2022年高考物理（考纲解读及热点难点试题演练）专题10 力学实验（含解析）新人教版.doc

2014年高考物理（考纲解读及热点难点试题演练）专题10 力学实验（含解析）新人教版高考对物理实验的考查，是在考试说明规定的实验基础上进行重组与创新，旨在考查考生是否熟悉这些常规实验器材，是否真正动手做过这些实验，是否能灵活地运用学过的实验理论、实验方法、实验仪器，去处理、分析、研究某些未做过的实验，包括设计某些比较简单的实验等。实验试题多源于教材而高于教材，所给的物理情景和要求跟教材内容多有明显区别，是以教材中实验为背景或素材，通过改变实验条件或增加条件限制，加强对考生迁移能力、创新能力和实验设计能力的考查。题目命制的形式多为一力一电，力学实验比重有所加大，采用组合题的方式，增大了实验题的覆盖面，加强了对物理问题进行定性分析的设问及开放性设问，很好地体现了新课程改革引导学生主动学习、加强探究、培养创新精神的理念。【命题趋势】 一、误差和有效数字1误差误差产生原因大小特点减小方法系统误差实验仪器不精确、实验原理不完善、实验方法粗略总是偏大或偏小更新仪器完善实验原理偶然误差测量、读数不准确忽大忽小画图象或取平均值2.有效数字从数字左边第一个不为零的数字算起，如0.012 5为三位有效数字二、测量性实验1包括：用游标卡尺和螺旋测微器测量长度，练习使用打点计时器2(1)游标卡尺的读数方法：d主尺读数(mm)精度×游标尺上对齐刻线数值(mm)(2)螺旋测微器的读数方法：测量值固定刻度可动刻度×0.01 mm估读值注意要估读到0.001 mm.(3)用纸带求加速度的方法利用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xxn1xnaT2求加速度a.逐差法：图5101如图5101所示，因为a1，a2，a3，所以a.三、验证性实验1包括：验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、验证机械能守恒定律2验证性实验的两种方法(1)对于现象直观明显或者只需讨论的验证性实验问题，常常通过观察分析进行证实；(2)对有测量数值且实验要求根据数据分析验证结果的，一般要进行分析归纳，通过作图、计算、测量进行比较验证四、探究性实验1包括：探究弹力和弹簧伸长的关系，探究动能定理2探究性实验与验证性实验的区别探究性实验，在实验前并不知道满足什么规律，所以在坐标纸中描点后所做的曲线是试探性的，只有在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来拟合这些点而验证性实验，在坐标纸上描点后所作图线的根据就是所验证的规律。一、游标卡尺和螺旋测微器的读数游标卡尺读数技巧：(1)读数时应以毫米为单位，读出后再进行单位换算。(2)主尺上的读数，应以游标尺零刻度左端主尺上的刻度为准。(3)20分度的游标卡尺，其读数要精确到0.05 mm，读数的最后一位数字为“0”或“5”；50分度的游标卡尺，其读数要精确到0.02 mm，读数的最后一位数字为“0”“2”“4”“6”或“8”。二、与打点计时器和纸带相关的力学实验（1)打点计时器的正确使用：先接通电源，再释放纸带；电磁打点计时器工作电压为低压交流46 V；电火花计时器工作电压为交流220 V。(2)纸带的选取：一般实验在点迹清晰、无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带；在“验证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二点，并且第一、二两点距离接近2.0 mm。(3)根据纸带上点的密集程度选取计数点。打点计时器每打n个点取一个计数点，则计数点时间间隔为n个打点时间间隔，即T=0.02n s。一般取n=5，此时T=0.1 s。(4)测量计数点间距离。为了测量、计算的方便和减小偶然误差，测量距离时不要分段测量，尽可能一次测量完毕，即测量计数起点到其他各计数点的距离。如图所示，则由图可得：x=x1，x=x2-x1，x=x3-x2，x=x4-x3，x=x5-x4，x=x6-x5。(5)判断物体运动的性质若x、x、x、x、x、x基本相等，则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动。设x1=x-x，x2=x-x，x3=x-x，x4=x-x，x5=x-x。若x1、x2、x3、x4、x5基本相等，则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀变速直线运动。(6)测定第n点的瞬时速度，物体做匀变速直线运动时，在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，即测出第n点相邻的前、后两段相等时间T内的距离，由平均速度公式即可求得。如图中第4点的瞬时速度为：v4=。三、用图象处理数据图象法是物理实验中广泛应用的处理实验数据的方法，以下为作图的要求：(1)作图一定要用坐标纸，坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定。