【課件】高考物理二輪復(fù)習(xí)專題十一力學(xué)實(shí)驗(yàn)及其創(chuàng)新課件

第1講力學(xué)實(shí)驗(yàn)及其創(chuàng)新專題六物理實(shí)驗(yàn)突破點(diǎn)一力學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)01[典例1](2021·湖南適應(yīng)性考試)某同學(xué)利用滑塊在氣墊導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。如圖(a)所示，所用器材包括：氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、數(shù)字計(jì)時(shí)器、光電門等。導(dǎo)軌下方兩支點(diǎn)間的距離為l。實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)開動(dòng)氣泵，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊，當(dāng)光電門A記錄的遮光時(shí)間________(選填“大于”“小于”或“等于”)光電門B記錄的遮光時(shí)間時(shí)，可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌水平；(2)用游標(biāo)卡尺測量遮光片的寬度d，如圖(b)所示，d＝________cm；圖(a)圖(b)[典例2]某物理小組利用DIS裝置測定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。在鐵架臺上安裝有兩個(gè)光電門(與數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)的連接均未畫出)，光電門A固定，光電門B的位置可上下移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前調(diào)整兩光電門的位置，使小鐵球沿圖甲中虛線通過兩光電門。(1)用游標(biāo)卡尺測量小鐵球的直徑，測量結(jié)果如圖乙所示，可知其直徑D＝________mm。(2)在小鐵球自由下落過程中，小組成員用計(jì)時(shí)裝置測出小鐵球通過光電門A時(shí)的遮光時(shí)間為ΔtA，并用小鐵球通過光電門的平均速度表示小鐵球球心通過光電門的瞬時(shí)速度，則小鐵球通過光電門A的瞬時(shí)速度為vA＝__________。(用實(shí)驗(yàn)中測得的物理量符號表示)(3)光電門A的位置不變，小組成員多次改變并測出光電門B到光電門A之間的距離h，實(shí)驗(yàn)時(shí)使小鐵球每次從同一位置無初速度釋放。根據(jù)每次小鐵球通過光電門B時(shí)的遮光時(shí)間，計(jì)算出小鐵球經(jīng)過光電門B時(shí)對應(yīng)的速度vB，在坐標(biāo)系中作出v與h的關(guān)系圖線，如圖丙所示，則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝________m/s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。[典例3]物理小組的同學(xué)利用如圖所示的裝置研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)。(1)下列操作必要的是________。A．把木板右端適當(dāng)墊高，以平衡摩擦力B．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使細(xì)線與木板平行C．小車的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量D．實(shí)驗(yàn)時(shí)要先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源再釋放小車(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接頻率為50Hz的交流電，規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得到如圖所示的一條紙帶，小組的同學(xué)在紙帶上每5個(gè)點(diǎn)選取1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，依次標(biāo)記為A、B、C、D、E。測量時(shí)發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)已模糊不清，于是他們測得AC長14.56cm，CD長11.15cm，DE長13.73cm，則打C點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度大小為________m/s，小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小為________m/s2，AB的長應(yīng)為________cm。(保留3位有效數(shù)字)3．常見的數(shù)據(jù)處理方法(1)列表法：直接從表格數(shù)據(jù)中得到彈力F與伸長量x的比值是一個(gè)常數(shù)。(2)圖象法：以彈力F為縱坐標(biāo)，彈簧的伸長量x為橫坐標(biāo)，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中描點(diǎn)連線，可得到一條過原點(diǎn)的直線。①F-x圖線為一條過原點(diǎn)的直線，而F-l圖線為一條傾斜直線但不過原點(diǎn)。②F-x圖線和F-l圖線的斜率均表示彈簧(或橡皮筋)的勁度系數(shù)。③F-l圖線在l軸的截距表示彈簧(或橡皮筋)的原長。④F-x圖線和F-l圖線發(fā)生彎曲的原因是彈簧(或橡皮筋)超出了彈性限度。

