2019届二轮复习力学实验与创新课件（共73张）（全国通用） 73页

专题整合突破 专题五　实验技能与创新 要点解读 备考对策 1. 实验基本能力：重点考查游标卡尺、螺旋测微器；多用电表等的读数、构造、原理、重要的实验方法、实验器材的选择、电路实物连线和运用图象与表格分析处理实验数据、实验结论、误差分析及电学实验中的故障分析等。 2 ．设计与创新能力：要求考生将教材中的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，以完成新的实验要求的设计性实验，将逐步取代对原教材中实验的考查。 3 ．实验题类型近年高考通常为 “ 一力一电 ” 模式。 1. 重点关注游标卡尺、螺旋测微器、多用电表、电阻箱等的读数，电表量程、滑动变阻器及实验电路的选取等。 2 ． “ 源于课本，不拘泥于课本 ” 一直是高考实验题命题的理念，所以熟悉课本实验，抓住实验的灵魂 —— 原理，是我们复习的重中之重， 3 ．知识创新型实验。例如设计型、开放型、探讨型实验等都有不同程度的创新，比如利用所学知识设计出很多测量重力加速度的实验方案。其中，力学设计性实验在近年高考中有加强的趋势，应引起高度重视。 第 13 讲　力学实验与创新 1 微网构建 2 高考真题 3 热点聚焦 4 复习练案 微 网 构 建 高 考 真 题 1 ． (2018 · 全国 Ⅰ ， 22) 如图 (a) ，一弹簧上端固定在支架顶端，下端悬挂一托盘；一标尺由游标和主尺构成，主尺竖直固定在弹簧左边；托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置，简化为图中的指针。 现要测量图 (a) 中弹簧的劲度系数。当托盘内没有砝码时，移动游标，使其零刻度线对准指针，此时标尺读数为 1.950cm ；当托盘内放有质量为 0.100kg 的砝码时，移动游标，再次使其零刻度线对准指针，标尺示数如图 (b) 所示，其读数为 __________cm 。当地的重力加速度大小为 9.80m/s 2 ，此弹簧的劲度系数为 ________ N/m( 保留 3 位有效数字 ) 。 3.775 　 53.7 　 2 ． (2018 · 全国 Ⅱ ， 23) 某同学用图 (a) 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秤相连，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，弹簧秤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 f 4 的值可从图 (b) 中弹簧秤的示数读出。 砝码的质量 m /kg 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 滑动摩擦力 f /N 2.15 2.36 2.55 f 4 2.93 图 (a) 图 (b) 图 (c) 回答下列问题： (1) f 4 ＝ ___________N ； (2) 在图 (c) 的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出 f － m 图线； 答案： 2.75 　 (3) f 与 m 、木块质量 M 、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 f ＝ __ __ __ __ __ __ __ __ ____ ， f － m 图线 ( 直线 ) 的斜率的表达式为 k ＝ __ ____ ____ ； (4) 取 g ＝ 9.80m/s 2 ，由绘出的 f － m 图线求得 μ ＝ ___________ 。 ( 保留 2 位有效数字 ) μ ( M ＋ m ) g 　 μg 　 0.40 　 [ 解析 ] 　 (1) 由图 b 可读出弹簧秤的示数 f 4 ＝ 2.75N 。 (2) f － m 图线如图所示。 0.20 　 多次测量取平均值； 　 初始时乙的手指尽可能接近尺子　 4 ． (2018 · 北京， 21) 用图 1 所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。 图 1 d ．以速度 v 为纵轴、时间 t 为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图 3 所示。 图 3 结合上述实验步骤，请你完成下列任务： (1) 在下列仪器和器材中，还需要使用的有 ________ 和 ________( 填选项前的字母 ) 。 A ．电压合适的 50Hz 交流电源 B ．电压可调的直流电源 C ．刻度尺 D ．秒表 E ．天平 ( 含砝码 ) A 　 C 　 (2) 在图 3 中已标出计数点 A 、 B 、 D 、 E 对应的坐标点，请在该图中标出计数点 C 对应的坐标点，并画出 v － t 图象。 答案： 小车的速度随时间均匀变化　 加速度　 越小越好　 有关　 (5) 早在 16 世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的。