(2)要标明轴名、单位，在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值。(3)图上的连线不一定通过所有的数据点，而应尽量使数据点合理地分布在线的两侧。(4)作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化，即“变曲为直”。虽然图象法有许多优点，但在图纸上连线时有较大的主观性，另外连线的粗细、图纸的大小、图纸本身的均匀程度等，都对结果的准确性有影响。(5)注意区别横、纵坐标轴的物理意义、标度及单位。(6)明确图象的斜率、截距的物理意义。考点1、测量性实验(游标卡尺和螺旋测微器的读数)【例1】某同学利用螺旋测微器测量一金属板的厚度该螺旋测微器校零时的示数如图5102(a)所示，测量金属板厚度时的示数如图(b)所示图(a)所示读数为_mm，图(b)所示读数为_mm，所测金属板的厚度为_mm.【例2】 （2013·山东卷，21)图5103甲为一游标卡尺的结构示意图，当测量一钢笔帽的内径时，应该用游标卡尺的_(填“A”“B”或 “C”)进行测量；示数如图乙所示，该钢笔帽的内径为_mm.【特别提醒】1毫米刻度尺长度测量的基本工具是刻度尺，其最小分度一般为1 mm(此时叫做毫米刻度尺)毫米刻度尺可以精确读到mm位、估读到 mm位(能读取十分之几毫米)估读的“0”不能舍弃2游标卡尺的读数游标尺(mm)精度(mm)测量结果(游标尺上第n条刻度线与主尺上的某刻度线对齐时)(mm)刻度格数刻度总长度每小格与1毫米差1090.10.1主尺上读的毫米数0.1 n20190.050.05主尺上读的毫米数0.05 n50490.020.02主尺上读的毫米数0.02 n3.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.4关于估读问题：游标卡尺不需要估读；毫米刻度尺、螺旋测微器需要估读【变式探究】 图5104甲中游标卡尺的读数是_ cm，图乙中螺旋测微器的读数是_ mm.【变式探究】某同学在测量一均匀新材料制成的圆柱体的电阻率时：(1)用游标卡尺为20分度的卡尺测量其长度如图5105甲所示，由图可知其长度为_cm； (2)用螺旋测微器测量其直径如图乙所示，由图可知其直径为_mm.考点2、验证性实验【例3】 现要通过实验验证机械能守恒定律图5106实验装置如图5106所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上的B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t.用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，x表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度用g表示重力加速度完成下列填空和作图：(1)若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_，动能的增加量可表示为_若在运动过程中机械能守恒，与x的关系式为_.(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(A点)下滑，测量相应的x与t值结果如下表所示：12345x/ (m)0.6000.8001.0001.2001.400t/(ms)8.227.176.445.855.43/(×104 s2)1.481.952.412.923.39以x为横坐标，为纵坐标，在图5107位置的坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k_×104 m1·s2(保留三位有效数字)由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出x直线的斜率k0，将k和k0进行比较，若其差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律【变式探究】 (1)某实验小组用如图5108所示的装置验证“力的平行四边形定则”将弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的挂钩处系一细线，把细线的另一端系在A下端细线上的O点手持B水平向左拉，使O点缓慢地向左移动，保持B的拉力方向不变不计弹簧测力计重力，拉力不超出量程，则A、B的示数FA、FB的变化情况是_AFA、FB均变大，其合力大小和方向都不变BFA、FB均变大，其合力大小和方向都改变CFA变大，FB变小，其合力大小不变，方向改变DFA、FB的合力大小改变，方向不变(2)另一实验小组的甲、乙、丙三位同学做此实验，所用弹簧测力计的量程为05 N，他们都把橡皮条的一端固定在木板上的A点，橡皮条的另一端通过细绳连接弹簧测力计，用两个弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点，此时细绳都与平板平行，用F1和F2表示拉力的方向和大小甲同学F1和F2的方向互相垂直，F13.0 