2022届高三物理二轮复习课件：专题六　第一讲　力学实验

这是一份2022届高三物理二轮复习课件：专题六　第一讲　力学实验，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，体系构建•真题感悟，知识回顾构建网络，感悟高考真题再练，高频考点•能力突破，命题点点拨，方法规律归纳，典例剖析，对点训练，2描点作图如下等内容，欢迎下载使用。
1.(2019全国Ⅰ卷)某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行探究。物块拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在A、B、C、D、E五个点中,打点计时器最先打出的是　　　　　点。在打出C点时物块的速度大小为　　　　　m/s(保留3位有效数字);物块下滑的加速度大小为　　　　　m/s2(保留2位有效数字)。 
情境剖析本题属于基础性题目,以物体沿倾斜木板加速下滑为素材创设学习探索问题情境。素养能力本题考查的学科素养是科学探究,关键能力是实践操作能力群中的实验探究能力。从题图正确读出、记录相邻点间的位移大小,结合匀变速直线运动规律求出要求的速度和加速度。
答案 A　0.233　0.75
2.(2019全国Ⅲ卷)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lab=24.5 cm、lac=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) 
情境剖析本题属于应用性、创新性题目,以数码相机的连拍功能测量重力加速度为素材创设学习探索问题情境。素养能力本题考查的学科素养是科学探究,关键能力是实践操作能力群中的实验探究能力。即在创新性的实验情境下挑选实验器材进行实验设计并从拍得的照片中获取信息,分析数据得出结论。
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
解析 (1)此实验原理是Δy=gt2,t=0.1s,Δy需要用米尺测量然后计算得到,故选A。(2)将米尺竖直放置,小球自由下落轨迹与米尺平行。小球下落时尽量靠近米尺,读数误差小。(3)Δy=lbc-lab=lac-2lab=9.7 cm,Δy=gt2,t=0.1 s,求得g=9.7 m/s2。
3.(2020北京卷)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,做如下探究:
(1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图甲所示装置进行对比实验。两小车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细线按在桌上,使小车静止。抬起板擦,小车同时运动,一段时间后按下板擦,小车同时停下。对比两小车的位移,可知加速度与质量大致成反比。关于实验条件,下列正确的是　　　　　(选填选项前的字母)。 A.小车质量相同,钩码质量不同B.小车质量不同,钩码质量相同C.小车质量不同,钩码质量不同
(2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系,设计实验并得到小车加速度a与质量M的7组实验数据,如下表所示。在图乙所示的坐标纸上已经描好了6组数据点,请将余下的一组数据描在坐标纸上,并作出a- 图象。
(3)在探究加速度与力的关系实验之前,需要思考如何测“力”。请在图丙中画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量,下列说法正确的是　　　　(选填选项前的字母)。 A.使小车沿倾角合适的斜面运动,小车受力可等效为只受绳的拉力B.若斜面倾角过大,小车所受合力将小于绳的拉力C.无论小车运动的加速度多大,砂和桶的重力都等于绳的拉力D.让小车的运动趋近于匀速运动,砂和桶的重力才近似等于绳的拉力
情境剖析本题属于基础性题目,以“探究加速度与质量、力的关系”的实验装置为素材创设学习探索问题情境。素养能力本题考查了考生“设计实验与制订方案、获取和处理信息”等科学探究的能力。要求考生利用已学基础知识和实验原理,能结合实验数据分析相关问题。
答案 (1)B　(2)见解析图　(3)受力图见解析图　AD
解析 (1)为了探究加速度与质量的关系,必须控制小车所受拉力相同,而让小车的质量不同,所以钩码质量相同,故B正确。
