江苏省高考物理二轮复习专题八力学实验教学案

专题八力学实验考情分析

201520162017

力学实验T11：探究小磁铁在铜管

中下落时受电磁阻尼作

用的运动规律

T11：验证机械能守恒定

律

T10：探究恒力做功与物

体动能变化的关系

命题解读

本专题有五个实验，分别为“速度随时间变化的规律”、“力的平行四边形定则”、“加速度与物体质量、物体受力的关系”、“探究动能定理”、“验证机械能守恒定律”，其中“探究动能定理”为2017年江苏考纲新增实验。从三年命题情况看，命题特点为：

(1)注重基础。如各种器材的特性、使用等，一般穿插在综合问题中命题。

(2)提倡创新。如以考纲中的几个实验原理为立足点，合理创新，考查学生的实验能力，突出选拔功能。

整体难度偏难，命题指数★★★★★，复习目标是达B冲A。

1.(2017·江苏清江中学模拟)在“探究力的平行四边形定则”的实验中，两只弹簧测力计拉力F1(4个格长)和F2已于图中作出了他们的图示，O点是橡皮条的一个端点，图中每格长度代表1 N。

图1

(1)用作图法作出合力F的图示；

(2)合力方向与F1的夹角为________；

(3)保持O点位置不变，F1方向也不变，让F1、F2夹角由90°逐渐增大，则F1大小________(填“增大”或“减小”)。

解析(1)以F1和F2为邻边作平行四边形，与F1和F2共点的对角线表示合力F，标上箭头，具体如图甲所示。

(2)合力方向与F 1的夹角为tan θ＝F2F1＝34

，即θ＝37°。

(3)因为合力不变，F 1的方向不变，当F 1、F 2的夹角增大时，如图乙所示，可知F 1增大。 答案 (1)如解析图所示 (2)37° (3)增大

2.(2017·江苏七校联考)在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用打点计时器打下的纸带，如图2所示，并在其上取了A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 等7个计数点，每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出。打点计时器接频率为f ＝50 Hz 的交流电源。 4(1)每两个相邻的计数点的时间间隔为________s ，打点计时器使用的是________(选填“交流”或“直流”)电源；

图2

(2)打下E 点时纸带的速度v E ＝________(用题中给定字母表示)；

(3)若测得d 6＝65.00 cm ，d 3＝19.00 cm ，物体的加速度a ＝________m/s 2；

(4)如果当时电网中交变电流的频率f ＞50 Hz ，但当时做实验的同学并不知道，那么测得的加速度值比真实值________(选填“偏大”或“偏小”)。

解析 (1)每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出，所以相邻的计数点之间的时间间隔为Δt ＝5T ＝0.1 s 。打点计时器使用的是交流电源。

(2)利用匀变速直线运动的推论得v E ＝d5－d310T ＝（d5－d3）f 10

。 (3)根据匀变速直线运动的推论公式Δx ＝aT 2可得

a ＝xDG －xAD （3×5T）2＝（d6－d3）－d3（3×0.1）2

＝3.00 m/s 2。 (4)如果在某次实验中，交流电的频率f ＞50 Hz ，那么实际打点周期变小，根据运动学公式Δx ＝aT 2

知真实的加速度值就会偏大，所以测量的加速度值与真实的加速度值相比是偏小。

答案 (1)0.1 s 交流 (2)（d5－d3）f 10

(3)3.00 m/s 2 (4)偏小 3.(2017·江苏徐州市徐州、宿迁、连云港、淮安四市模拟)用图3所示装置验证机械能守恒定律。实验前调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门。实验中通过断开电磁铁开关使小球从A 点下落，经过光电门B ，记录挡光时间Δt ，测出小球在AB 间下落的距离h 。竖直平移光电门B ，重复上述步骤，测得多组h 及相应的Δt ，已知当地重力加速度为g 。

图3

(1)实验中还需测量的物理量是_____________________________________。 (2)小球通过光电门速度的表达式为v ＝________。

(3)根据测量数据描绘1Δt2

－h 图象，能否仅依据图象是过原点的直线就得出机械能守恒的结论？________，理由是______________________________________。