N、F23.8 N；乙同学F1和F2方向间的夹角约为30°，F1F24.0 N；丙同学F1和F2方向间的夹角约为120°，F1F24.0 N这三位同学中操作不合适的是_(填“甲”、“乙”或“丙”)【变式探究】 为了用实验“验证牛顿第二定律”，现提供如图5109所示的实验装置请回答下列问题： (1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取的做法是_；A将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动B将木板带滑轮的一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动C将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动D将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车能够静止在木板上(2)在实验中，得到一条打点的纸带，如图51010所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，则小车加速度的表示式为a_； (3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，研究加速度a与所受外力F的关系，他们在轨道水平和倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条aF图线，如图51011所示图线_是在轨道倾斜情况下得到的(选填“”或“”)；小车及车中的砝码总质量m_ kg.考点3、探究性实验【例4】(2013·新课标全国卷，22)某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究，一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连弹簧处于原长时，小球恰好在桌面边缘，如图51012所示向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放，小球离开桌面后落到水平地面通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能图51012回答下列问题：(1)本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等已知重力加速度大小为g.为求得Ek，至少需要测量下列物理量中的_(填正确答案标号)A小球的质量mB小球抛出点到落地点的水平距离sC桌面到地面的高度hD弹簧的压缩量xE弹簧原长l0(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek_.(3)图51013中的直线是实验测量得到的sx图线从理论上可推出，如果h不变m增加，sx图线的斜率会_(填“增大”、“减小”或“不变”)：如果m不变，h增加，sx图线的斜率会_(填“增大”、“减小”或“不变”)由图中给出的直线关系和Ek的表达式可知，Ep与x的_次方成正比 【变式探究】 某组同学在做探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系，采用了如图51014装置，小车和车中砝码的总质量用M表示，砂和砂桶的总质量用m表示 (1)现有下列器材：电火花计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、砂桶、砂子、细线、秒表、导线、砝码、刻度尺其中不需要的器材是_，还需要的器材是_(2)在做实验过程中，以下做法正确的是_A平衡摩擦力时，应把砂桶用细线通过定滑轮系于小车上B砂和砂桶质量m一定时，改变小车(含砝码)质量M，都需重新平衡摩擦力C实验中，要求砂和砂桶质量m远小于小车(含砝码)质量MD在探究外力一定，加速度与质量关系时，应该改变砂桶与砂的质量m【变式探究】 (1)某兴趣小组想通过物块在斜面上运动的实验探究“合外力做功和物体速度变化的关系”实验开始前，他们提出了以下几种猜想：W，Wv，Wv2.他们的实验装置如图51015甲所示，PQ为一块倾斜放置的木块，在Q处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过Q点时的速度)，每次实验，物体从不同初始位置由静止释放同学们设计了以下表格来记录实验数据，其中L1、L2、L3、L4代表物体分别从不同初始位置处无初速释放时初始位置到速度传感器的距离，v1、v2、v3、v4表示物体每次通过Q点的速度实验次数1234LL1L2L3L4vv1v2v3v4他们根据实验数据绘制了如图乙所示的Lv图象，并得出结论Wv2.他们的做法是否合适，你有什么好的建议？