1、专题六物理实验 第1讲 力学实验 高考总复习大二轮 物 理 三年考情分析高考命题规律三年考题考查内容核心素养 力学实验考查形式为多知识点覆盖和组合，考查定性分析和定量计算相结合，对学生探究能力提出了较高要求考查点：基本实验仪器的使用：如弹簧测力计、打点计时器、游标卡尺；2019卷22T测加速度科学态度卷22T测动摩擦因数科学态度卷22T测加速度证据2018卷22T测弹簧的劲度系数科学态度卷23T测动摩擦因数科学态度卷22T测人的反应时间证据、交流卷 22T研究小车的直线运动证据卷 22T探究平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系证据、科学态度2017卷 22T验证力的平行四边形定则证据以纸带或者
2、光电门为测量工具的实验，如研究匀变速直线运动、验证牛顿第二定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律；以弹簧为测量工具的实验，如探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则；等.考向一 以游标卡尺或螺旋测微器为测量工具的力学实验知识必备提核心 通技法1游标卡尺的读数游标尺刻度格数刻度总长度(mm)每小格与 1 mm 差(mm)精确度(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)1090.10.1主尺上读的毫米数0.1n20190.050.05主尺上读的毫米数0.05n50490.020.02主尺上读的毫米数0.02n2.螺旋测微器的读数测量值固定刻度整毫米数半毫
3、米数可动刻度读数(含估读值)0.01 mm.典题例析析典题 学通法例 1(2018全国卷，22T)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 1.950 cm；当托盘内放有质量为 0.100 kg 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 9.80 m/s2，此 弹 簧 的 劲 度 系 数
4、为_N/m(保留 3 位有效数字)解析 主尺读数 3.7 cm，即 37 mm，游标尺读数为 15，所以读数为：37 mm15 120 mm37.75 mm3.775 cm.由 Fkx 得：k Fx mgx2x10.1009.803.7751.950102 N/m53.7 N/m.答案 3.775 53.7跟进题组练考题 提能力1(2020合肥质检)(1)图甲是用游标卡尺测量某金属圆筒外径时的示数，可读出该圆筒外径为_cm.(2)图乙是用螺旋测微器测量某金属棒直径时的示数，可读出该金属棒直径为_mm.解析：(1)游标卡尺主尺读数为 24 m m,50 分度游标卡尺的精确度为 0.02 m m，
5、游标尺第 48 条刻度线与主尺刻度线对齐，故游标尺读数为 0.96 m m，所以该圆筒外径测量值为 24.96 m m 2.496 cm.(2)螺旋测微器固定刻度部分读数为 2.5 m m，可动刻度部分最小分度值为0.01 m m，可动刻度部分读数为 32.70.01 m m 0.327 m m，因此金属棒的直径测量值为 2.827 m m.答案：(1)2.496(2)2.827(2.8262.828 均对)2.在一次实验中，张华同学用螺旋测微器测某长方体工件的厚度如图所示，根据图示可判断其厚度为_ mm；该学生用下列某种仪器测得该工件的宽度为 1.275 cm.则该同学所用的仪器可能是_(将
6、正确答案的序号填在横线上)螺旋测微器 10 分度游标卡尺 20 分度游标卡尺 50分度游标卡尺解析：螺旋测微器固定刻度部分读数为 1.5 m m，可动刻度部分最小分度值为 0.01 m m，可动刻度部分读数为 20.00.010.200，因此工件厚度为 1.700 m m.若用某种仪器测出的工件的宽度为 1.275 cm12.75 m m，由于以毫米为单位，小数点后有两位有效数字，测量仪器不可能是螺旋测微器和10 分度游标卡尺，又由于最后一位是 5，只有 20 分度的游标卡尺最后一位才是 0 或 5，所以应是.答案：1.700 易错警示辨易错 防未然游标卡尺和螺旋测微器读数时应注意的问题(1)
7、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确定主尺的分度(一般是 1 cm，即 10 mm)，把数据读成以毫米为单位的，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，而把主尺的示数读错(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，由可动刻度的 0 刻度线位置判定；要准确到 0.01 mm，估读到 0.001 mm，即结果若用 mm 做单位，则小数点后必须保留三位数字.考向二 以打点计时器或光电门为计时工具的力
8、学实验知识必备提核心 通技法1计时仪器的测量方法计时仪器测量方法秒表秒表的读数方法：测量值(t)短针读数(t1)长针读数(t2)，无估读打点计时器(1)tnT(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2.纸带的处理方法(1)由纸带确定时间要区别打点计时器(打点周期为 0.02 s)打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，若每五个点取一个计数点，则计数点间的时间间隔 t0.025 s0.10 s.(2)求解瞬时速度利用做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速
