2021高考物理二轮复习第14讲力学实验课件

这是一份2021高考物理二轮复习第14讲力学实验课件，共60页。PPT课件主要包含了-2-，-3-，-4-，第14讲力学实验，-6-，知识脉络梳理，规律方法导引，-7-，-8-，-9-等内容，欢迎下载使用。

1.知识规律(1)能够利用打点计时器的力学实验
(2)利用纸带求瞬时速度的方法在匀变速直线运动中,利用物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求解。测出与第n点相邻的前、后两段相等时间T内的距离xn和xn+1,
此法求得物体瞬时速度的。
(3)利用纸带求加速度的方法①利用a= 求解:在已经判断出物体做匀变速直线运动的情况下可利用Δx=xn+1-xn=aT2求加速度a。②逐差法:如图所示,由xm-xn=(m-n)aT2
b.确定各计数点的坐标值(T,v1)、(2T,v2)、…、(nT,vn)。c.画出v-t图像,图线的斜率为物体做匀变速直线运动的加速度。(4)利用纸带判断物体做匀变速直线运动的方法若相邻两计数点之间的距离满足Δx=x2-x1=x3-x2=…=xn-xn-1=aT2(恒量),说明物体做匀变速直线运动。2.思想方法(1)物理思想:等效替代思想、控制变量思想。(2)物理方法:等效替代法、控制变量法、逐差法、平均值法、图像法。
游标卡尺和螺旋测微器读数主要以填空题的形式考查游标卡尺和螺旋测微器的读数。例1(1)某同学用自己发明的新式游标卡尺测量小钢球的直径,新式卡尺将主尺上 39 mm在游标尺上均分成20等份。如图甲所示,则小钢球的直径为d=　　　　cm。 (2)该同学又用螺旋测微器测量某电阻丝的直径,示数如图乙所示,则该金属丝的直径为　　　　mm。 
答案:(1)1.035 (2)1.195(±0.002)解析:(1)游标卡尺上精确度为 mm=0.05 mm,所以d=10 mm+0.05 mm×7=10.35 mm=1.035 cm。(2)金属丝的直径d'=1 mm+0.01 mm×19.5=1.195 mm。
规律方法游标卡尺和螺旋测微器读数时应注意的问题(1)10分度的游标卡尺,以mm为单位,小数点后只有1位。20分度和50分度的游标卡尺以mm为单位,小数点后有2位。(2)游标卡尺在读数时,先读主尺数据,再读游标尺数据,最后两数相加。游标卡尺读数不估读。(3)不要把游标尺的边缘当成零刻度,而把主尺的刻度读错。(4)螺旋测微器读数时,要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出;读数要准确到0.01 mm,估读到0.001 mm,即结果若以mm为单位,则小数点后必须有三位数字。
拓展训练1某同学测定一金属杆的长度和直径,示数如图甲、乙所示,则该金属杆的长度和直径分别为　　　cm和　　　　mm。 
答案:60.10　4.20解析:刻度尺的最小刻度为0.1 cm,因此读数应为60.10 cm;游标卡尺是50分度,精确到0.02 mm,因此读数为4.20 mm。
纸带类实验的处理方法主要考查利用处理纸带的思想来解决实际问题。例2研究小车做匀变速直线运动的实验装置如图甲所示,其中斜面倾角θ可调。打点计时器的工作频率为50 Hz。小车运动打出的纸带上计数点的间距如图乙所示,其中每相邻两点之间还有4个记录点未画出。
(1)部分实验步骤如下:A.测量完毕,关闭电源,取出纸带。B.接通电源,待打点计时器工作稳定后放开小车。C.将小车停靠在打点计时器附近,小车尾部与纸带相连。D.把打点计时器固定在平板上,让纸带穿过限位孔。上述实验步骤的正确顺序是　　　　　(用字母填写)。 (2)图乙中标出的相邻两计数点间的时间间隔T=　　　　 s。 (3)计数点5对应的瞬时速度大小计算式为v5=　　　　。 (4)为了充分利用记录数据,减小误差,小车加速度大小的计算式应为a=　　　　　　　　　　　　　。 
答案:(1)DCBA(2)0.1
解析:(2)每隔4个点或每5个点取一个计数点时,相邻计数点的时间间隔均为0.1 s。
例3某实验小组用如图甲所示的实验装置进行实验,重物通过滑轮用细绳拉小车,在小车和重物之间接一个轻质微型力传感器,位移传感器发射器随小车一起沿水平轨道运动,位移传感器接收器固定在轨道一端,滑轮左侧细绳与轨道平行,实验中力传感器的示数为F,保持小车(包括位移传感器发射器)的质量不变,改变重物重力重复实验若干次,得到加速度与外力的关系如图乙所示。
乙 丙(1)图乙中的a-F图线不过原点,表明实验之前缺少的一个必要步骤是　　　　　　　　　。 
(2)本实验是否需要使所挂重物的质量远小于小车(包括位移传感器发射器)的质量?　　　　(选填“是”或“否”),原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)若某同学做该实验时,没有选用位移传感器和力传感器,只是把重物用细绳绕过定滑轮与小车相连,实验获得的a-F图线仍是图乙。所挂重物越重,细绳拉小车的力将越大,结果会使a-F图线不断延伸,如图丙所示,预测延伸后半部分的图线将会是　　　　(选填“①”“②”或“③”)。 思维导引