_(2)在此实验中，木板与物体间摩擦力的大小_(填“会”或“不会”)影响探究结果【例1】 (2013·江苏卷，11)某兴趣小组利用自由落体运动测定重力加速度，实验装置如图51016所示倾斜的球槽中放有若干个小铁球，闭合开关K，电磁铁吸住第1个小球手动敲击弹性金属片M，M与触头瞬间分开，第1个小球开始下落，M迅速恢复，电磁铁又吸住第2个小球当第1个小球撞击M时，M与触头分开，第2个小球开始下落.这样，就可测出多个小球下落的总时间 (1)在实验中，下列做法正确的有_A电路中的电源只能选用交流电源B实验前应将M调整到电磁铁的正下方C用直尺测量电磁铁下端到M的竖直距离作为小球下落的高度D手动敲击M的同时按下秒表开始计时(2)实验测得小球下落的高度H1.980 m，10个小球下落的总时间T6.5 s可求出重力加速度g_m/s2.(结果保留两位有效数字)(3)在不增加实验器材的情况下，请提出减小实验误差的两个办法(4)某同学考虑到电磁铁在每次断电后需要时间t磁性才消失，因此，每个小球的实际下落时间与它的测量时间相差t，这导致实验误差为此，他分别取高度H1和H2，测量n个小球下落的总时间T1和T2.他是否可以利用这两组数据消除t对实验结果的影响？请推导说明【变式探究】某学习小组利用自行车的运动“探究阻力做功与速度变化的关系”人骑自行车在平直的路面上运动，当人停止蹬车后，由于受到阻力作用，自行车的速度会逐渐减小至零，如图51017所示在此过程中，阻力做功使自行车的速度发生变化设自行车无动力后受到的阻力恒定(1)在实验中使自行车在平直的公路上获得某一速度后停止蹬车，需要测出人停止蹬车后自行车向前滑行的距离s，为了计算自行车的初速度v，还需要测量_(填写物理量的名称及符号)(2)设自行车受到的阻力恒为f，计算出阻力做的功W及自行车的初速度v.改变人停止蹬车时自行车的速度，重复实验，可以得到多组测量值以阻力对自行车做功的大小为纵坐标，自行车初速度为横坐标，作出Wv曲线分析这条曲线，就可以得到阻力做的功与自行车速度变化的定性关系在实验中作出Wv图象如图所示，其中符合实际情况的是_【变式探究】 如图51018所示，利用打点计时器测量小车沿斜面下滑时所受阻力，小车在斜面上下滑时打出的一段纸带如图51019所示，其中O为小车开始运动时打出的点设在斜面上运动时所受阻力恒定 (1)已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，由纸带数据分析可知小车下滑的加速度a_ m/s2，打E点时小车速度vE_ m/s(均取2位有效数字)(2)为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，可运用牛顿运动定律或动能定理求解，在这两种方案中除知道小车下滑的加速度a、打E点时速度vE、小车质量m、重力加速度g外，利用米尺、三角板还需要测量哪些物理量，列出阻力的表达式方案一：需要测量的物理量_，阻力的表达式(用字母表示)_；方案二：需要测量的物理量_，阻力的表达式(用字母表示)_1(1)如图51020所示的是两把游标卡尺，它们的游标尺自左至右分别为9 mm长10等分、19 mm长20等分，它们的读数依次为_mm，_mm.(2)使用螺旋测微器测量两个金属丝的直径，示数如图51021所示，则a、b金属丝的直径分别为_mm，_ mm.2(2013·重庆卷，6(1)我国舰载飞机在“辽宁舰”上成功着舰后，某课外活动小组对舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水，制作了如图51022所示的装置，准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系要达到实验目的，需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的_和在橡皮条阻拦下前进的距离，还必须增加的一种实验器材是_忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力，重力加速度已知，根据_定律(定理)，可得到钢球被阻拦前的速率3请将下列实验步骤或结果补充完整：在“研究弹簧伸长量与弹力关系”的实验中，取一待测弹簧，将弹簧_测出其长度，在其下端竖直悬挂钩码，稳定后测出弹簧的长度，并记录_改变钩码个数，重复上述步骤某同学在图51023所示坐标中，根据弹力F与弹簧形变x的数据标出了五个点请你在图中描绘出相应的Fx 图象，根据图象求出弹簧的劲度系数为_ N/m.(保留两位有效数字)4(2013·浙江卷，21)如图51024所示，装置甲中挂有小桶的细线绕过定滑轮，固定在小车上；装置乙中橡皮筋的一端固定在导轨的左端，另一端系在小车上一同学用装置甲和乙分别进行实验，经正确操作获得两条纸带和，纸带上的a、b、c均为打点计时器打出的点(1)任选一条纸带读出b、c两点间距离为_；(2)任选一条纸带求出c、e两点间的平均速度大小为_，纸带和上c、e两点间的平均速度_(填“大于”、“等于”或“小于”)；(3)图中_(填选项字母)A两条纸带均为用装置甲实验所得B两条纸带均为用装置乙实验所得C纸带为用装置甲实验所得，纸带为用装置乙实验所得D纸带为用装置乙实验所得，纸带为用装置甲实验所得5图51025甲是“验证力的平行四边形定则”的实验装置，请完成实验操作与记录：将弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线ac挂一重物G，如图中虚线所示，记录：测力计A的读数F0.