当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图 4 所示的 “ 斜面实验 ” ，反复做了上百次，验证了他的猜想。请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略 “ 斜面实验 ” 检验小球的速度是随时间均匀变化的。 _______________________________ __ __________________ __ __ __ ________________________________________________________________________________________ 图 4 如果小球的初速度为 0 ，其速度 v ∝ t ，那么它通过的位移 x ∝ t 2 。因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。　 [ 解析 ] 　 (1) 打点计时器使用的是交流电源，故选 A ，不选 B ；相邻打点间的时间是已知的，故不选 D ；计数点间的距离需要用刻度尺测量，故选 C ；由于不需要知道小车和重物的质量，故不需要天平 ( 含砝码 ) ，故不选 E 。 (2) 连线时要让尽量多的点在一条直线上。 (3) 可以依据 v － t 图象是倾斜的直线 ( 斜率一定 ) ，即小车的速度随时间均匀变化，判断出小车做匀变速直线运动； v － t 图象的斜率表示加速度。 5 ． (2018 · 天津， 9(2)) 某研究小组做 “ 验证力的平行四边形定则 ” 实验，所用器材有：方木板一块，白纸，量程为 5N 的弹簧测力计两个，橡皮条 ( 带两个较长的细绳套 ) ，刻度尺，图钉 ( 若干个 ) 。 ①具体操作前，同学们提出了如下关于实验操作的建议，其中正确的有 __________ 。 A ．橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上 B ．重复实验再次进行验证时，结点 O 的位置可以与前一次不同 C ．使用测力计时，施力方向应沿测力计轴线；读数时视线应正对测力计刻度 D ．用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计的拉力 BC 　 ② 该小组的同学用同一套器材做了四次实验，白纸上留下的标注信息有结点位置 O 、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点，如下图所示。其中对于提高实验精度最有利的是 ________ 。 B 　 [ 解析 ] 　 ① A 错：两绳套拉力的合力不一定沿角平分线。 B 对：同一次实验，用一绳套拉橡皮条和用两绳套拉橡皮条结点 O 的位置相同，不同次实验结点 O 的位置可以不同。 C 对：为减小摩擦和误差，施力方向沿测力计轴线，读数时视线正对测力计刻度。 D 错：合力可以比分力大，也可以比分力小。 ② 为了提高实验精度，测力计读数应尽可能大一些，标注细线方向的两点离结点应尽可能远一些，标度应尽可能小一些。故选 B 。 6 ． (2018 · 江苏， 11) 某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度 g 。细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为 M 的重锤。实验操作如下： ① 用米尺量出重锤 1 底端距地面的高度 H ； ②在重锤 1 上加上质量为 m 的小钩码； ③左手将重锤 2 压在地面上，保持系统静止。释放重锤 2 ，同时右手开启秒表，在重锤 1 落地时停止计时，记录下落时间； ④重复测量 3 次下落时间，取其平均值作为测量值 t 。 请回答下列问题： (1) 步骤④可以减小对下落时间 t 测量的 __________( 选填 “ 偶然 ” 或 “ 系统 ” ) 误差。 (2) 实验要求小钩码的质量 m 要比重锤的质量 M 小很多，主要是为了 ________ 。 A ．使 H 测得更准确 B ．使重锤 1 下落的时间长一些 C ．使系统的总质量近似等于 2 M D ．使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等 偶然　 B 　 (3) 滑轮的摩擦阻力会引起实验误差。现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？ __________________________________________________________________________ 在重锤 1 上粘上橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤 1 能观察到其匀速下落。 热 点 聚 焦 计时仪器的测量方法 1 ．