9、度求打某一点的瞬时速度如图甲所示，第 n 点的瞬时速度 vnxnxn12T.甲(3)用“逐差法”求加速度 乙如图乙所示，因为 a1x4x13T2，a2x5x23T2，a3x6x33T2，所以 aa1a2a33x4x5x6x1x2x39T2.典题例析析典题 学通法例 2(2019课标，22)如图(a)，某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验所用器材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率 50 Hz 的交流电源、纸带等回答下列问题：(1)铁块与木板间动摩擦因数 _(用木板与水平面的夹角、重力加速度 g 和铁块下滑的加速度 a 表示)(2)某次实验时，调整木板与水平面的夹角使 3
10、0.接通电源，开启打点计时器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图(b)所示图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有 4 个点未画出)重力加速度为 9.80 m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为_(结果保留 2 位小数)审题指导(1)利用牛顿第二定律列方程得出的表达式(2)认真读题，注意 g 用 9.80 m/s2来计算，而不能习惯性用 10 m/s2来计算(3)利用逐差法，精准计算加速度值解析 本题考查牛顿第二定律及考生的实验探究能力，体现了科学探究与科学推理的核心素养(1)对铁块，根据牛顿第二定律得mgsin mgcos ma，解得 gsin
11、 agcos .(2)利用逐差法可得 a76.3931.8331.835.0010290.12m/s21.97 m/s2，由于 30，g9.80 m/s2，则 0.35.答案(1)gsin agcos (2)0.35跟进题组练考题 提能力1(2019课标，22)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
12、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)解析：本题考查了匀变速直线运动中数据的处理与加速度的计算，考查了学生的实验能力，体现了科学思维中模型建构、科学推理等素养要素，渗透了科技进步的价值观念(1)运动时间可由相机拍照的时间间隔来确定，不需要秒表与光电门本实验中不需要测量小球的质量，故不需要天平但需测量小球下落的距离，故需要米尺(2)由于不知照相机的放大倍数，故不能通过测量小球在照片上下落的距离来获得小球的实际下落距离，所以只能将米尺与小球的
13、运动拍摄在同一张照片中因小球做自由落体运动，故米尺只能竖直放置(3)由 x gT2 得 当 地 的 重 力 加 速 度 的 大 小 为 g xT2 0.5870.2450.2450.12 m/s29.7 m/s2.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)9.72用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在 O 点；在 O 点右侧的 B、C 位置各安装一个光电门，计时器(图中未画出)与两个光电门相连先用米尺测得 B、C 两点间距离 s，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A，静止释放，计时器显示遮光片从 B 到 C 所用的时间 t，用米
14、尺测量 A、O 之间的距离 x.(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是_(2)为求出弹簧的弹性势能，还需要测量_A弹簧原长 B当地重力加速度C滑块 C(含遮光片)的质量(3)增大A、O之间的距离x，计时器显示时间t将_A增大 B减小 C不变解析：(1)滑块离开弹簧后做匀速运动，则速度的大小为st.(2)弹簧的弹性势能完全转化成滑块的动能，即 Ep 弹12mv2，故除了测量速度外，还要测量滑块(含遮光片)的质量(3)增大 x，弹簧弹性势能增大，滑块离开弹簧后的速度增大，故从 B 到 C 所用的时间减小答案：(1)st(2)C(3)B规律方法知规律 握方法利用光电门求瞬时速度和加速度的方法有些
15、实验用光电门代替打点计时器来完成瞬时速度和加速度的测量，具体做法如下：(1)求瞬时速度：把遮光条(宽度为 d)通过光电门的时间 t 内的平均速度看作物体经过光电门的瞬时速度，即 v dt.(2)求加速度：若两个光电门之间的距离为 L，则利用速度与位移的关系可求加速度，即 av22v212L.考向三“橡皮条、弹簧”类实验知识必备提核心 通技法1探究弹力和弹簧伸长量的关系(1)实验原理要测出每次悬挂重物的重力大小 G 和弹簧伸长的长度 x，建立Gx 坐标，描点作图探究(2)操作关键实验中不能挂过多的钩码，使弹簧超过弹性限度作图像时，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的两侧
16、2验证力的平行四边形定则(1)实验原理使一个力的作用效果跟两个力的共同作用效果相同(2)操作关键每次拉伸结点位置 O 必须保持不变；记下每次各力的大小和方向；画力的图示时应选择适当的标度典题例析析典题 学通法例 3(2018新课标，22)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴(横轴为 x 轴，纵轴为 y 轴，最小刻度表示 1 mm)的纸贴在水平桌面上，如图(a)所示将橡皮筋的一端 Q固定在 y 轴上的 B 点(位于图示部分之外)，另一端 P 位于 y 轴上的 A点时，橡皮筋处于原长(1)用一只测力计将橡皮筋的 P 端沿 y 轴从 A 点拉至坐标原点 O，此时拉力 F 的大小可