解析 (1)题中要验证的关系式是mgh ＝1

2mv 2，即v 2

＝2gh ，其中的v 由通过光电门求得v ＝d Δt

，可知实验中还需测量的物理量是小球的直径d 。 (2)小球通过光电门速度的表达式为v ＝d Δt

。 (3)根据v 2＝2gh ，即? ????d Δt 2

＝2gh ，即? ????1Δt 2＝2g d2h 可知1Δt2－h 图象是一条过原点且斜率为2g d2

的直线，但仅依据图象是过原点的直线不能得出机械能守恒的结论，还要看斜率是否近似等于2g

d2。

答案 (1)小球直径d (2)d Δt (3)不能；斜率近似等于2g d2

，才能判断小球下落过程中机械能守恒

基本仪器的使用和读数

1.关于基本仪器的使用

(1)游标卡尺：测外径或厚度在卡脚下方测量，不能将小测量物靠近主尺放置；要认准游标“0”刻度在哪，读数时应轻轻“锁定”游标。

(2)螺旋测微器：测量长度较小的物体；要注意0.5 mm刻度线在上方还是下方；听到“咯、咯”声之后要换用微调；读数时应轻轻“锁定”可动部分。

(3)弹簧测力计：使用前应校零，选择弹簧测力计时，要选力的方向通过弹簧轴线的，必要时要选对拉时读数相同的弹簧测力计。

(4)打点计时器：电火花打点计时器使用的是220 V交流电源；电磁打点计时器使用的是低压6 V以下交流电源。

2.关于基本仪器的读数

(1)注意使用的刻度尺或弹簧测力计的最小分度值，应估读到其最小分度的1

10

，读数或测量

值为：整数部分(单位)＋n

10

格最小分度(单位)，统一单位后得最后结果。

(2)游标卡尺的读数：注意游标卡尺的精度是多少(即游标部分格数的倒数)，测量时还要注意看准是第几(用n表示)条游标刻度线与主尺上的某条刻度线对齐，三种游标卡尺的读数见下表

游标尺/mm

刻度格数刻度总长

度

每小格与1

毫米差

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

1090.10.1主尺上读的毫米数＋0.1n

20190.050.05主尺上读的毫米数＋0.05n

50490.020.02主尺上读的毫米数＋0.02n

注意：①读数最后的“0”不能丢。如20分度的游标卡尺游标尺上偶数条刻度线与主尺上的某一刻度线对齐或50分度的游标卡尺游标尺上“5”的整数倍条刻度线与主尺上的某一刻度线对齐等。

②读数时两次单位要统一，都用mm，最后根据题目要求转换单位。

③游标卡尺不需要估读。

(3)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)0.01 mm 。

【例1】 (2017·江苏泰州中学高三5月质检)(1)如图4甲所示，螺旋测微器的读数为________mm 。

(2)某学习小组在探究加速度与力、质量的关系时，采用图乙所示的装置，通过改变小托盘和砝码总质量m 来改变小车受到的合外力，通过加减钩码来改变小车总质量M 。

①实验中需要平衡摩擦力，应当取下________(选填“小车上的钩码”“小托盘和砝码”或“纸带”)，将木板右端适当垫高，直至小车在长木板上运动时，纸带上打出来的点____________。

丙

图4

②图丙为实验中得到的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6为计数点，相邻两计数点间还有4个打点未画出，所用交流电的频率为50 Hz ，从纸带上测出x 1＝3.20 cm ，x 2＝

4.74 cm ，x 3＝6.30 cm ，x 4＝7.85 cm ，x 5＝9.41 cm ，x 6＝10.96 cm ，小车运动的加速度大小为________(结果保留三位有效数字)

解析 (1)螺旋测微器的读数为

d ＝5.5 mm ＋17.00.01 mm ＝5.670 mm 。

(2)①实验中需要平衡摩擦力，应当取下小托盘和砝码，将木板右端适当垫高，直至小车在长木板上运动时，纸带上打出来的点间距相等。

②根据匀变速直线运动的推论公式Δx ＝aT 2，其中T ＝0.1 s ，可以求出加速度的大小，x 4－x 1＝3a 1T 2，x 5－x 2＝3a 2T 2，x 6－x 3＝3a 3T 2，为了更加准确的求解加速度，我们对三个加速度取平均值，a ＝a1＋a2＋a33

