届高考物理二轮复习提优专题十二 力学实验13《.docx
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届高考物理二轮复习提优专题十二力学实验13《
能力提升
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0.5mm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”游标.
（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220V交变电流;电磁打点计时器使用的是低压4~6V交变电流.
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
，读数或测量值为:
整数部分（单位）+
格×最小分度（单位），统一单位后得最后结果.
（2）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，读数或测量值为:
主尺部分（单位）+n×精度（单位），统一单位后得最后结果.注意游标不需要估读.
三种游标卡尺的比较:
刻度
格数
刻度总
长/mm
游标上每小格
与1mm相差/mm
精度
/mm
测量结果（游标卡尺上第n个刻度线与主尺上的刻度线对正时）/mm
10
9
0.1
0.1
主尺上读的毫米数+0.1n
20
19
0.05
0.05
主尺上读的毫米数+0.05n
50
49
0.02
0.02
主尺上读的毫米数+0.02n
（3）螺旋测微器要估读，小数点后必须保留三位.
例1 （2014·江都中学）用游标卡尺测得某样品的长度如图甲所示，其读数L= mm;用螺旋测微器测得该样品的外边长a如图乙所示，其读数a= mm.
思维轨迹:
游标卡尺的读数=主尺刻度+游标与主尺对齐的刻度×精度;螺旋测微器的读数=固定刻度+可动刻度×0.01.
解析:
根据游标卡尺的读数方法，读数为20mm+3×0.05mm=20.15mm.根据螺旋测微器的读数方法，读数为1.5mm+23.0×0.01mm=1.730mm.
答案:
20.15 1.730
变式训练1 （2014·淮阴中学）
（1）用螺旋测微器测量一小球的直径，结果如图甲所示，则小球的直径d= mm.
（2）知识的迁移能力是非常重要的，应用螺旋测微器的原理，解决下面问题:
在一些用来测量角度的仪器上，有一个可转动的圆盘，圆盘的边缘标有角度刻度.为了较准确地测量出圆盘转动的角度，在圆盘外侧有一个固定不动的游标，上面共有10个分度，对应的总角度为9度.如图乙中画出了游标和圆盘的一部分，读出此时圆盘的零刻度线相对于游标零刻度线转过的角度为 度.
解析:
（1）螺旋测微器主尺读数为10.5mm，可动刻度一共50个格，代表0.5mm，每个格表示0.01mm，第47.5个格与固定刻度基线对齐，因此可动刻度的读数为0.475mm，故螺旋测微器的读数为10.975mm.
（2）主尺部分的读数为20度，游标尺一共10个格，每个格代表0.1度，第6个刻度线与主尺刻度对齐，故游标尺的读数为0.6度，因此一共是20.6度.
答案:
（1）10.975
（2）20.6
基本实验方法与数据处理
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求得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纸带、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.
数据处理方法:
一是作图法.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.二是数学方法.求纸带上某点的瞬时速度一般用公式vn=
求解，求有6个间隔的纸带加速度一般用公式a=
=
求解.求图象斜率应取图线上间隔较大的两个点去求解.
例2 （2014·徐州测试）图甲所示为某同学设计的“探究加速度a与力F、质量m的关系”的实验装置图，实验中认为细绳对小车的拉力F等于沙和沙桶的总重力，小车运动的加速度可由纸带求得.
甲
（1）该同学对于该实验的认识，下列说法中正确的是 .
A.该实验应用了等效代替的思想方法
B.该实验应用了控制变量的思想方法
C.实验时应先释放小车后接通电源
D.实验中认为细绳对小车的拉力F等于沙和沙桶的总重力，其前提必须保证沙和沙桶总质量远远大于小车的质量
（2）如图乙所示的是该同学在某次实验中利用打点计时器打出的一条纸带，A、B、C、D、E、F是该同学在纸带上选取的六个计数点，其中两相邻计数点间还有若干个点未画出，设相邻两个计数点间的时间间隔为T.该同学用刻度尺测出AC间的距离为s1，BD间的距离为s2，则打下B点时小车运动的瞬时速度vB= ，小车运动的加速度a= .
乙
（3）某实验小组在实验时保持沙和沙桶总质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a、质量m以及对应的
三组数据如表中所示.根据表中数据，在图丙坐标纸上作出F不变时a与
的图象.