17、由测力计读出测力计的示数如图(b)所示，F的大小为_N.(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋 P 端回到 A 点；现使用两个测力计同时拉橡皮筋，再次将 P 端拉至 O 点此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F14.2 N 和 F25.6 N.()用 5 mm 长度的线段表示 1 N 的力，以 O 为作用点，在图(a)中画出力 F1、F2 的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力 F 合；()F 合的大小为_N，F 合与拉力 F 的夹角的正切值为_若 F 合与拉力 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
18、定则审题指导(1)弹簧秤的读数要注意有效数值的位数(2)作力的平行四边形时要注意标度 解析(1)由图可知，F 的大小为 4.0 N (2)()如图所示()用刻度尺量出 F 合的线段长为 20 m m，所以 F 合大小为 4.0 N，F 合与拉力 F 的夹角的正切值为 0.05 答案(1)4.0(2)()见解析()4.0 0.05跟进题组练考题 提能力1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 l 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
19、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 l 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_解析：(1)图乙的示数为 14.66 cm，所以弹簧的伸长量为(14.667.73)cm6.93 cm.(2)为了得到较多的数据点，应逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码弹簧的长度和钩码的总重力，即 A 正确(3)不遵循胡克定律，说明超出了弹簧的弹性限度答案：(1)6.93(2
20、)A(3)超过弹簧的弹性限度2某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图(a)所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能(1)实验中涉及下列操作步骤：把纸带向左拉直松手释放物块接通打点计时器电源向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是_(填入代表步骤的序号)(2)图(b)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果打点计时器所用交流电的频率为 50 Hz.由 M 纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的
21、实验中物块脱离弹簧时的速度为_ m/s.比较两纸带可知，_(填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大解析：(1)实验步骤中，一定要注意接通打点计时器电源之后再松手释放物块若次序搞反，可能造成物块已离开桌面但打点计时器还没有开始工作(2)从纸带上看，最后两个数据 2.58 cm、2.57 cm 相差不大，表示物块已经脱离弹簧，所以速度 v2.582.5720.02 102 m/s1.29 m/s，同理可计算出打下 L 纸带时物块脱离弹簧的速度要小一些答案：(1)(2)1.29 M3(2020长春质监)某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系，选取的实验装置如图所示，实验
22、主要步骤如下：(1)实验时，为使小车只在橡皮筋作用下运动，在未连接橡皮筋时将木板的左端用小木块垫起，使木板倾斜合适的角度，打开打点计时器，轻推小车，得到的纸带应该是_(填“甲”或“乙”)(2)使小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出，沿木板滑行，这时橡皮筋对小车做的功为 W.(3)再用完全相同的 2 条、3 条橡皮筋作用于小车，每次由静止释放小车时橡皮筋的_(填写相应实验条件)，使橡皮筋对小车做的功分别为 2W、3W(4)分析打点计时器打出的纸带，分别求出小车每次获得的最大速度 v1、v2、v3(5)作出 Wv 图像，则下列符合实际的图像是_解析：(1)平衡摩擦力后，小车应做匀速直线运动，所以纸带
23、应该是乙(3)为了使橡皮筋对小车做功成倍数增加，每次橡皮筋形变量相同(5)由动能定理可知 W12mv2，应选 D.答案：(1)乙(3)伸长量(形变量、长度)都相同(5)D考向四 力学创新实验知识必备提核心 通技法1以基本的力学模型为载体，依托运动学规律和力学规律设计实验2将实验的基本方法控制变量法，处理数据的基本方法图像法、逐差法，融入实验的综合分析之中典题例析析典题 学通法例 4(2017全国卷，22)某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动，用自制“滴水计时器”计量时间实验前，将该计时器固定在小车旁，如图甲所示实验时，保持桌面水平，用手轻推一下小车在小车运动过程中，滴水计时器等时间间隔地滴
