1、专题十三 力学实验 专题十三 力学实验 主干知识整合专题十三 主干知识整合 一、力学实验备考要点分类名称备考要点测量性实验研究匀变速直线运动数据处理方法：(1)公式法：vt2v、xaT2(2)图象法：vt 图象验证性实验验证机械能守恒定律用自由落体运动进行实验，知道如何从纸带的数据中确定 Ep 和 Ek验证力的平行四边形定则弹簧秤的使用注意事项及读数、力的图示、根据平行四边形定则求出合力专题十三 主干知识整合 分类名称备考要点验证性实验验证牛顿运动定律注意控制变量法的应用、图象的处理以及实验的注意事项研究性实验探究弹力和弹簧伸长的关系应在弹簧弹性限度内增加钩码个数；记录弹簧伸长以及所受拉力的数
2、据，在坐标纸上描点，作出拟合曲线；写出与曲线对应的函数，解释函数中各量的物理意义探究动能定理注意平衡摩擦力，功的大小的确定以及物体速度的求解专题十三 主干知识整合 二、力学实验中的测量方法待测量 测量方法 说明长度利用刻度尺毫米刻度尺精度为 1 mm，读数时应估读到 0.1 mm利用游标卡尺读数方法：测量值主尺上指示的毫米数精度游标尺对齐的格数精度：10 分度的游标卡尺精度为 0.1 mm,20分度的游标卡尺精度为 0.05 mm,50 分度游标卡尺精度为 0.02 mm.游标卡尺不估读专题十三 主干知识整合 待测量测量方法说明长度利用螺旋测微器读数方法：测量值固定刻度上指示的毫米数(注意半毫
3、米刻线是否露出)精度转动圆筒上与固定刻度中心刻线所对刻度值(注意刻度值要估读)精度：螺旋测微器精度为 0.01 mm时间利用秒表秒表精度：秒表精度通常为 0.1 s，秒表不估读秒表读数：内盘读数(注意是否超过半分钟)外盘读数专题十三 主干知识整合 待测量测量方法说明时间利用打点计时器tnT(n 表示打点的时间间隔的个数，T 表示打点周期)打点周期与所接交流电周期相同利用光电计时器光电计时器能自动记录挡光时间，显示在读数窗口质量利用天平物体质量砝码总质量游码示数游码最小分度力弹簧测力计力的大小精度指针指示的格数(注意估读)专题十三 主干知识整合 待测量测量方法说明速度利用打点纸带若纸带做匀变速直
4、线运动，则打某点时的瞬时速度等于对应的平均速度利用频闪照相(利用等时间间隔照片信息记录物体在不同时刻的位置)同上利用光电门v0 dt(d 表示滑块上挡光片的宽度，t 表示挡光片挡光时间)由于挡光片的宽度很小，在这里可用平均速度表示其瞬时速度专题十三 主干知识整合 待测量测量方法说明加速度利用打点纸带(频 闪 照相)若纸带做匀变速直线运动，则 axT2或 axmxnmnT2利用光电门若纸带做匀变速直线运动，则 a v2v1t(v1、v2 分别表示通过光电门测得的滑块在 t1、t2两个时刻的速度，t 表示对应的时间)专题十三 主干知识整合 三、实验数据的记录与处理1.系统误差和偶然误差(1)系统误
5、差的特点是测量值总是有规律地朝着某一方向偏离真实值(误差总是偏大或总是偏小)系统误差的主要来源是仪器本身不够精确、实验原理与方法不够完善(2)偶然误差是由于偶然因素的影响，造成测量值无规则起伏，有时偏大、有时偏小可用多次测量求平均值的方法减小偶然误差，平均值比某一次测得的数值更接近于真实值2有效数字：带有一位不准确数字的近似数字(1)凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值(可靠数字)后，再向下估读一位(不可靠数字)，不受有效数字位数的限制；专题十三 主干知识整合 (2)间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用23位有效数字表示3仪器读数(1)使用刻度尺
6、、弹簧测力计、温度表、电流表、电压表等仪器时，凡是最小刻度是10分度的，要求读到最小刻度后再把最小刻度10等分估读一位(估读的这位是不可靠数字，却是有效数字的不可缺少的组成部分)最小刻度是5(或2)分度的，则把最小刻度5(或2)等分估读一位例如图5131甲用毫米刻度尺测量物体长度为6.50 cm，图乙电压表用15 V量程时最小刻度为0.5 V，读作5.5 V0.2 V(5等分估读)5.7 V.专题十三 主干知识整合 (2)游标卡尺、秒表、电阻箱由于本身构造的原因不需要估读，欧姆表因为本身测量值就不准确，因此不需要估读 专题十三 主干知识整合 4实验数据的处理实验数据的处理方法有公式法、列表法、