次数
1
2
3
4
5
6
小车加速度a/（m·s-2）
1.72
1.49
1.25
1.00
0.75
0.50
小车质量m/kg
0.29
0.33
0.40
0.50
0.71
1.00
/kg-1
3.50
3.00
2.50
2.00
1.40
1.00
丙
思维轨迹:
解析:
（1）在本实验中，由于影响加速度的原因有力F和小车质量m两个，因此实验时采用控制变量法，即控制力F一定时，通过改变小车的质量m，来测量相应的加速度，再控制小车的质量m一定时，通过改变力F，来测量相应的加速度，故选项A错误，选项B正确;实验时应先接通电源，再释放小车，以确保在纸带上打下第一个点时对应的小车速度为零，故选项C错误;在该实验装置中，由于绳不可伸长，因此沙、沙桶和小车始终具有大小相等的加速度，且只有当沙和沙桶的质量远远小于小车的质量时，才能认为细绳对小车的拉力F等于沙和沙桶的总重力，故选项D错误.
（2）小车拖着纸带做匀加速直线运动，因此根据匀变速直线运动规律可知vB=
;利用逐差法可求得小车运动的加速度为a=
.
（3）根据表格提供的数据，分别选取纵、横轴合适的单位长度，依据描点法作图的原则作出a与
的关系图线如图所示.
答案:
（1）B
（2）
（3）图见解析
变式训练2 （2014·苏州测试）在用如图甲所示的装置探究“加速度与物体质量、受力关系”的实验中.
甲
（1）为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行，接下来还需要进行的一项操作是 .
A.将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节砝码盘和砝码质量的大小，使小车在砝码盘和砝码的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动
B.将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砝码盘和砝码，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动
C.将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砝码盘和砝码，轻推小车，观察并判断小车是否做匀速运动
（2）图乙是实验打出的一条纸带，在纸带上标出了5个计数点，相邻的两个计数点之间还有4个点未标出（图中数据的单位是cm），算出小车的加速度a= m/s2（结果保留两位有效数字）.
乙
（3）某同学在“探究加速度与质量的关系”时，通过给小车增加砝码来改变小车的质量M，得到小车的加速度a与质量M的数据，画出a-
图线后发现，当
较大时，图线发生弯曲，于是该同学对实验方案进行了进一步地修正，避免了图线的末端发生弯曲的现象.那么，该同学的修正方案可能是 .
A.改画a与
的关系图线
B.改画a与（M+m）的关系图线
C.改画a与
的关系图线
D.改画a与
的关系图线
解析:
（1）这一步在本实验中称作“平衡摩擦力”，即使小车重力沿斜面向下的分力等于小车下滑过程中所受的阻力，包括了车与木板之间的滑动摩擦力、纸带与打点计时器之间的摩擦力和空气阻力，故选项B正确.
（2）根据纸带上的数据可知，小车在相邻相等时间内的位移分别为x1=3.85cm，x2=4.20cm，x3=4.54cm，x4=4.88cm，根据逐差法可知，小车的加速度为a=
=
×10-2m/s2=0.34m/s2.
（3）由于细线不可伸长，因此砝码和砝码盘与小车具有相同大小的加速度，对它们整体根据牛顿第二定律有mg=（M+m）a，解得a=
，因此在mg一定的情况下，a∝
，故选项A正确.
答案:
（1）B
（2）0.34 （3）A
力学实验设计
力学实验设计题的具体要求是“能发现问题、提出问题，并制定解决方案;能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去尝试着解决实际问题”.
力学实验设计题重在考查实验基本原理和思想方法的迁移应用，特点是“源于教材，但又高于教材”.这类题虽常考常新，但“题在书外，理在书中”.要做好这类题，首先要审清题意，明确实验目的，然后联想和迁移应用相关实验原理即可求解.此类实验题常常就是“穿着实验外衣”的中等难度的推理、论证类题目.
某些物理量不容易直接测量，或某些现象直接显示有困难，可以采取把所要观测的变量转换成其他变量进行间接观察和测量，这就是转换法.在力学中，如速度不便于测量，则可转换为特定距离测时间v=
（如光电门测速），或特定时间测距离v=
（如利用平抛运动规律测初速度v=x
）等以速度为中间变量进行实验设计.掌握这一原理，就把握了力学实验设计题的一个切入点.