(3)函數(shù)法：在誤差允許范圍內(nèi)，可寫出彈力與彈簧伸長量的函數(shù)關(guān)系式F＝kx。實(shí)際解題中常與圖象法配合使用，以得到函數(shù)式或?qū)Ρ葘?shí)際關(guān)系式用以計(jì)算物理量等。[典例4]某同學(xué)利用圖(a)的裝置測量輕彈簧的勁度系數(shù)。圖中一光滑的細(xì)桿和直尺水平固定在鐵架臺上，一輕彈簧穿在細(xì)桿上，其左端固定，右端與細(xì)繩連接；細(xì)繩跨過光滑定滑輪，其下端可以懸掛砝碼(實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)砝碼的質(zhì)量均為m＝50.0g)。彈簧右端連有一豎直指針，其位置可在直尺上讀出。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①在繩下端掛上一個(gè)砝碼，調(diào)整滑輪，使彈簧與滑輪間的細(xì)繩水平且彈簧與細(xì)桿沒有接觸；②系統(tǒng)靜止后，記錄砝碼的個(gè)數(shù)及指針的位置；③逐次增加砝碼個(gè)數(shù)，并重復(fù)步驟②(保持彈簧在彈性限度內(nèi))；④用n表示砝碼的個(gè)數(shù)，l表示相應(yīng)的指針位置，將獲得的數(shù)據(jù)記錄在表格內(nèi)。(a)(b)(2)彈簧的勁度系數(shù)k可用砝碼質(zhì)量m、重力加速度大小g及l(fā)-n圖線的斜率α表示，表達(dá)式為k＝________。若g取9.80m/s2，則本實(shí)驗(yàn)中k＝________N/m(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。[解析]

(1)根據(jù)題表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖(b)中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)并作出l-n圖象如圖所示。[典例5]兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組做了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，請回答下列問題：(1)一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在“探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，使用兩根不同的輕質(zhì)彈簧a和b，得到彈力與彈簧長度的關(guān)系圖象如圖甲所示。下列說法正確的是________。A．a(chǎn)的原長比b的長B．a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的大C．a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的小D．測得的彈力與彈簧的長度成正比(2)另一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組利用圖乙所示的實(shí)驗(yàn)裝置完成“探究求合力的方法”的實(shí)驗(yàn)。甲①下列說法正確的是________。A．在測量同一組數(shù)據(jù)F1、F2和合力F的過程中，橡皮條結(jié)點(diǎn)O的位置不能變化B．彈簧測力計(jì)拉細(xì)線時(shí)，拉力方向必須豎直向下C．F1、F2和合力F的大小都不能超過彈簧測力計(jì)的量程D．為減小測量誤差，F(xiàn)1、F2方向間夾角應(yīng)為90°②彈簧測力計(jì)的指針如圖丙所示，由圖可知拉力的大小為________N。③本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是________。A．理想實(shí)驗(yàn)法