(3)小车受力示意图如图所示。使小车沿倾角合适的斜面运动,小车所受重力沿斜面的分力刚好等于小车所受的摩擦力,则小车受力可等效为只受绳的拉力,故A正确;若斜面倾角过大,重力沿斜面的分力大于摩擦力,小车所受合力将大于绳的拉力,不利于简化“力”的测量,故B错误;由牛顿第二定律可知,无论小车运动的加速度多大,砂和桶的重力都大于绳的拉力,故C错误;当小车的运动趋近于匀速运动时,砂和桶可近似看成受力平衡,则砂和桶的重力才近似等于绳的拉力,故D正确。
4.(2020全国Ⅲ卷)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　　　　　　　　　　。 
情境剖析本题属于基础创新性题目,以“探究加速度与质量、力的关系”的实验装置验证动能定理,创设学习探索问题情境。素养能力本题考查了考生“获取和处理信息”的科学探究能力。要求考生利用已学基础知识和实验原理,能结合实验数据分析相关问题。
答案 0.36　1.80　B、P之间的距离
1.纸带问题的两个关键点(1)区分计时点和计数点:计时点是指打点计时器在纸带上打下的点,计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点。要注意“每五个点取一个计数点”与“每隔四个点取一个计数点”的取点方法是一样的。
注意:不一定“每五个点”
(2)涉及打点计时器的实验均是先接通打点计时器的电源,待打点稳定后,再释放纸带。
2.纸带数据的处理方法
[典例1](2021海南海口高三三模,命题点2)某实验小组做“探究加速度和力、质量的关系”实验。(1)用如图甲所示的装置做实验,图中带滑轮的长木板放置于水平桌面上,拉力传感器可直接显示细线所受拉力的大小。实验时,下列操作必要且正确的是　　　　　。 
A.将长木板右端适当垫高,使小车前端的滑轮不挂砂桶时,小车能自由匀速滑动B.为了减小误差,实验中要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量C.实验时,拉小车前端滑轮的细线必须保持水平D.实验时,使小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录拉力传感器的示数
(2)在正确、规范的操作下,打出一条如图乙所示的纸带,每相邻两个计数点之间还有四个计时点没有画出来,纸带上的数字为相邻两个计数点间的距离,打点计时器电源的频率为50 Hz。则小车做匀加速直线运动的加速度大小a=　　　　　 m/s2。(结果保留三位有效数字) 
(3)带滑轮的长木板水平放置,保持小车质量M不变,改变砂桶里砂的质量测出每次拉力传感器的示数F和小车对应的加速度a,作a-F图象。下列图线正确的是　　　　　。 
方法点拨该题属于原理和器材创新类问题,弄清力的测量方法是正确解答的关键。
答案 (1)AD　(2)2.50　(3)B
解析 (1)平衡摩擦力后,拉力传感器读数的两倍即为小车所受到的合力,A正确;因为可以用拉力传感器测量拉力,所以不需要用砂和砂桶的重力代替拉力,所以不需要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量,B错误;细线保持与木板平行,这样才能保持小车所受到的合力不变,C错误;实验时,使小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录拉力传感器的示数,D正确。
1.(2021云南高三二模,命题点1)某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动。
(1)实验中必要的措施是　　　　　。 A.细线必须与长木板平行B.先接通电源再释放小车C.小车的质量远大于钩码的质量D.平衡小车与长木板间的摩擦力
(2)他实验时将打点计时器接到频率为50 Hz的交流电源上,得到一条纸带,打出的部分计数点如图所示(每相邻两个计数点间还有4个点,图中未画出)。s1=3.59 cm,s2=4.41 cm,s3=5.19 cm,s4=5.97 cm,s5=6.78 cm,s6=7.64 cm。则小车的加速度a=　　　　　 m/s2(要求充分利用测量的数据),打点计时器在打B点时小车的速度vB=　　　　　 m/s。(结果均保留两位有效数字) 
方法点拨注意逐差法的应用。
答案 (1)AB　(2)0.80　0.40