7、逐差法和图象法测量性实验中用图象法处理数据可有效地减小实验误差，图象法比其他方法更适用于探究性实验，选取适当的自变量，通过画出图象可以找到或反映物理量之间的变化关系，且便于找出其中的规律，确定对应量的函数关系画图象时应注意：(1)根据测量的要求选定坐标轴，一般以横轴为自变量，纵轴为因变量，坐标轴要标明所代表的物理量的名称及单位；(2)坐标轴标度的选择要合适，使测量数据能在坐标轴上得到准确的反映，在物理图象中，坐标原点可以是零也可以不是零 要点热点探究专题十三 要点热点探究 探究点一 测量性实验测量性实验一般以某一原理或物理规律(公式)为依据，通过测量相关的物理量，从而实现测定某个(或某些)物理
8、量或物理常数的实验目的测量可分为直接测量和间接测量，高中物理实验涉及的测量性实验大多为间接测量实验，即通过直接测量和推导计算来间接得到待测量，联系直接测量量和待测量间的关系是该实验的实验原理 专题十三 要点热点探究 例 1 2011课标全国卷 利用图 5132 所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间 t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离 x，记下相
9、应的 t 值；所得数据如下表所示专题十三 要点热点探究 x/m0.5000.6000.7000.8000.9000.950t/ms292.9371.5452.3552.8673.8776.4xt/(ms1)1.711.621.551.451.341.22专题十三 要点热点探究 完成下列填空和作图：(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小 a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度 v1、测量值 x 和 t 四个物理量之间所满足的关系式是 ；(2)根据表中给出的数据，在图 5133 给出的坐标纸上画出xtt图线；(3)由 所 画 出 的 xt t 图 线，得 出 滑 块 加 速 度 的 大 小 为
10、 a m/s2(保留 2 位有效数字)专题十三 要点热点探究 专题十三 要点热点探究 例 1(1)xt12atv1(或 x12at2v1t)(2)xtt 图线如图所示(3)2.0专题十三 要点热点探究【解析】(1)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，故中间时刻瞬时速度为xt，由 v1xt12at，故xt12atv1(或将加速度为 a 的匀加速运动看成反方向的加速度为a 的匀减速运动，则 x12at2v1t)(2)由表中所给数据描点连线，注意描点时应使尽量多的点在直线上或分居在直线两侧，其图线如图所示(3)由xt 12atv1 知，xt t 图线的斜率 k12a，又图
11、线过(0.20,1.81)、(0.80,1.20)两点，k1.811.200.200.801.0，故 a2.0 m/s2.专题十三 要点热点探究【点评】本题是在教材学生实验研究匀变速直线运动的规律的基础上适度延伸和拓展命制的，属于间接测量性实验，考查考生对基本实验的理解和应用能力，属于最基本的实验能力要求，要求考生深刻理解基本实验原理，领悟其中渗透的实验思想、方法、理论，并能迁移应用 专题十三 要点热点探究 2011安徽卷 为了测量某一弹簧的劲度系数，将该弹簧竖直悬挂起来，在自由端挂上不同质量的砝码实验测出了砝码质量m与弹簧长度l的相应数据，其对应点已在图5134上标出(g9.8 m/s2)(
12、1)作出ml的关系图线；(2)弹簧的劲度系数为 N/m.专题十三 要点热点探究 专题十三 要点热点探究 例 1 变式题(1)如图所示(2)0.258专题十三 要点热点探究【解析】(1)根据所描的点画直线即可(2)在直线上取相距较远的两点，横轴之差 l 为弹簧长度的变化量，纵轴之差 m 为砝码质量的变化量，根据 kFl mgl 0.258 N/m.专题十三 要点热点探究 探究点二 验证性实验验证性实验要求用实验的方法来验证科学家已归纳、总结和证明了的结论，通过实验过程的再现，加深对规律适用条件和结论的理解解决验证性实验相关问题的关键是根据题目给定的实验条件、实验过程、实验情景领会命题意图，找出实
13、验中应测定的物理量，明确在误差允许的范围内通过怎样的定量关系才能达到实验目的专题十三 要点热点探究 例2 2011海南卷 现要通过实验验证机械能守恒定律实验装置如图5135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：