答案:(1)平衡摩擦力　(2)否　小车所受合外力可以通过力传感器直接读出　(3)①解析:(1)刚开始力传感器示数为零时,小车保持静止,说明实验前,没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。(2)不需要使所挂重物的质量远小于小车(包括位移传感器发射器)的质量,因为小车所受合外力可以通过力传感器直接读出。
例4如图甲所示的装置可用于探究恒力做功与速度变化的关系。水平轨道上安装两个光电门,小车上固定有力传感器和挡光板,细线一端与力传感器连接,另一端跨过定滑轮挂上砝码盘。实验首先保持轨道水平,通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力,再进行后面的操作,并在实验中获得以下测量数据:小车、力传感器和挡光板的总质量m,平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0,挡光板的宽度d,光电门1和2的中心距离s。
(1)该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量　　　　　　(选填“需要”或“不需要”)。 (2)实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度d,如图乙所示,d=　　　　mm。 (3)某次实验过程:力传感器的读数为F,小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2(小车通过光电门2后,砝码盘才落地),已知重力加速度为g,则对该小车实验要验证的表达式是　　　　　　　。 思维导引
答案:(1)不需要(2)5.50
解析:(1)不需要,因为有力传感器,可直接测出拉力的大小,而不必根据砝码和砝码盘的总重力约等于拉力来计算。(2)挡光板的宽度d=5 mm+0.05 mm×10=5.50 mm。(3)以小车作为研究对象,小车所受的合力为F-m0g,根据动能定理有
例5某实验小组利用如图所示的装置进行实验,钩码A和B分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端,钩码质量均为m0,在A的上面套一个比它大一点的环形金属块C,在距地面h1处有一宽度略比A大一点的狭缝,钩码A能通过狭缝,环形金属块C不能通过。开始时A距离狭缝的高度为h2,放手后,A、B、C从静止开始运动。
(1)利用计时仪器测得钩码A通过狭缝后到落地用时t1,则钩码A通过狭缝的速度为　　　　(用题中字母表示)。 (2)若通过此装置验证机械能守恒定律,还需测出环形金属块C的质量m,当地重力加速度为g。若系统的机械能守恒,则需满足的等式为　　　　　　　　　　　　(用题中字母表示)。 (3)为减小测量时间的误差,有同学提出如下方案:实验时调节h1=h2=h,测出钩码A从释放到落地的总时间t,来计算钩码A通过狭缝的速度,你认为可行吗?若可行,写出钩码A通过狭缝时的速度表达式;若不可行,请简要说明理由。　　　　　　,　　　　　　。 
规律方法纸带类问题是力学实验中出现率最高的内容,多以教材实验为蓝本进行升级变形,从整体角度看,力学中的四个打点描迹类实验都存在共性,因此在某种程度上可以实现“一个装置多种用途”的效果。
从测定物理量角度看,可以以最基本的实验逐渐升华到探究测量多个物理量的效果,创新的流程主要如下。
在计算中还涉及有效数字,所以审题要严谨细心。
拓展训练2(2020·全国卷Ⅲ)某同学利用图甲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乙所示。已知打出图乙中相邻两点的时间间隔为0.02 s,从图乙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,还需要从图乙给出的数据中求得的物理量为　　　　　　　。 
答案:0.36　1.80　B、P之间的距离解析:本题属于创新性实验探究题,意在考查对验证动能定理的实验原理的理解及数据处理能力。根据中间时刻的瞬时速度等于
橡皮条、弹簧类实验的处理方法主要考查胡克定律以及力的平行四边形定则。例6某同学做探究弹力和弹簧伸长量的关系的实验。