解析 (1)为了让小车做匀加速直线运动,应使小车受力恒定,故应将细线与木板保持水平;同时为了打点稳定,应先接通电源再释放小车,故A、B正确;本实验中只是研究匀变速直线运动,故不需要让小车的质量远大于钩码的质量,只要能让小车做匀加速运动即可,故C错误;由C的分析可知,只要摩擦力恒定即可,不需要平衡摩擦力,故D错误。
(2)每两个计数点间有四个点没有画出,故两计数点间的时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s;根据逐差法可知,物体的加速度
2.(2021浙江卷,命题点3)用如图甲所示装置进行“探究功与速度变化的关系”实验。装有砝码的盘用绕过滑轮的细线牵引小车,盘和砝码的重力可当作牵引力。小车运动的位移和速度可以由纸带测出,以小车为研究对象,改变砝码质量,便可探究牵引力所做的功与小车速度变化的关系。
(1)关于这个实验,下列说法正确的是　　　　　; A.需要补偿小车受到的阻力的影响B.该实验装置可以“验证机械能守恒定律”C.需要通过调节定滑轮使细线与长木板平行D.需要满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量(2)图乙是两条纸带,实验时打出的应是纸带　　　　　(选填“Ⅰ”或“Ⅱ”); 
(3)根据实验数据,在坐标纸上画出的W-v2图象是一条过原点的直线,据此图象　　　　　(选填“能”或“不能”)求出小车的质量。 方法点拨本题用验证牛顿第二定律的实验装置探究功与速度变化的关系,明确原理是正确求解的关键。
答案 (1)ACD　(2)Ⅱ　(3)能
解析 (1)题中需要将盘和砝码的重力当作牵引力,所以首先需要补偿小车受到的阻力的影响,A正确;设盘与砝码的质量为m,小车的质量为M,根据牛顿第二定律mg-FT=ma,对小车,FT=Ma,两式相比解得绳子拉力 当满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量时,FT=mg,盘和砝码的重力可当作牵引力,D正确;实验过程中摩擦力无法消除,本实验装置无法验证“机械能守恒定律”,故B错误;细线与长木板需要平行,以保证绳子的拉力与小车运动方向一致,这样盘和砝码的重力可完全当作牵引力,C正确。
(2)小车做匀加速直线运动,位移逐渐增大,所以实验打出的纸带是第Ⅱ条。
[典例2](2021江西南昌高三三模,命题点1)一个实验小组在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中:
(1)甲同学在做该实验时,通过处理数据得到了图甲所示的F-x图象,其中F为弹簧弹力,x为弹簧长度。请通过图甲,分析并计算,该弹簧的原长x0=　　　　　 cm,弹簧的弹性系数k=　　　　　 N/m。该同学将该弹簧制成一个弹簧测力计,当弹簧测力计的示数如图乙所示时,该弹簧的长度x=　　　　 cm。 (2)乙同学使用两个不同的轻质弹簧a和b,得到弹力与弹簧长度的图象如图丙所示。下列表述正确的是　　　　　。 A.a的原长比b的长B.a的劲度系数比b的大C.a的劲度系数比b的小D.测得的弹力与弹簧的长度成正比
答案 (1)8　25　20　(2)B
(2)在丙图中,当弹簧的弹力为零时,弹簧处于原长,故b的原长大于a的原长,A错误;斜率代表劲度系数,故a的劲度系数大于b的劲度系数,B正确,C错误;弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比,D错误。
素养点拨该题属于基础实验题,这类问题要求对实验原理和数据的测量方法掌握熟练,弄清图象的意义。
3.(2021广东湛江高三一模,命题点1)如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个质量已知的相同钩码,探究弹簧弹力与形变量的关系。
(1)本实验还需要的实验器材是　　　　　。 (2)如图乙所示,根据实验数据绘图,横轴为弹簧的形变量x,纵轴为钩码的质量m。已知重力加速度大小g取9.8 m/s2,则弹簧的劲度系数k=　　　　　N/m(结果保留两位有效数字)。 (3)从图乙可以看出,当弹簧下端未挂钩码时,弹簧也有一定的伸长量,其原因是　　　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)刻度尺　(2)9.8　(3)弹簧自重的影响
解析 (1)实验需要测量弹簧的长度、形变量,故还需要的实验器材是刻度尺。(2)题图乙中的图线为直线,说明弹簧的弹力大小与弹簧的伸长量成正比,
(3)由于弹簧自重的影响,当弹簧下端未挂钩码时,弹簧也会有一定的伸长量。