B．控制變量法C．等效替代法

D．建立物理模型法[典例6]某同學(xué)在研究性學(xué)習(xí)中用如圖甲所示的裝置測量彈簧壓縮到某程度時(shí)的彈性勢能，探究步驟如下：①用游標(biāo)卡尺測量出小車上遮光條的寬度d；②用裝有砝碼的小車把彈簧的右端壓縮到某一位置P，并記下這一位置，同時(shí)測量出小車到光電門的距離為x；③釋放小車，測出小車上的遮光條通過光電門所用的時(shí)間t，則此時(shí)小車的速度v＝________，并記錄小車及砝碼的總質(zhì)量m；④增減小車?yán)锏捻来a，______________________，重復(fù)③的操作，得出一系列小車及砝碼的總質(zhì)量m與小車通過光電門時(shí)的速度v；[典例7]某同學(xué)在利用氣墊導(dǎo)軌、滑塊、數(shù)字計(jì)時(shí)器、光電門等器材驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)中，用到兩個(gè)相同的光電門1和2及質(zhì)量分別為400g、200g的滑塊A和B，兩滑塊上分別固定有寬度相同的長方形遮光片。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，氣墊導(dǎo)軌上放置的器材從左到右依次為滑塊B、光電門1、滑塊A、光電門2，如圖所示，現(xiàn)給滑塊B一向右的初速度，數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄的遮光片通過光電門1的時(shí)間為40.2ms，滑塊B與滑塊A撞完后，滑塊B上遮光片通過光電門1的時(shí)間為120.3ms，滑塊A上遮光片通過光電門2的時(shí)間為60.4ms，已知遮光片的寬度為2.40cm。(1)滑塊B撞前的速度大小為______m/s，撞后的速度大小為______m/s，滑塊A撞后的速度大小為________m/s。(結(jié)果均保留一位小數(shù))(2)兩滑塊碰撞前的總動(dòng)量為________，碰撞后的總動(dòng)量為________，由此可得出的結(jié)論為_______________________________。(3)碰撞前系統(tǒng)的總動(dòng)能為________，碰撞后的總動(dòng)能為________，據(jù)此可知該碰撞為________(填“彈性碰撞”“非彈性碰撞”或“完全非彈性碰撞”)。突破點(diǎn)二力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)021．創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通?？煞譃閮深悾旱谝活悶橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出物理規(guī)律；第二類為給出實(shí)驗(yàn)規(guī)律，選擇實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第一類必須在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上下功夫，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，掌握物理量間的關(guān)系，得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律；第二類必須從已知規(guī)律入手，正確選擇測量的物理量，根據(jù)問題聯(lián)想相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停_定實(shí)驗(yàn)原理，選擇實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2．創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題的解法實(shí)驗(yàn)原理是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵，是進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)和起點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理決定了應(yīng)當(dāng)測量哪些物理量、如何安排實(shí)驗(yàn)步驟等。實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)根據(jù)題干的要求、條件等信息確定。[典例8](2021·山東濟(jì)南高三年級學(xué)情診斷)某同學(xué)研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，將小球在固定的刻度尺旁由靜止釋放，用手機(jī)拍攝小球自由下落的視頻，然后用相應(yīng)的軟件處理得到分幀圖片，利用圖片中小球的位置就可以得出速度、加速度等信息，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖2為小球下落過程中三幅連續(xù)相鄰的分幀圖片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，相鄰兩幀之間的時(shí)間間隔為0.02s，刻度尺為毫米刻度尺。(1)圖2(Ⅱ)中小球下落速度約為________m/s。(計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù))(2)關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置和操作，以下說法正確的是__(多選)。A．刻度尺應(yīng)固定在豎直平面內(nèi)B．鉛垂線的作用是檢驗(yàn)小球是否沿豎直方向下落C．手機(jī)應(yīng)正對刻度尺固定D．手機(jī)距離刻度尺越近越好(3)為了得到更精確的加速度值，該同學(xué)利用多幀圖片測算其對應(yīng)的速度v和下落的高度h，繪制了v2-h圖象，如圖所示。其中P、Q分別為兩個(gè)大小相同，質(zhì)量不同的小球下落的圖象，由圖象可知________(多選)。A．圖線的斜率表示小球下落的加速度B．小球P的質(zhì)量大于小球Q的質(zhì)量C．小球P的質(zhì)量小于小球Q的質(zhì)量D．小球P的數(shù)據(jù)算出的加速度值更接近當(dāng)?shù)刂亓铀俣萚解析]本題通過研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律考查實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。(1)從題圖2(Ⅰ)到題圖2(Ⅲ)，小球的位移約為x＝10.50cm－4.90cm＝5.60cm，用時(shí)t＝0.04s，由勻變速直線運(yùn)動(dòng)在一段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于其中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度可知，題圖2(Ⅱ)中小球的下落速度約為v＝1.40m/s。(2)小球沿豎直方向下落，故刻度尺應(yīng)固定在豎直平面內(nèi)，A正確；鉛垂線的作用是檢驗(yàn)刻度尺是否沿豎直方向，B錯(cuò)誤；手機(jī)在錄像時(shí)應(yīng)正對刻度尺，并且離刻度尺適當(dāng)遠(yuǎn)些，離得遠(yuǎn)些，位置記錄的誤差小，C正確，D錯(cuò)誤。(3)根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，小球下落高度h與速度v的關(guān)系為v2＝2gh，即v2與h成正比，v2-h圖象中圖線的斜率表示小球下落加速度的2倍，A錯(cuò)誤；由圖象知Q球的加速度較小，說明其質(zhì)量較小，空氣阻力對它的影響較為明顯，所以用小球P的數(shù)據(jù)算出的加速度值更接近當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋珺、D正確，C錯(cuò)誤。[典例9]李華同學(xué)在一科普讀物上看到：球體在液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力f與球體的半徑r、速度v、液體的種類及溫度有關(guān)，且f＝6πηrv(式中物理量η是液體的粘滯系數(shù)，它只與液體的種類及溫度有關(guān))。他用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置，采用落體法測量蓖麻油在室溫下的粘滯系數(shù)η，實(shí)驗(yàn)步驟如下：A．把稍粗、稍高的玻璃桶放在水平實(shí)驗(yàn)臺上，在玻璃桶內(nèi)盛上密度ρ0＝0.96×103kg/m3的蓖麻油，用一窄木板條將紅外線測速儀P固定在玻璃桶開口正中間；B．用游標(biāo)卡尺測量密度ρ＝7.9×103kg/m3的鋼球的直徑d，測量結(jié)果如圖乙所示；C．將鋼球從測速儀P的正下方放入蓖麻油中，接通測速儀電源的同時(shí)由靜止釋放鋼球，在顯示屏上得到了鋼球在蓖麻油中豎直下落時(shí)的v-t圖象如圖丙所示；D．求蓖麻油在室溫下的粘滯系數(shù)η。請依據(jù)題意及實(shí)驗(yàn)步驟回答以下問題：(1)在步驟B中，測得鋼球的直徑d＝________mm；(2)