(1)图甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,其示数为7.73 cm;图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度,此时弹簧的伸长量Δl为　　　　 cm。 (2)本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力,关于此操作,下列选项中规范的做法是　　　　。(填选项前的字母) A.逐一增挂钩码,记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重B.随意增减钩码,记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重(3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线,图线的AB段明显偏离直线OA,造成这种现象的主要原因是　 。 
答案:(1)6.93(6.92~6.94)(2)A(3)超过弹簧的弹性限度解析:(1)题图甲示数为7.73 cm,题图乙示数为14.66 cm,弹簧的伸长量Δl=(14.66-7.73) cm=6.93 cm。(2)逐一增挂钩码,弹簧的伸长量逐渐地增大,不会出现超过弹性限度的情况,选项A正确。(3)当超过弹簧的弹性限度时,弹力与弹簧伸长量不再成正比。
例7小明通过实验验证力的平行四边形定则。(1)实验记录纸如图甲所示,O点为橡皮条被拉伸后伸长到的位置,两弹簧测力计共同作用时,拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点;一个弹簧测力计拉橡皮条时,拉力F3的方向过P3点。三个力的大小分别为F1=3.30 N、F2=3.85 N和F3=4.25 N。请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力。
(2)仔细分析实验,小明怀疑实验中的橡皮条被多次拉伸后弹性发生了变化,影响实验结果。他用弹簧测力计先后两次将橡皮条拉伸到相同长度,发现读数不相同,于是进一步探究了拉伸过程对橡皮条弹性的影响。
实验装置如图乙所示,将一张白纸固定在竖直放置的木板上,橡皮条的上端固定于O点,下端N挂一重物,用与白纸平行的水平力缓慢地移动N,在白纸上记录下N的轨迹。重复上述过程,再次记录下N的轨迹。
两次实验记录的轨迹如图丙所示,过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点,则实验中橡皮条分别被拉伸到a和b时所受拉力Fa、Fb的大小关系为　　　　　　　　。 
(3)根据(2)中的实验,可以得出的实验结果有哪些?(填写选项前的字母)　　　　。 A.橡皮条的长度与受到的拉力成正比B.两次受到的拉力相同时,橡皮条第2次的长度较长C.两次被拉伸到相同长度时,橡皮条第2次受到的拉力较大D.两次受到的拉力相同时,拉力越大,橡皮条两次的长度之差越大(4)根据小明的上述实验探究,请对验证力的平行四边形定则实验提出两点注意事项。
答案:(1)(见下图,F合=4.60~4.90 N都算对)(2)Fa=Fb　(3)BD(4)橡皮条拉伸不宜过长;选用新橡皮条。(或:拉力不宜过大;选用弹性好的橡皮条;换用弹性好的弹簧。)
解析:(1)作出力F1、F2和合力的图示如答案图所示;经测量可得合力大小为4.70 N。(2)橡皮条被拉伸到a(或b)时,根据平衡条件,因重物的重力一定,橡皮条与竖直方向的夹角一定,如图所示,则橡皮条受的拉力
(3)由(2)可知橡皮条的长度与受的拉力不是正比关系,橡皮条第2次的长度较长,但受到的拉力与第1次相同,选项A错误,B正确;若两次被拉伸到相同长度,第2次橡皮条与竖直方向的夹角小,由FT= 可知,第2次受的拉力较小,选项C错误;拉力越大时,橡皮条与竖直方向的夹角越大,由题图可知,橡皮条两次的长度之差越大,选项D正确。
规律方法验证力的平行四边形定则操作注意事项用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置),用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O必须在同一位置)。
拓展训练3小莉和她的同学利用简易实验器材,一把刻度尺,一质量为m=300 g的重物,测量自己头发丝能承受的最大拉力,并与网上获取的正常数据进行对比(头发能承受的拉力随年龄变化;20岁组,头发能承受的拉力最大,平均约1.72 N;30岁组,平均约1.50 N……),实验步骤如下:(1)水平固定刻度尺;(2)用手指尖紧握头发丝两端,用刻度尺测量出两手指尖之间的头发丝长度l=50.00 cm;
(3)将重物通过细绳挂在头发丝上,两手缓慢沿刻度尺水平移动,直至头发丝恰好被拉断。从刻度尺上读出两手指尖之间的距离d=30.00 cm。(重力加速度g取10 m/s2,挂钩光滑且质量不计)由以上数据可知所用刻度尺最小刻度为　　　　;头发丝的拉力表达式F=　　　　　　　(用以上物理量符号表示);利用所测数据可获得最大拉力为　　　　 N(保留三位有效数字),在正常范围。 
解析:根据读数l=50.00 cm,说明最小分度应为1 mm;设头发与刻度尺之间的夹角为θ,由图中的几何关系可知,
代入数据得F=1.88 N。