4.(2021吉林长春东北师大附中模拟,2018全国Ⅰ卷T22衍生题,命题点1)为测量弹簧劲度系数,某探究小组设计了如下实验,实验装置如图甲、乙所示,角度传感器与可转动“T”形螺杆相连,“T”形螺杆上套有螺母,螺母上固定有一个力传感器,力传感器套在左右两个固定的套杆(图乙中未画出)上,弹簧的一端挂在力传感器下端挂钩上,另一端与铁架台底座的固定点相连。当角度传感器顶端转盘带动“T”形螺杆转动时,力传感器会随着“T”形螺杆旋转而上下平移,弹簧长度也随之发生变化。
(1)已知“T”形螺杆的螺纹间距d=4.0×10-3 m,当其旋转300°时,力传感器在竖直方向移动　　　　　m。(结果保留2位有效数字) (2)该探究小组操作步骤如下:①旋转螺杆使初状态弹簧长度大于原长②记录初状态力传感器示数F0以及角度传感器示数θ0③旋转“T”形螺杆使弹簧长度增加,待稳定后,记录力传感器示数F1,其增加值ΔF1=F1-F0,角度传感器示数θ1,其增加值Δθ1=θ1-θ0④多次旋转“T”形螺杆,重复步骤③的操作,在表格中记录多组ΔF、Δθ值:
下图已描出5个点,请将剩余点在图中描出并连线。
⑤若上图中直线的斜率为a,则用d、a写出弹簧的劲度系数的表达式为k=　　　　　。 方法点拨该题属于器材创新问题。明确弹簧形变与角度传感器的关系是求解的关键。
解析 (1)当“T”形螺杆旋转360°时,力传感器在竖直方向移动d=4.0×10-3 m则当其旋转300°时,力传感器在竖直方向移动距离为
力学创新类实验归纳分析
高考力学创新实验题常把考查内容延伸到演示实验中,甚至拓展到迁移类实验、应用性实验、设计性实验。要求学生利用所学知识,对实验仪器或实验方法重组,将教材中的学生实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到情境新颖的实验中去。可以看出,考查原始实验的题目较少,实验题大都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,力学实验创新设计的形式有以下三种:
1.实验器材的等效与替换。常见的考查模式主要有两大类:一类是不变目的,变装置;二类是不变装置,变目的。2.实验原理的拓展与延伸。该类实验的特点是题目来源于教材,但又高于教材,实验的基本原理和思想方法是考查的核心,要解决此类实验问题,应摒弃简单的背诵实验而向分析理解实验转变。3.试题情境的设计与创新。不管试题情境的设计进行了怎样的创新,其考查的实验原理和实验处理方法仍然不变。
物理实验的精髓在于测量,测量分为直接测量和间接测量,其中间接测量是重点,也是我们确定实验原理的依据;要明确进行实验操作的三因素:可行性是实验设计的基础、准确性是实验操作的核心、方便性是实验成功的保障;还要掌握数据处理方法:包括实验结果的获得及实验误差的分析,弄清“化曲为直”等常用方法。对于创新型实验的处理,最根本的方法是要把实验的本质从新情境中分离出来,找出其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,解决此类问题要有“以不变应万变”的策略:
(1)根据题目情境,提取相应的力学模型,明确实验的理论依据和实验目的,设计实验方案。(2)进行实验,记录数据,应用原理公式或图象法处理实验数据,结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。
(2021全国甲卷)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影像,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) 
答案 0.43　0.32
思维拓展本类问题创新之处常常有下列几种情况
1.(2021山东青岛高三一模,2018全国Ⅲ卷T22衍生题)某研究小组利用图甲所示装置测定重力加速度。实验器材由带有刻度尺的竖直杆、小球释放器、小球、网兜、光电门A和B及光电门计时器组成。实验时,按图装配好实验器材,小球、两个光电门和网兜在同一竖直线上,利用刻度尺读出两个光电门的距离h,打开计时器后释放小球,记录下计时器显示的小球从光电门A到光电门B所用时间t;保持光电门A的位置不变,改变光电门B的位置,重复实验,多次读出两个光电门间的距离h和小球经过两个光电门所用时间t,在坐标纸上作出 -t图线如图乙所示。
(1)为了提高实验精度,下列说法正确的是　　　　　。 A.两光电门间的距离适当大一些B.小球的直径越小,实验精度越高C.应该选用材质密度较大的小球(2)乙图中,图线与纵轴交点坐标为b,若图线斜率为k,则当地的重力加速度值为　　　　　,小球释放点距光电门A的高度为　　　　　。(用题目给出的已知量表示) 
