移为x，下落高度为H。(1)要验证摆锤在运动中机械能守恒，必须求出摆锤初始位置离最低点的高度，其高度应为________，同时还应求出摆锤在最低点时的速度，其速度应为__________。(2)用实验中测量的物理量写出验证摆锤在运动中机械能守恒的关系式为__________。【答案】            【解析】(1)[1][2]由几何关系得，摆锤下落的高度因为摆锤与铁片一起运动到最低点，所以摆锤在最低点时的速度等于铁片做平抛运动的初速度v，由得(2)[3]设摆锤总质量为m，若在运动中机械能守恒，应满足即整理得7．（2020·浙江学军中学高三月考）在“验证机械能守恒定律”实验中，实验桌上已有铁架台、纸带，重锤（带夹子），刻度尺等实验器材。（1）要能完成实验还需一个不可缺少的器材，它是______；（2）如图所示是某次实验中得到的纸带及刻度尺的照片，实验中重锤的质量，重力加速度，、为“2”、“6”计数点对应的重锤瞬时速度大小，为“2”、“6”两计数点的间距，则能否只利用该条纸带的数据，通过等式是否成立来验证机械能守恒？答：______（填“能”或“不能”）。【答案】打点计时器；    不能    【解析】(1)[1]利用打点计时器打出的点迹可以计算得出某点的速度，可以测出两点间的长度；所以要完成实验还需一个不可缺少的器材是打点计时器；(2)[2]若机械能守恒，则应该满足故通过不能验证机械能守恒。8．（2019·重庆高一期末）某学习小组的同学验证“动能定理”在实验室组装了一套装置如图1所示，把实验器材安装好，不挂钩码，反复移动垫木直到小车做匀速直线运动，把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂质量为的钩码，接通电源，放开小车，电火花计时器在被小车带动的纸带打下一系列点。选取的实验纸带记录如图2所示，图中点迹为计数点，相邻两计数点间时间间隔为，并测量出，及计数点“1” 、“2”间距离。已知小车质量为，当地重力加速度为。（）  (1)打下计数点“1”时，纸带的速度大小______；打下计数点“2”时，纸带的速度大小____。(2)若在实验误差允许范围内，关系式______成立，则验证了“动能定理”。【答案】            【解析】(1)[1][2]打下计数点“1”时，纸带的速度大小打下计数点“2”时，纸带的速度大小(2)[3]从打下计数点“1”到打下计数点“2”，小车动能的增量已平衡摩擦，又，可认为小车受到的合力等于，从打下计数点“1”到打下计数点“2”，合力对小车做的功，要验证“动能定理”，则验证在实验误差允许范围内，是否成立。9．（2020·湖南长郡中学高三月考）某高三物理实验小组利用气垫导轨进行“验证动能定理”实验。实验装置如图甲所示，气垫导轨的两个底脚间距为L，右侧底脚距桌面的高度为h，两光电门A、B中心的距离为s，重力加速度为g。(1)用螺旋测微器测滑块上遮光条的宽度d，其示数如图乙所示，则d=____________mm。(2)释放滑块，测定遮光条分别经过光电门A、B的时间tA、tB，当各已知量和测定量之间满足表达式____________时，即说明滑块在光电门A、B间的运动过程满足动能定理。(3)若需要多次重复实验来验证，则每次实验中____________（填“需要”或“不需要”将滑块从同一位置释放。【答案】6. 800        不需要    【解析】（1）[1]螺旋测微器的主尺刻度为6.5mm，螺旋尺刻度为30.0×0.01mm=0.300mm，所以遮光条的宽度：；（2）[2]滑块经过光电门A的速度，经过光电门B的速度，滑块在光电门间运动过程，动能的变化量：，合外力做功，若运动中满足动能定理，则需满足，即满足，即可说明滑块在光电门A、B间的运动过程满足动能定理；（3）由于本实验中每次都可以计算出经过光电门的速度，则不需要满足每次经过光电门的速度相同，故不需要每次实验中将滑块从同一位置释放。10.【2019·江苏卷】某兴趣小组用如图1所示的装置验证动能定理．（1）有两种工作频率均为50 Hz的打点计时器供实验选用：A．电磁打点计时器B．电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择       （选填“A”或“B”）；（图1）（2）保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔．实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动．同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除．同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动．看法正确的同学是     （选填“甲”或“乙”）；（3）消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码．接通打点计时器电源，松开小车，小车运动；纸带被打出一系列点，其中的一段如图2所示。图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度vA=      m/s；（图2）（4）测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L．小车动能的变化量可用ΔEk=算出．砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g；实验中，小车的质量应      （选填“远大于”“远小于”或“接近”）砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用W=mgL算出，多次测量，若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理。【答案】（1）B  （2）乙  （3）0.31（0.30~0.33都算对）  （4）远大于【解析】（1）为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选电火花打点计时器即B；（2）当小车开始运动时有小车与木板间的摩擦为最大静摩擦力，由于最大静摩擦力大于滑动摩擦力，所以甲同学的看法错误，乙同学的看法正确；（3）由图可知，相邻两点间的距离约为0.62 cm，打点时间间隔为0.02 s，所以速度为；（4）对小车由牛顿第二定律有：，对砝码盘由牛顿第二定律有：，联立解得：，当时，有：，所以应满足：。【名师点评】本题通过验证动能定理的实验考查了打点计时器的选用、纸带处理及误差分析等，考查了考生的实验能力。体现了科学探索素养中的证据、解释、交流等要素。