1.(2019·全国卷Ⅲ)甲、乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中,甲同学负责释放金属小球,乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。已知相机每间隔0.1 s拍1幅照片。(1)若要从拍得的照片中获取必要的信息,在此实验中还必须使用的器材是　　　。(填正确答案标号) A.米尺　　　B.秒表C.光电门D.天平(2)简述你选择的器材在本实验中的使用方法。答:　　　　　。 (3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5 cm、ac=58.7 cm,则该地的重力加速度大小为g=　　　　　　　 m/s2。(保留2位有效数字) 
答案:(1)A(2)将米尺竖直放置,使小球下落时尽量靠近米尺(3)9.7
2.(2019·河北沧州模拟)某探究小组用能够显示并调节转动频率的小电动机验证匀速圆周运动的向心力关系式F=mrω2。
(1)把转动频率可调的小电动机固定在支架上,转轴竖直向下,将摇臂平台置于小电动机正下方的水平桌面上;(2)在转动轴正下方固定一不可伸长的细线,小电动机转轴与细线连接点记为O。细线另一端穿过小铁球的球心并固定;
(3)启动电动机,记录电动机的转动频率f,当小球转动稳定时,将摇臂平台向上移动,无限接近转动的小球;(4)关闭电动机,测量O点到摇臂平台的高度h;(5)改变电动机的转动频率,重复上述实验。探究小组的同学除了测量以上数据,还用游标卡尺测量了小球的直径D,如图所示,读数为　　　　 mm;本实验　　　　(选填“需要”或“不需要”)测量小球的质量; 请你根据所记录的O点到摇臂平台的高度h和小球的直径D计算,若所测物理量满足g=　　　　,则F=mrω2成立。(用所测物理量符号表示) 
3.(2018·全国卷Ⅱ)某同学用图甲所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数,跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧测力计相连,滑轮和木块间的细线保持水平,在木块上方放置砝码。缓慢向左拉动水平放置的木板,当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时,弹簧测力计的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小。某次实验所得数据在下表中给出,其中Ff4的值可从图乙中弹簧测力计的示数读出。
回答下列问题:(1)Ff4=　　　　 N; (2)在图丙的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出Ff-m图线;(3)Ff与m、木块质量m0、木板与木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式为Ff=　　　　,Ff-m图线(直线)的斜率的表达式为k=　　　　; (4)取g=9.80 m/s2,由绘出的Ff-m图线求得μ=　　　　。(保留2位有效数字) 
答案:(1)2.75(2)如图所示(3)μ(m0+m)g　μg(4)0.40
4.为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个小球的碰撞是否为完全弹性碰撞(碰撞过程中没有机械能损失),某同学选取了两个体积相同、质量不等的小球,按下述步骤做如下实验:
①用天平测出两个小球的质量分别为m1和m2,m1>m2;②按照如图所示安装好实验装置。将斜槽固定在桌边,使槽的末端点的切线水平,将一斜面BC连接在斜槽末端;③先不放小球m2,让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,记下小球在斜面上的落点位置;
④将小球m2放在斜槽前端边缘处,让小球m1仍从斜槽顶端A处由静止开始滚下,使它们发生碰撞,记下小球m1和小球m2在斜面上的落点位置;⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端点B的距离。图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的几个落点位置,它们到B点的距离分别为lD、lE、lF。根据该同学的实验,回答下列问题:(1)在没有放m2时,让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,m1的落点是图中的　　　　点; (2)用测得的物理量来表示,只要满足关系式　　　　　　　　　,则说明碰撞中动量是守恒的; (3)用测得的物理量来表示,只要再满足关系式　　　　　　　　,则说明两小球的碰撞是弹性碰撞。 
(3)m1lE=m1lD+m2lF