，解得a ＝1.55 m/s 2。 答案 (1)5.670 mm (2)①小托盘和砝码 间距相等 ②1.55 m/s 2

【变式1】 (2017·南京、盐城高三一模)(1)用游标卡尺测量小球的直径如图5甲、乙所示。测量方法正确的是________(选填“甲”或“乙”)。

图5

(2)用螺旋测微器测量合金丝的直径，如图6，此示数为________mm 。

图6

(3)在“用打点计时器测速度”的实验中，交流电源频率为50 Hz ，打出一段纸带如图7所示。纸带经过计数点2时，测得的瞬时速度v ＝________m/s 。若实验时交流电源频率大于50 Hz ，则纸带经过2号点的实际速度________(选填“大于”“小于”“等于”)测量速度。

图7

解析 (1)甲图中夹小球的两个测爪为外测爪，测物体的外径，所以甲正确。

(2)由螺旋测微器的读数方法，可知d ＝6.5 mm ＋20.00.01 mm ＝6.700 mm.

(3)计数点2的速度v ＝x1＋x22Δt ＝（3.52＋3.68）×10－22×0.1m/s ＝0.36 m/s ；而v ＝x1＋x22×5T ＝（x1＋x2）f 10

，若f ＞50 Hz ，则实际速度大于测量速度。 答案 (1)甲 (2)6.700 (3)0.36 大于

基本实验方法与数据处理

1.力学实验的基本方法

力学实验的基本方法就是测量力、位移、时间等的方法。测力可以用弹簧测力计，也可以用天平测出质量求得力，还可以根据牛顿运动定律或动能定理等测出相关物理量来求得力。测位移主要用到打点计时器、频闪照相、位移传感器结合示波器或给定图象和用测长度的仪器测量，也可以根据牛顿运动定律或动能定理等求得相关物理量来求得位移。测时间主要用到打点计时器、秒表、光电门等仪器，也可根据题目中已知装置、图象结合相关规律求得时间。

2.数据处理方法

(1)作图法。作图必须规范，要有两个箭头、两个物理量及单位，标度必须标注完整，要使图线分布在坐标纸的较大区域内，要根据两个坐标轴物理量间的关系考虑是拟合直线还是平滑的曲线，还要考虑截距的物理意义。

(2)数学方法。

①“平均速度法”求速度：v n ＝xn ＋xn ＋12T

。 ②“逐差法”求加速度：设相邻相同时间T 内物体的位移分别为x 1、x 2…x n ，加速度 a ＝（x4＋x5＋x6）－（x1＋x2＋x3）9T2

。 3.有效数字的位数：从左侧第一个不为零的数字起到最末一位数字止，共有几个数字，就是几位有效数字。

4.误差

(1)由于仪器不精确、方法粗略、原理不完善等产生的是系统误差，特点是测量值总偏大或偏小。

(2)由于各偶然因素对实验者、测量仪器、被测量的影响而产生的误差是偶然误差，特点是有时偏大有时偏小，可用多次测量求平均值减小偶然误差。

【例2】 (2017·南通高三第二次调研)探究外力做功与物体动能变化关系的实验装置如图8所示，根据实验中力传感器读数和电磁打点计时器打出纸带的测量数据等可分别求得外力对小车做功和小车动能的变化。

图8

(1)关于该实验，下列说法正确的有________。

A.调整垫块的高度，改变钩码质量，使小车能在木板上做匀速运动

B.调整滑轮的高度，使连接小车的细线与木板平行

C.实验中要始终满足钩码的质量远小于小车质量

D.若纸带上打出的是短线，可能是小车运动的速度过快

(2)除了图中所注明的器材外，实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和________。

(3)某次实验中打出了一根纸带，其中一部分如图9所示，各个打点是连续的计时点，A、

B、D、E、F各点与O点的距离如图，若小车质量为m、打点周期为T，且已读出这次实验过程中力传感器的读数F，则A、E两点间外力做功W＝________，小车动能变化ΔE k＝________；在不同次实验中测得多组外力做功W i和动能变化ΔE k i的数据，作出W－ΔE k图象如图10所示，图线斜率约等于1，由此得到结论是_______________________________________________________