24、下小水滴，图乙记录了桌面上连续的 6 个水滴的位置(已知滴水计时器每30 s 内共滴下 46 个小水滴)(1)由图乙可知，小车在桌面上是_(选填“从右向左”或“从左向右”)运动的(2)该小组同学根据图乙的数据判断出小车做匀变速运动小车运动到图乙中 A 点位置时的速度大小为_ m/s，加速度大小为_ m/s2.(结果均保留 2 位有效数字)审题指导(1)处理“纸带”时，对于匀变速直线运动，求某点的瞬时速度需利用 vt2v.(2)求加速度时应利用 xaT2.当需要考虑减小偶然误差时，应采用逐差法求加速度解析(1)轻推小车后，小车在桌面上做减速运动，桌面上“水滴”的间距应逐渐减小，小车的运动方向是从
25、右向左(2)相邻两水滴的时间间隔为 t3045 s23 s，小车运动到 A 位置时 速 度 大 小 为 vA x3x22t 117133103223 m/s 0.187 5 m/s0.19 m/s；小车运动的加速度大小为 a|x5x4x2x1|6t20.038 m/s2.答案(1)从右向左(2)0.19 0.038跟进题组练考题 提能力1(2019醴陵市一模)某同学“探究加速度与物体合力的关系”的实验装置如图 1 所示，图中 A 为小车，质量为 m1，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器 B，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的固定长木板上，P 的质量为 m2，C 为弹簧测力计，实验时改变 P的
26、质量，读出测力计的示数 F，不计轻绳与滑轮、滑轮与轮轴的摩擦、滑轮的质量(1)下列说法正确的是_A实验中 m2 应远小于 m1B长木板必须保持水平C实验时应先接通电源后释放小车D小车运动过程中测力计的读数为m2g2(2)图 2 是实验过程中得到的一条纸带，O、A、B、C、D 为选取的计数点，相邻的两个计数点之间有四个点没有画出，各计数点到 O点的距离分别为：8.00 cm、17.99 cm、30.00 cm、44.01 cm，若打点计时器的打点频率为 50 Hz，则由该纸带可知小车的加速度大小为_m/s2(结果保留三位有效数字)(3)实验时，某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到
27、的 aF 图像可能是图 3 中的图线_图 3解析：(1)小车所受的拉力可以通过弹簧秤测出，不需要满足 m2远小于 m1，故 A 错误实验应该平衡摩擦力，所以木板不能水平，故 B 错误实验时应先接通电源后释放小车，故 C 正确根据牛顿第二定律知，m2g2T，则 Tm2g2，故 D 错误故选 C.(2)根 据x aT2，运 用 逐 差 法 得，a xBDxOB4T244.0117.9917.9910240.01 m/s22.01 m/s2.(3)某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，则 F 不等于零时，a 为零，故选 B.答案：(1)C(2)2.01(3)B2某同学用如图所示的装置验证机械能守
28、恒定律一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于 A 点光电门固定在 A 的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为 d 的遮光条将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间 t 可由计时器测出，取 vdt作为钢球经过 A 点时的速度记录钢球每次下落的高度h 和计时器示数 t，计算并比较钢球在释放点和 A 点之间的势能变化大小 Ep 与动能变化大小 Ek，就能验证机械能是否守恒(1)用 Epmgh 计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度 h 应测量释放时的钢球球心到_之间的竖直距离A钢球在 A 点时的顶端B钢球在 A 点时的球心C钢球在 A 点时的底端(2)Ek12mv2 计
29、算钢球动能变化的大小用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图所示，其读数为_ cm.某次测量中，计时器的示数为 0.010 0 s则钢球的速度为 v_ m/s.(3)下表为该同学的实验结果：Ep/(102 J)4.8929.78614.6919.5929.38Ek/(102 J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的 Ep 与 Ek 之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的你是否同意他的观点？请说明理由(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议解析：(1)高度变化要比较钢球球心的高度变化(2)毫米刻度尺读数时要估读到毫米下一位，由 vdt代入数据可计算出相应速度(3)从表中数据可知 EkEp，若有空气阻力，则应为 EkEp，所以不同意他的观点(4)实验中遮光条经过光电门时的速度大于钢球经过 A 点时的速度，因此由 Ek12mv2 计算得到的 Ek 偏大，要减小 Ep 与 Ek 的差异可考虑将遮光条的速度折算为钢球的速度答案：(1)B(2)1.50(1.491.51 都算对)1.50(1.491.51 都算对)(3)不同意，因为空气阻力会造成 Ek 小于 Ep，但表中 Ek 大于 Ep(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度 L 和 l，计算 Ek时，将 v 折算成钢球的速度 v lL v.