力学创新实验分析技巧【典例示范】 用如图所示的实验装置测量滑块A与木板间的动摩擦因数。长木板水平固定,细线跨过定滑轮与滑块A、重锤B相连。将细线拉直,测出B离地面的高度h,将重锤从h高处由静止释放,B落地后,测出A在木板上滑动的距离x;改变B释放高度重复实验,实验数据如下表所示。
(1)若测得A的质量mA=3 kg,B的质量mB=1 kg,A和B间细线的长度l0=112.0 cm,木板的长度l=98.0 cm,要达到实验目的,以上四个量中没有必要测量的是　　　(用物理量的符号表示)。 (2)作出x随h变化的图像。(3)由(2)中作出的图像并结合(1)中所测数值求得滑块与木板间的动摩擦因数为　　　。 
答案:(1)l0、l(2)见解析图(3)0.2解析:(1)由题意可知,B距地面的高度h,A在木板上滑行的距离x,A、B的质量mA、mB。从静止释放让它们运动到B着地,根据动能定理得
可知没有必要测量l0和l。
(2)作出x随h变化的图像如图所示。
以题说法力学创新类实验主要有以下几个考向1.实验器材的等效替换也是高考创新实验设计的主要思路之一,从近几年的高考命题来看,在测量物体的速度时常涉及实验器材的等效替换,如利用光电门替代纸带来测量物体的加速度、速度,还有利用闪光照相机等替代打点计时器。2.通过纸带求出小车的加速度,然后再利用牛顿第二定律求出小车与木板间的动摩擦因数,这是一种实验结论的外延,从近几年的力学实验来看,通过实验结论求动摩擦因数是实验设置的一个热点,且主要出现在两个地方,一是伴随着研究匀变速直线运动的实验出现,二是伴随着验证牛顿运动定律实验出现。
3.有一些实验题虽然在试题的情境上进行了创新,但其使用的实验原理和实验处理方法仍然不变,因此,对于创新型实验的处理,最根本的还是要把其从新情境中抽出来,找出与常规实验的相同之处,然后运用熟悉的实验原理和实验数据处理方法进行处理。
针对训练 (2019·北京卷)用如图甲所示装置研究平抛运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出,落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板,重新释放钢球,如此重复,白纸上将留下一系列痕迹点。
(1)下列实验条件必须满足的有　　　。 A.斜槽轨道光滑B.斜槽轨道末段水平C.挡板高度等间距变化D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(2)为定量研究,建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。a.取平抛运动的起始点为坐标原点,将钢球静置于Q点,钢球的　　　　(选填“最上端”“最下端”或“球心”)对应白纸上的位置即为原点;在确定y轴时　　　　(选填“需要”或“不需要”)y轴与重垂线平行。 
b.若遗漏记录平抛轨迹的起始点,也可按下述方法处理数据:如图乙所示,在轨迹上取A、B、C三点,AB和BC的水平间距相等且均为x,
(已知当地重力加速度为g,结果用上述字母表示)。 
(3)为了得到平抛物体的运动轨迹,同学们还提出了以下三种方案,其中可行的是　　　。 A.从细管水平喷出稳定的细水柱,拍摄照片,即可得到平抛运动轨迹B.用频闪照相在同一底片上记录平抛小球在不同时刻的位置,平滑连接各位置,即可得到平抛运动轨迹C.将铅笔垂直于竖直的白纸板放置,笔尖紧靠白纸板,铅笔以一定初速度水平抛出,将会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹
(4)伽利略曾研究过平抛运动,他推断:从同一炮台水平发射的炮弹,如果不受空气阻力,不论它们能射多远,在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体　　　。 A.在水平方向上做匀速直线运动B.在竖直方向上做自由落体运动C.在下落过程中机械能守恒(5)牛顿设想,把物体从高山上水平抛出,速度一次比一次大,落地点就一次比一次远,如果速度足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星。同样是受地球引力,随着抛出速度增大,物体会从做平抛运动逐渐变为做圆周运动,请分析原因。
(3)AB(4)B(5)物体初速度较小时,运动范围很小,引力可以看作恒力,即重力,物体做平抛运动;随着物体初速度增大,运动范围变大,引力不能再看作恒力;当物体初速度达到第一宇宙速度时,物体做圆周运动而成为地球卫星。
解析:(1)斜槽的作用是提供一个恒定的水平速度,水平速度要求斜槽轨道末段水平,B正确;速度大小恒定,则要求每次从斜槽上相同的位置无初速度释放,对斜槽轨道是否光滑无要求,根据动能定理,每次合外力做功相同,就会获得相同大小的速度,A错误、D正确;记录平抛运动轨迹,对挡板高度变化无要求,C错误。(2)a.平抛运动的起点是球心,确定y轴时需要用重垂线确定,y轴平行于重垂线。