解析 (1)两光电门间的距离适当大一些,可以减小距离及时间测量的误差,还可以减小小球大小对实验误差的影响,A正确;小球的直径小而质量大,实验精度才高,B错误;选用材质密度较大的小球,可以减小空气阻力的影响,C正确。
2.(2021山东高三三模,2019全国Ⅱ卷T22衍生题)某同学用图甲所示的实验装置测量木块与木板之间的动摩擦因数。长木板水平放在实验台上,右端固定打点计时器,电源频率为50 Hz,木块用细线绕过长木板左端的定滑轮与砂和砂桶相连,实验中认为细线对木块的拉力F等于砂和砂桶的总重力,木块运动的加速度a可用纸带上打出的点求得,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)实验中,打出的一条纸带如图乙所示,计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出,则木块的加速度为a=　　　m/s2。(结果保留2位有效数字) 
(2)用天平测出木块的质量M,每次实验砂和砂桶的总质量m,根据实验数据作出加速度a与力F的图线如图丙所示,木块与木板之间的动摩擦因数μ=　　　　　(结果保留3位有效数字)。与真实值相比,测量出的动摩擦因数　　　　　(选填“偏大”或“偏小”)。 
答案 (1)0.10　(2)0.306　偏大
解析 (1)由题知,两个相邻计数点的时间间隔T=5×0.02 s=0.1 s利用逐差法Δs=aT2
结合图象,代入数据可求得μ=0.306由于细线上拉力小于砂和砂桶的质量,故测出的动摩擦因数比真实值偏大。
3.(2021福建高三二模,2020江苏卷T11衍生题)某同学探究气球在空气中运动时所受空气阻力的大小跟速率的定量关系,所使用的器材有:铁架台、钩码、弹簧测力计、细绳、气球、毫米刻度尺、具有连拍功能的手机。其实验步骤如下:A.测出气球及钩码的总重力GB.吹好气球,用细绳将气球扎紧,另一端系上钩码C.将刻度尺竖直固定在铁架台上,将气球(含钩码)从较高位置释放,使其经过刻度尺附近时能匀速下落D.使用手机连拍功能,拍摄气球匀速运动时的多张照片E.改变所悬挂的钩码质量,重复以上步骤F.记录并处理数据
(1)某次拍摄的两张照片如图甲、乙所示,可以从中计算出气球下落的位移。图乙中所示位置的读数为　　　　 cm; 
(2)记录每次实验中气球(含钩码)重力G和相邻两次拍摄时间内气球下落的位移l,如下表所示,已知相邻两次拍摄的时间间隔为1 s,根据表格数据可以计算出每组实验中气球所受阻力Ff和其匀速运动时的速率v。图丙中已描出了部分数据,请补描第三组的实验数据并绘制出Ff-v关系图象。
(3)根据所绘制的图象,可以得到的实验结论为:　　　　　　　　　　。 
答案 (1)7.00　(2)图见解析　(3)在误差允许的范围内,此气球受到的空气阻力跟速率成正比
解析 (1)图乙中所示位置的读数为7.00 cm。(2)第三组数据是G=Ff=6.5×10-2 N时,速度v=19.80 cm/s,则绘制出Ff-v关系图象如图所示
(3)根据所绘制的图象可知,图象是过原点的直线,可以得到的实验结论为:在误差允许的范围内,此气球受到的空气阻力跟速率成正比。
4.(2021山东菏泽高三一模)某同学利用如图所示的装置做“验证碰撞中的动量守恒”实验。具体操作如下:
A.把带有斜槽的长木板调整水平后固定,用天平称出甲、乙两玩具小车的质量,记为m1、m2B.将小车甲从斜槽上的某点P由静止释放,最终甲车停在长木板上的M点,在长木板靠近斜槽的位置选一点O,用直尺测量出OM间的距离为L0C.把小车乙静止放在O点,将小车甲再次从P点由静止释放,两车在O点相碰后,最终停在长木板上的N、S位置,测量出ON和OS间的距离分别为L1、L2D.改变P点的位置,重复步骤B、C,多次实验
回答下列问题:(1)本实验的实验条件:要求两小车与长木板间的动摩擦因数μ甲　　μ乙。 (2)满足上述实验条件后,要验证碰撞中的动量守恒,只要验证　　　　　　　　　　成立即可。(用测量的物理量写出关系式) (3)某同学根据获得的实验数据,得到m1L0>m1L1+m2L2的关系式,你认为两车的碰撞属于　　　　　碰撞。 
素养点拨该题为测量原理创新。
解析 (1)因为实验只测量了小车在长木板上移动的距离,所以只有两小车在长木板上的加速度一样,两车的初速度之比才等于位移的二次方根之比。故二车与长木板的动摩擦因数应相同。
(2)设小车在O点的速度为v,则根据运动学公式得v2=2as所以,验证动量守恒需满足