14、专题十三 要点热点探究(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少量可表示为，动能的增加量可表示为若在运动过程中机械能守恒，1t2与 x 的关系式为1t2.图 5135专题十三 要点热点探究(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/m0.6000.8001.0001.2001.400t/ms8.227.176.445.855.431t2/104 s21.481.952.412.923.39以 x 为横坐标，1t2为纵坐标，在图 5136 的坐标纸中描出第
15、 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 k104m1 s2(保留 3 位有效数字)专题十三 要点热点探究 专题十三 要点热点探究 例 2(1)Mgxhdmgx Mmb22t2 2MhmdgxMmdb2(2)如图所示 2.43专题十三 要点热点探究【解析】(1)滑块从 A 运动到 B 的过程中，滑块的重力势能减少Mgxhd，砝码的重力势能增加 mgx；滑块通过遮光片的速度 vbt，此时系统的动能 Ek12(Mm)v2Mmb22t2，此即为系统动能的增加量；若机械能守恒，则有MgxhdmgxMmb22t2，即1t22MhmdgxMmdb2专题十三 要点热点探究【点评】本
16、题是验证机械能守恒定律实验的再设计，将传统实验方法中使用的打点计时器改为气垫导轨和光电计时装置，这需要学生从验证的机械能守恒定律出发，根据实验条件理解实验步骤，明确需要直接测量和间接计算哪些物理量，需要验证什么关系才能表示小车运动过程中的机械能守恒 专题十三 要点热点探究 2010安徽卷 利用如图5137所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v0和下落高度h.某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案A用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过vgt计算出瞬时速度v0专题十三 要点热点探究 B用刻度尺测出物体下落的高度 h，并
17、通过 v 2gh计算出瞬时速度 v0C根据做匀加速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度，并通过计算得出高度 hD用刻度尺测出物体下落的高度 h，根据做匀加速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度 v0以上方案中只有一种正确，正确的是 .(填入相应的字母)专题十三 要点热点探究 专题十三 要点热点探究 例 2 变式题 D【解析】选项 A、B 中用重力加速度 g 计算末速度，相当于已经承认该过程中机械能守恒，故选项 A、B 错误；高度 h 应该用刻度尺测出，故选项 C 错误、D 正确专题十三 要点热点探究 探究点三
18、探究性实验探究性实验旨在通过实验探索某种物理规律、研究某个物理问题近年来探究性实验在高考实验中占的比例逐步增大，注重考查考生的科学探究能力和知识的形成过程探究性实验要求学生将自己掌握的物理知识和实验技能创造性地应用到新的实验情境中，由题给条件自行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律 专题十三 要点热点探究 例3 为了“探究功与物体速度变化的关系”，现提供如图5138所示的器材，请思考探究思路并回答下列问题：(1)为 了 消 除 摩 擦 力 的 影 响，应 采 取 的 措 施：_ 专题十三 要点热点探究
19、(2)在某次实验中某同学得到了如图5139所示的一条纸带，在A、B、C、D、E五个计数点中应该选用 (填“B”、“C”或“D”)点的速度才符合实验要求，因为：_。专题十三 要点热点探究 例 3(1)将木板远离滑轮的一端适当垫高，平衡摩擦力(2)C 选择最大速度，橡皮筋的弹性势能才完全释放，以保证拉力做功与橡皮筋的数目成正比【解析】(1)本实验应满足橡皮筋对小车的拉力等于小车受到的合力，所以实验前应将木板远离滑轮的一端适当垫高，使小车在不受拉力时能沿木板匀速运动，以消除摩擦力对实验的影响(2)本实验是探究橡皮筋拉力对小车做的功与小车速度变化的关系，应测量橡皮筋的拉力做功后橡皮筋的弹性势能完全释放