打点计时器 (1) t ＝ nT ( n 表示打点的时间间隔的个数， T 表示打点周期 ) (2) 打点频率 ( 周期 ) 与所接交流电的频率 ( 周期 ) 相同 2 ． 光电计时器 光电计时器能自动记录挡光时间，显示在读数窗口。 3 ． 频闪照相机计时 用相等时间间隔获取图象信息的方法记下物体在不同时刻的位置。 热点一　纸带类实验 　　　　　 (2018 · 吉林省实验中学高三下学期模拟 ) 实验小组采用如图甲所示实验装置测量木块与木板间动摩擦因数 μ ，提供的器材有：带定滑轮的长木板，有凹槽的木块，质量为 20g 的钩码若干，打点计时器，电源，纸带，细线等。实验中将部分钩码悬挂在细线下，剩余的钩码放在木块的凹槽中，保持长木板水平，利用打出的纸带测量木块的加速度。 典例 1 (1) 正确进行实验操作，得到一条纸带，从某个清晰的打点开始，依次标注 0 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 ，分别测出位置 0 到位置 3 、位置 6 间的距离，如图乙所示。已知打点周期 T ＝ 0.02s ，则木块的加速度 a ＝ _________m/s 2 。 (2) 将木块凹槽中的钩码逐个添加到细线下端，改变悬挂钩码的总质量 m ，测得相应的加速度 a ，作出 a － m 图象如图丙所示。已知当地重力加速度 g ＝ 9.8m/s 2 ，则木块与木板间动摩擦因数 μ ＝ __________________________ 。 ( 保留两位有效数字 ) (3) 实验中 ____________( 选填 “ 需要 ” 或 “ 不需要 ” ) 满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量。 3.33 　 0.34(0.32 ～ 0.36 均可 ) 　 不需要　 方法总结 “ 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 (1) 在验证牛顿运动定律，探究动能定理的实验中，都需要平衡摩擦力。平衡摩擦力的方法是将小车放在木板上，把木板不带滑轮的一端垫高，在小车后面接一条纸带，穿过打点计时器，让小车在没有牵引力的情况下恰能匀速下滑。 ( 判断其匀速下滑的依据是：纸带上的点间距是一样的 ) (2) 在测定动摩擦因数的实验中，木板必须水平，细线必须与长木板平行，这样才能使压力等于木块的重力，细线对木块的拉力沿水平方向。 (3) 小车在长木板上做匀加速直线运动时，绳上的拉力并不等于悬挂物的重力，只有当 M 车 ≫ m 挂 时，绳上的力近似等于悬挂物的重力。如果绳上连接着力传感器或测力器，则可直接读出绳上的拉力，不需要 M 车 ≫ m 挂 。 〔 类题演练 1〕 (2018 · 山西省孝义市高三下学期一模理综 ) 利用图甲的装置探究 “ 恒力做功与物体动能变化 ” 的关系。小车的质量为 M ，钩码的质量为 m ，且不满足 m << M 。打点计时器的电源是频率为 f 的交流电。 (1) 实验中，把长木板右端垫高，在不挂钩码且 ________ 的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。 ( 填选项前的字母 ) A ．计时器不打点　　　 B ．计时器打点 B 　 (2) 图乙是正确操作后得到的一条纸带。纸带上各点是打出的计时点，其中 O 点为打出的第一个点。小车发生的位移从纸带上计时点间的距离可以直接测出，利用下列测最值和题中已知条件能简单、准确完成实验的一项是 ______ 。 ( 填选项前的字母 ) A ． OA 、 AD 和 EG 的长度 B ． BD 、 CF 和 EG 的长度 C ． OE 、 DE 和 EF 的长度 D ． AC 、 EG 和 BF 的长度 C 　 [ 解析 ] 　 (1) 平衡摩擦力的方法是：把木板一端垫高，让小车滑下，当小车匀速运动时，就意味着摩擦力抵消了，此时应当让打点计时器打点，因为打点计时器也会有摩擦力，故选 B ； (2) 根据某段时间内的平均速度等于中间时刻瞬时速度，结合动能与重力势能表达式进行分析。当知道 OA 、 AD 和 EG 的长度时，只有求得 F 点与 BC 的中点的瞬时速度，从而确定两者的动能变化，却无法求解重力做功，故 A 不符合；当知道 BD 、 CF 和 EG 的长度时，可分别求得 C 点和 F 点的瞬时速度，从而求得 C 到 F 点的动能变化，因知道 CF 间距，则可求得重力做功，但不是最简单的方法，故 B 不符合；当知道 OE 、 DE 和 EF 的长度，依据 DE 和 EF 的长度，可求得 E 点的瞬时速度，从而求得 O 点到 E 点动能的变化，再由 OE 确定重力做功，因 O 点速度为 0 ，故只需要测 E 点的速度即可，故这种方法更简单，故 C 符合； 1 ．探究弹力和弹簧伸长量的关系的操作关键 (1) 实验中不能挂过多的钩码，防止弹簧超过弹性限度。 (2) 画图象时，不要连成 “ 折线 ” ，而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在直线两侧。 