_____________________________________________________________________。

(4)每次实验结果显示，拉力F做的功W总略小于小车动能的变化ΔE k，请分析出现这种情况的可能原因_______________________________________________

__________________________________________________________。(写出1条)

解析(1)调整垫块的高度，不挂钩码使小车能在木板上做匀速运动，A项错误；调整滑轮的高度，使连接小车的细线与木板平行，确保拉力与小车运动方向平行，B项正确；因为实验中用的拉力传感器，所以不需要满足实验中要始终满足钩码的质量远小于小车质量，C 项错误；若小车运动的速度过快或者振针距离纸带太近，都会造成纸带上打出的是短线，D 项正确。

(2)需要天平测量小车的质量。

(3)力传感器的读数F，位移为s4－s1，所以钩码对小车拉力做功为F(s4－s1)。小车动能变

化ΔE k＝1

2

mv2E－

1

2

mv2A＝

1

2

m?

?

??

?

s5－s3

2T

2

－

1

2

m?

?

??

?

s2

2T

2

＝

m（s5－s3）2－ms22

8T2

。若拉力做功与动能变

化量相等，说明外力对物体所做的功等于物体动能的增量。

(4)拉力F做的功W总略小于小车动能的变化ΔE k，说明有其他动力做功，即平衡摩擦力时木板垫得偏高。

答案(1)BD (2)天平(3)F(s4－s1) m（s5－s3）2－ms22

8T2

外力对物体所做的功等于物体动能的增量(4)平衡摩擦力时木板垫得偏高

【变式2】(2017·海安、南外、金陵三校联考)某同学采用如图11所示的装置研究匀变速直线运动。打点计时器工作频率为50 Hz。

图11

该同学的操作步骤如下：

a.将木板的左端垫起，平衡小车的摩擦力；

b.在小车中放入砝码，纸带穿过打点计时器，连在小车后端，用细线连接小车和钩码；

c.将小车停在打点计时器附近，接通电源，释放小车，小车拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一系列的点，断开电源；

d.改变钩码或小车中砝码的质量，更换纸带，重复b、c操作。

(1)设钩码质量为m1、砝码和小车总质量为m2，重力加速度为g，则小车的加速度为a＝________(用题中所给字母表示)。

(2)图12是某次实验中得到的一条纸带，在纸带上取计数点O、A、B、C、D和E，用最小刻度是毫米的刻度尺进行测量，读出各计数点对应的刻度x，通过计算得到各计数点到O 的距离s以及对应时刻小车的瞬时速度v。某同学不小心将计数点C的数据弄模糊了，请你将C点对应的数据填在下表中的相应位置。

图12

计数点x/cm s/cm v/(m·s－1)

O 1.000.30

A 2.34 1.340.38

B 4.04 3.040.46

C ________________________

D 8.337.330.61

E 10.909.900.70

图13

(3)实验小组通过绘制Δv2－s图线来分析运动规律(其中Δv2＝v2－v20，v是各计数点对应时刻小车的瞬时速度，v0是O点对应时刻小车的瞬时速度)。他们根据实验数据在图中标出了O、A、B、C、D、E对应的坐标点，请你在图13中画出Δv2－s图线。

(4)绘制的Δv2－s图线的斜率k＝________(用题中所给字母表示)，若发现该斜率大于理论值，其原因可能是______________________________________________

______________________________________________________________________。

答案(1)m1g

m1＋m2

(2)6.00 5.00 0.54 (3)图线如图所示

(4)2m1g

m1＋m2

木板的左侧垫得过高

力学实验设计

“长木板(带滑轮)、小车、纸带、打点计时器”体系装置，主要来研究速度随时间的变化、加速度与物体质量、物体受力的关系、探究动能定理、验证机械能守恒以及测定动摩擦因数等几个实验。“长木板、小车、纸带、打点计时器”实验装置中的细节及注意事项如下：

(1)在“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”、“探究动能定理”的实验中，都需要