20、完毕时小车的最大速度，选用小车匀速运动段(计数点间隔距离均匀的部分)计算小车经过 C点时的速度，以保证拉力做功与橡皮筋的数目成正比专题十三 要点热点探究【点评】“探究功与物体速度变化的关系”实验中，打点计时器打出的纸带应该先逐渐变疏后均匀不变，本实验给出的打点纸带有明显的误差，这是由于摩擦力没有被完全平衡造成的，解答时无需理会 专题十三 要点热点探究 下端加挂钩码，做实验研究弹力跟弹簧总长度的关系，下表是他的实验数据，实验时弹簧始终未超过弹性限度，弹簧的质量可以不计，取 g10 m/s2.钩码质量m/g 弹簧总长度L/cm 0 6.0 30 7.0 60 8.0 90 9.1 120 9.9
21、150 11.2 专题十三 要点热点探究(1)根据实验数据在图51310给定的坐标系中作出弹力F跟弹簧总长度 L 的关系图线；(2)根据作出的图线写出弹力 F 跟弹簧总长度 L 之间的关系式专题十三 要点热点探究 例 3 变式题(1)如图所示(2)F30(L0.06)N专题十三 要点热点探究【解析】(1)描点，作出 FL 图象如图所示(2)根据图象计算斜率 k30 N/m，得弹力 F 跟弹簧总长度 L 之间的关系为 F30(L0.06)N.专题十三 要点热点探究 探究点四 实验创新与设计创新和设计性实验要求学生运用学过的实验方法，自行设计一个新的实验方案它要求学生自主设计实验原理，选择实验器材
22、，安排实验步骤，设计实验数据处理的方法并分析实验误差实验创新与设计主要考查学生是否理解实验原理，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力，对能力的要求较高1设计性实验考查实验知识的综合应用，解决设计性实验问题的关键在于根据实验原理设计实验方案实验原理是进行实验设计的根本依据和出发点，它决定实验过程的设置、应当测量哪些物理量、如何安排实验步骤等问题专题十三 要点热点探究 2求解设计性实验的步骤(1)从实验目的入手；(2)根据问题的要求和条件，回顾课本实验原理，联想实验模型，适当迁移，确定实验原理和实验过程；(3)根据实验器材和原理，设计具体的实验方案；(4)设计实验记录
23、表格，测量物理量，处理实验数据，进行误差分析在保证正确性、安全性、准确性、可操作性的原则下，实验的设计一般依据以下步骤进行：专题十三 要点热点探究 专题十三 要点热点探究 例4 2011重庆卷 某同学设计了如图51311所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数.滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m，托盘和盘中砝码的总质量为m.实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10 m/s2.专题十三 要点热点探究(1)为 测 量 滑 块 的 加 速 度 a，须 测 出 它 在 A、B
24、 间 运 动 的 与 ，计算 a 的运动学公式是 ；(2)根据牛顿运动定律得到 a 与 m 的关系为：a1gMmmmg他想通过多次改变 m，测出相应的 a 值，并利用上式来计算.若要求 a 是 m 的一次函数，必须使上式中的 保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于 ；(3)实验得到 a 与 m 的关系如图 51312 所示，由此可知 (取两位有效数字)专题十三 要点热点探究 专题十三 要点热点探究 例 4(1)位移 x 时间 t a2xt2(2)mm 滑块上(3)0.23(0.210.25)【解析】(1)由 x12at2 知，要测量滑块的加速度 a 只需测量滑块的位移 x 和滑行时间 t，
25、此时 a2xt2.(2)若要求 a 是 m 的一次函数，只需1 gMmm 保持不变，即(mm)不变，故实验时应将从托盘中取出的砝码置于滑块上专题十三 要点热点探究(3)由图象可知，图象过(69.0103,0.43)和(64.0103,0.23)两点，将之代入 a1 gMmm mg，解得：0.23.【点评】实验创新的目的是使实验更具安全性、合理性、精确性实验创新的途径主要表现在实验原理的创新、实验仪器的选用及其组装方式的创新等几个方面，本题的创新主要表现在实验原理上：为保证 a 是 m 的一次函数，只需要将托盘中的砝码取出置于滑块上即可，这样就避免了因多次称量质量引起的误差，同时也保证了实验数据