2 ． 验证力的平行四边形定则的操作关键 (1) 每次拉伸结点位置 O 必须保持不变。 (2) 记下每次各力的大小和方向。 (3) 画力的图示时应选择适当的标度。 热点二　弹簧、橡皮条类实验 　　　　　 (2018 · 安徽省蚌埠市高三第三次教学质量检测 ) 某小组利用橡皮筋 ( 弹力满足胡克定律 ) 验证力的平行四边形定则，如图甲所示，把贴有白纸的木板放在水平桌面上，他们将完全相同的三根橡皮筋的一端都固定在结点 O 处，另一端分别系上细线，仍保证橡皮筋原长相同，测得原长 L 0 ＝ 4.40cm 。沿平行于纸面的方向分别通过细线将三根橡皮筋拉至某一长度 ( 在弹性限度内 ) ，保持状态不变，如图乙所示，记录此时结点的位置和三个橡皮筋另一端的位置，量出三个端点到结点 O 的距离分别为 L 1 ＝ 9.40cm 、 L 2 ＝ 8.40cm 、 L 3 ＝ 7.40cm 。若三根橡皮筋产生的弹力分别为 F 1 、 F 2 、 F 3 ，图中已作出 F 1 的图示。 典例 2 (1) 请根据 F 1 的大小比例分别作出 F 2 和 F 3 的图示，并根据平行四边形定则画出 F 2 和 F 3 的合力 F 合 ； (2) 请在图中画出与 F 2 和 F 3 共同作用效果相同的力 F 的图示。 若 F 合 与 F 的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则。　　 答案： [ 解析 ] 　 根据题意得出三个橡皮条的形变量分别为 Δx 1 ＝ (9.40 － 4.40)cm ＝ 5.00cm ， Δx 2 ＝ (8.40 － 4.40)cm ＝ 4.00cm ， Δx 3 ＝ (7.40 － 4.40)cm ＝ 3.00cm ，则橡皮条的弹力与形变量成正比，按比例作出平衡时 F 2 和 F 3 的图示及两个力的合力的图示，共同效果作用力 F 的图示，如图 〔 类题演练 2〕 (2018 · 宁夏银川二中高三下学期模拟三试题 ) 某实验小组研究木块与某粗糙木板间的动摩擦因数，步骤如下： (1) 如图甲，在该木板上放置一木块，木块与一水平弹簧左端相连，弹簧右端连接在位置固定的传感器上。传感器与木板未接触。传感器可以测出弹簧拉力 F 和对应的木块位移大小 x ，数据 ( F ， x ) 可以通过电脑实时同步保存并自动画出 F － x 图象。 (2) 调节装置使 F 、 x 均为 0 ，然后缓慢向左拉动木板，得到多组数据 ( F ， x ) ，木块与木板相对滑动后，控制木板立即静止，整个过程弹簧始终在弹性限度内。电脑中得到如图乙 F － x 图象。其中 F m 、 x m 为记录数据 F 、 x 中的最大值。 己知木块质量为 m ，重力加速度取 g ，滑动摩擦力等于最大静摩擦力。用图象中获得的数据和己知量表示下列物理量。 ①整个过程中弹簧弹性势能最大值为 ______________ ； ②摩擦力对木块所做的功为 ____________ ； ③木块与粗糙木板间的动摩擦因数为 ____________ ． 一、注意事项 1 ． 前提条件 ：碰撞的两物体应保证 “ 水平 ” 和 “ 正碰 ” 。 2 ． 方案提醒： (1) 若利用气垫导轨进行实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平。 (2) 若利用摆球进行实验，两小球静放时球心应在同一水平线上，且刚好接触，摆线竖直，将小球拉起后，两条摆线应在同一竖直面内。 (3) 若利用长木板进行实验，可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力。 3 ． 探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变。 热点三　验证动量守恒定律 二、误差分析 1 ．系统误差：主要来源于装置本身 ( 是否符合要求 ) 。 (1) 碰撞是否为一维碰撞。 (2) 实验是否满足动量守恒的条件，如气垫导轨是否水平，两球是否等大，长木板实验时是否平衡掉摩擦力。 2 ．偶然误差：主要来源于质量 m 和速度 v 的测量。 3 ．改进措施： (1) 设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件。 (2) 采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差。 　　　　　 (2018 · 福建省莆田市高三下学期模拟 ) 某同学用如图所示的装置做 “ 验证动量守恒定律 ” 实验，其中斜槽轨道末端切线水平， O 点是轨道末端在记录纸上的竖直投影点。实验主要步骤如下： 典例 3 ① 让 a 球从斜槽轨道上某固定点处由静止开始运动，落在位于水平地面上的记录纸上。重复这一操作 10 次，找出 a 球的平均落地点位置 P 。 ②把同样大小的 b 球静止放置在斜槽轨道末端，让 a 球仍从原固定点由静止释放，和 b 球相碰后，两球均落在记录纸上。重复这一操作 10 次，找出 a 、 b 球的平均落地点位置 M 、 N 。 (1) 本实验必须测量的物理量有 __________ ； A ．小球 a 、 b 的质量 m a 、 m b B ．斜槽轨道末端到水平地面的高度 H C ．小球 a 、 b 离开斜槽轨道末端后平抛运动的时间 t D ．记录纸上 O 点到 P 、 M 、 N 各点的距离 OP 、 OM 、 ON E ． a 球的固定释放点到斜槽轨道末端的高度差 h (2) 根据实验要求， m a ________ m b ( 填 “ 大于 ”“ 小于 ” 或 “ 等于 ” ) ； (3) 若两球碰撞前后动量守恒，其表达式可表示为 __ ____________________ [ 用 (1) 中测量的物理量表示 ] 。 AD 　 大于　 m a · OP ＝ m a · OM ＋ m b · ON 　 [ 解析 ] 　 (1) 小球在空中的运动时间 t 相等，如果碰撞过程动量守恒，则有： m a v 0 ＝ m a v A ＋ m b v B ，由图可知，只放小球 a 时，其落地点为 P 点，而两小球相碰时， a 球的落地点为 M 点，而 B 球的落地点为 N 点；两边同时乘以时间 t 得： m a v 0 t ＝ m a v A t ＋ m b v B t ，得： m a OP ＝ m a OM ＋ m b ON ，则本实验必须测量的物理量有 AD ，故选： AD 。 (2) 根据实验要求，入射球的质量必须大于被碰球的质量，防止入射球碰后反弹，则 m a 大于 m b ； (3) 若两球碰撞前后动量守恒，其表达式可表示为： m a OP ＝ m a OM ＋ m b ON 。 〔 类题演练 3〕 (2018 · 东北三省四市高三第二次联合模拟 ) 气垫导轨是常用的一种实验仪器，它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。我们可以用两个光电门以及滑块 A 和 B 来探究动量守恒定律，实验装置如图所示，采用的实验步骤如下： a ．用天平分别测出滑块 A 、 B 的质量 m A 、 m B b ．调整气垫导轨，使导轨处于水平 c ．给 B 一个水平向左初速度，记录 B 通过光电门 2 的挡光时间为 t B d ． B 与静止在导轨上的 A 发生碰撞后， A 向左运动通过光电门 1 的挡光时间为 t A ， B 向右运动通过光电门 2 的挡光时间为 t B ′ (1) 实验中测得滑块 B 上遮光条的宽度为 d B ，还应测量的物理量是 ______ __ ______________ _ ____ 。 (2) 利用上述测量的实验数据，得出关系式 _______________________ 成立，即可验证动量守恒定律。 滑块 A 上遮光条的宽度 d A 　　 1 ．实验器材的等效与替换，主要有 3 个方面的创新： (1) 用电子秤或已知质量的钩码替代弹簧秤； (2) 气垫导轨替代长木板； (3) 用光电门、闪光照相机替代打点计时器。 2 ． 实验结论的拓展与延伸： 主要通过一些实验装置得出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求出物体所受阻力或小车与木板间的动摩擦因数。 3 ． 情景的设计与创新： 近几年在试题情景的设计上进行了较多的创新，不过考查的实验原理和实验处理方法仍然不变，因此只要把最根本的方法从新情景中分离出来，找出与常规实验相同之处就可以。 热点四　力学创新类实验 　　　　　 (2018 · 山东、湖北部分重点中学冲刺模拟 ) 某同学设计了如下实验研究做功与速度之间的关系：在桌面上放置一个粗糙程度处处相同的长木板，并将一刻度软尺固连在长木板一侧。将带有滑轮的一端稍伸出桌外，并在其附近固定光电门，小车通过细线绕过滑轮与钩码相连，调节滑轮的高度使细线与木板平面平行，在小车上固定挡光片。将小车从距光电门一定距离处由静止释放，利用刻度尺测出挡光片到光电门的距离 ( 挡光片和光电门中部均有指示箭头辅助读数 ) ，计算出小车经过光电门时的速度；然后保持钩码质量和小车质量不变，改变小车的释放位置重复实验，测得多组数据，从而研究其关系。如图所示。 典例 4 (1) 这位同学找到了两个挡光片，用游标卡尺测出挡光片 a 的宽度 ( 图甲 ) ，用螺旋测微器测出挡光片 b 的宽度 ( 图乙 ) ，读数分别为 ____________mm ， ____________mm ；他应该选择挡光片 __ __ ____( 填 a 或 b ) 进行实验。 25.80 　 7.830 　 b 　 (2) 他的实验是否需要平衡摩擦力？是否需要钩码质量远小于小车质量？ ________ A ．需要，需要　　　 B ．不需要，不需要 C ．需要，不需要　　　 D ．不需要，需要 B 　 〔 类题演练 4〕 (2018 · 山东省淄博市高三下学期第二次模拟 ) 某同学用如图甲所示实验装置来测量重力加速度。在水平放置的气垫导轨上有一带有方盒的滑块，质量为 M ，气垫导轨右端固定一定滑轮，细线绕过滑轮，一端与滑块相连，另一端挂有 8 个钩码，每个钩码的质量为 m 。 0.520