用弹簧测力计B的挂钩拉另一细线的b端，该细线的另一端系在细线ac上的O点处，手持测力计B保持水平方向缓慢向左拉，到达如图所示位置，记录：O点的位置、_、_、_、_和细线Oc的方向某同学已作出FA、FB和合力实验值F的图示，请在图乙中作出合力理论值F的图示，比较F和F的大小和方向，可以得出结论：互成角度的_遵循平行四边形定则62013·天津卷，9(2)某实验小组利用图51026所示的装置探究加速度与力、质量的关系下列做法正确的是_(填字母代号)A调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量_木块和木块上砝码的总质量(填“远大于”、“远小于”或“近似等于”)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码、在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图51027中甲、乙两条直线设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木块间的动摩擦因数分别为甲、乙，由图可知，m甲_m乙，甲_乙(填“大于”、“小于”或“等于”)7(2013·福建卷，19(1)在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图51028)：下列说法哪一项是正确的_(填选项前字母)A平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上B为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量C实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放图51029是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为_ m/s(保留三位有效数字)8(2013·新课标全国卷，22)图51030为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图实验步骤如下：用天平测量物块和遮光片的总质量M，重物的质量m，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，用米尺测量两光电门之间的距离s；调整轻滑轮，使细线水平；让物块从光电门A的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间tA和tB，求出加速度a；多次重复步骤，求a的平均值；根据上述实验数据求出动摩擦因数.回答下列问题：(1) 测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图51031所示其读数为_ cm. (2)物块的加速度a可用d、s、tA和tB表示为a_.(3)动摩擦因数可用M、m、和重力加速度g表示为_.(4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于_(填“偶然误差”或“系统误差”)9.某学校物理兴趣小组利用光控实验板进行了“探究自由落体的下落高度与速度之间的关系”的实验，如图甲所示。同学将数据记录在Excel软件工作簿中，利用Excel软件处理数据，如图乙所示，小组进行探究，得出结论。在数据分析过程中，小组同学先得出了vBh图象，继而又得出h图象，如图丙、丁所示：请根据图象回答下列问题：(1)小明同学在得出vBh图象后，为什么还要作出h图象?。 (2)若小球下落过程机械能守恒，根据实验操作及数据处理，求出图丁图象的斜率为k，则重力加速度g=。 10.如图a为利用气垫导轨(滑块在该导轨上运动时所受阻力可忽略)“验证机械能守恒定律”的实验装置，请结合以下实验步骤完成填空。 (1)将气垫导轨放在水平桌面上，并调节至水平。(2)用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m。用刻度尺测出两光电门中心之间的距离s，用游标卡尺测出挡光条的宽度l，见图b，l的读数为cm。 (3)将滑块移至光电门1左侧某处，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2。读出滑块分别通过光电门1和光电门2时的挡光时间t1和t2。(4)滑块通过光电门1和光电门2时，可以确定系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1=和Ek2=。在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量Ep=。(已知重力加速度为g)比较和，若在实验误差允许的范围内相等，即可认为机械能是守恒的。 - 26 -