26、处理时 am 图象是一条直线专题十三 要点热点探究 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 v，Wv，Wv 2.他们的实验装置如图51313 甲所示，PQ 为一块倾斜放置的木板，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处由静止释放专题十三 要点热点探究 同学们设计了以下表格来记录实验数据其中 L1、L2、L3、L4分别代表物体无初速释放时初始位置到速度传感器的距离，v 1、v 2、v 3、v 4表示物体各次通过 Q 点的速度实验次数 1 2 3 4 L L1 L
27、2 L3 L4 v v 1 v 2 v 3 v 4 专题十三 要点热点探究(1)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Wv 2.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 (选填“会”或“不会”)影响探究出的结果专题十三 要点热点探究 例4变式题1(1)不合适 应该绘制Lv2图象确定结论 Wv 2(2)不会【解析】(1)用表格记录数据，简单、明确、合理绘制的 Lv 图象是曲线，不能确认该图线为抛物线，因此不能得出结论 Wv 2.为了更直观地看出 L 和 v2 的变化关系，应该绘制 Lv2 图象(2)重力和摩擦力的总功也与距离成正比，因此
28、不会影响探究的结果专题十三 要点热点探究 现要验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面(如图 51314 所示)、小车、计时器一个、米尺图 51314(1)填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响)：专题十三 要点热点探究 让小车自斜面上方一固定点 A1 从静止开始下滑至斜面底端 A2，记下所用的时间 t；用米尺测出 A1与 A2之间的距离 x，则小车的加速度 a ；，用米尺测出 A1 相对于 A2 的高度 h，设小车所受重力为 mg，则小车所受合外力 F ；改变 ，重复上述测量；以 h 为横坐标，1t2为
29、纵坐标，根据实验数据作图如能得到一条过原点的直线，则可以验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律专题十三 要点热点探究(2)在“验证牛顿运动定律”的实验中，实验装置如图 51315 甲所示，有一位同学通过实验测量作出了图乙中的 A 图线试分析：图 51315A 图线不通过坐标原点的原因是什么？A 图线上部弯曲的原因是什么？专题十三 要点热点探究 例 4 变式题 2(1)2xt2 mghx 斜面倾角(或 h 的数值)(2)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 未满足钩码质量远小于小车质量【解析】(1)由 x12at2 可得 a2xt2.sinhx，不计摩擦力时，小车的合外力
30、 Fmgsinmghx.小车的质量不变，要改变小车所受的合外力 F 重做上述实验，只要改变斜面的倾角(或 A1、A2 两点间的高度 h 的数值)即可(2)图线在 F 轴上有截距，说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够aF 图线上部弯曲的原因是未满足钩码质量远小于小车质量专题十三 教师备用习题 教师备用习题【备选理由】本题情景灵活，难度不大，符合广东高考的命题特点图1是利用激光测转速的原理示意图，图中圆盘可绕固定轴转动，盘边缘侧面上有一小段涂有很薄的反光材料当盘转到某一位置时，接收器可以接收到反光涂层所反射的激光束，并将所收到的光信号转变成电信号，在示波器显示屏上显示出来(如图2所示).专题十三 教
31、师备用习题(1)若图2中示波器显示屏横向的每大格(5小格)对应的时间为5.00102 s，则圆盘的转速为_r/s.(保留3位有效数字)(2)若测得圆盘直径为10.20 cm，则可求得圆盘侧面反光涂层的长度为_cm.(保留3位有效数字)图1图2专题十三 教师备用习题【解析】(1)从图2可知圆盘转一圈的时间在横坐标上显示22格，由题意知图2中横坐标上每格表示1.00102 s，所以圆盘转动的周期是0.22 s，则转速为4.55 r/s(2)反光引起的电流图象在图2中横坐标上每次一格，说明反光涂层的长度L占圆盘周长的二十二分之一，1.46 cm.LD223.1410.20 cm22【答案】(1)4.55(2)1.46