例3 （2014·江苏）小明通过实验验证力的平行四边形定则.
（1）实验记录纸如图甲所示，O点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置，两弹簧测力计共同作用时，拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点;一个弹簧测力计拉橡皮筋时，拉力F3的方向过P3点.三个力的大小分别为F1=3.30N、F2=3.85N和F3=4.25N.请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力.
甲
（2）仔细分析实验，小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化，影响实验结果.他用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度，发现读数不相同，于是进一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响.
实验装置如图乙所示，将一张白纸固定在竖直放置的木板上，橡皮筋的上端固定于O点，下端N挂一重物.用与白纸平行的水平力缓慢地移动N，在白纸上记录下N的轨迹.重复上述过程，再次记录下N的轨迹.
乙丙
两次实验记录的轨迹如图丙所示.过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点，则实验中橡皮筋分别被拉伸到a和b时所受拉力Fa、Fb的大小关系为 .
（3）根据
（2）中的实验，可以得出的实验结果有哪些?
（填写选项前的字母）.
A.橡皮筋的长度与受到的拉力成正比
B.橡皮筋两次受到的拉力相同时，第2次的长度较长
C.橡皮筋两次被拉伸到相同长度时，第2次受到的拉力较大
D.实验中所用的拉力越大，橡皮筋在两次拉伸且弹力相等时长度之差越大
（4）根据小明的上述实验探究，请对“验证力的平行四边形定则”实验提出两点注意事项.
.
思维轨迹:
验证力的平行四边形定则→根据所给标度在图中作出F1、F2→以F1、F2为邻边作出平行四边形→用刻度尺量出对角线的长度，将其与标度相比得出合力→探究拉伸过程对橡
皮筋弹性的影响→根据力的平衡求出两次拉力的大小→由图丙可知拉力越大两次橡皮筋的长度之差越大
解析:
（1）根据力的图示法作出力F1和F2的图示，如图所示，并根据力的平行四边形定则作出两者的合力，用刻度尺量得其长度为单位长度的4.7倍，即合力大小为4.7N（4.6~4.9N均可）.
（2）设Oab与竖直方向的夹角为θ，根据共点力平衡条件解得F=mgtanθ，因此有Fa=Fb.
（3）由图中分析可知，橡皮筋上的拉力大小为T=
，因此有Ta=Tb，显然图中Ob>Oa，故选项A错误，选项B正确;橡皮筋因老化、每次被拉后形变已经不能完全恢复，因此两次受到的拉力相同时，拉力越大，橡皮筋两次的长度之差越大，故选项D正确;两次被拉伸到相同长度时，橡皮筋第2次受到的拉力较小，故选项C错误.
（4）由上述分析可知，要确保橡皮筋发生弹性形变，因此应注意选用新的弹性较好的橡皮筋，每次橡皮筋的形变要在弹性限度内，即拉伸不宜过长.
答案:
（1）图见解析 4.7N（4.6~4.9N均可）
（2）Fa=Fb （3）BD （4）选用新橡皮筋，橡皮筋拉伸不宜过长
变式训练3 （2014·淮安测试）利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，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的小球相连;遮光片的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点到光电门B处的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B点时的瞬时速度，实验时滑块在A处由静止开始运动.
（1）用游标卡尺测量遮光条的宽度b，结果如图乙所示，由此读出b= mm.
（2）滑块通过B点的瞬时速度可表示为 .
（3）某次实验测得倾角θ=30°，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk= ，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp= ，在误差允许的范围内，若ΔEk=ΔEp，则可认为系统的机械能守恒.
（4）在上述实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的v2-d图象如图丙所示，并测得M=m，则重力加速度g= m/s2.
解析:
（1）游标卡尺的读数为
3mm+16×
mm=3.80mm.
（2）因为滑块比较小，通过光电门的平均速度可看做瞬时速度，即通过B点的瞬时速度为vB=
.
（3）系统动能增加量可表示为
ΔEk=
（M+m）
=
.
系统的重力势能减少量可表示为
ΔEp=mgd-Mgdsin30°=
gd.
（4）根据机械能守恒可得
gd=
（M+m）v2，
即g=
，代入数据可得g=9.6m/s2.
答案:
（1）3.80mm
（2）
（3）
gd （4）9.6
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