【課件】高考物理二輪復習專題十一力學實驗及其創(chuàng)新課件

第1講力學實驗及其創(chuàng)新專題六物理實驗突破點一力學常規(guī)實驗01[典例1](2021·湖南適應性考試)某同學利用滑塊在氣墊導軌上的運動測量當?shù)氐闹亓铀俣?。如圖(a)所示，所用器材包括：氣墊導軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、數(shù)字計時器、光電門等。導軌下方兩支點間的距離為l。實驗步驟如下：(1)開動氣泵，調節(jié)氣墊導軌，輕推滑塊，當光電門A記錄的遮光時間________(選填“大于”“小于”或“等于”)光電門B記錄的遮光時間時，可認為氣墊導軌水平；(2)用游標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?shù)氐闹亓铀俣萭，實驗裝置如圖甲所示。在鐵架臺上安裝有兩個光電門(與數(shù)據(jù)采集器和計算機的連接均未畫出)，光電門A固定，光電門B的位置可上下移動，實驗前調整兩光電門的位置，使小鐵球沿圖甲中虛線通過兩光電門。(1)用游標卡尺測量小鐵球的直徑，測量結果如圖乙所示，可知其直徑D＝________mm。(2)在小鐵球自由下落過程中，小組成員用計時裝置測出小鐵球通過光電門A時的遮光時間為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速度，則小鐵球通過光電門A的瞬時速度為vA＝__________。(用實驗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，實驗時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時的遮光時間，計算出小鐵球經(jīng)過光電門B時對應的速度vB，在坐標系中作出v與h的關系圖線，如圖丙所示，則當?shù)氐闹亓铀俣萭＝________m/s2(結果保留3位有效數(shù)字)。[典例3]物理小組的同學利用如圖所示的裝置研究勻變速直線運動。(1)下列操作必要的是________。A．把木板右端適當墊高，以平衡摩擦力B．調節(jié)滑輪的高度，使細線與木板平行C．小車的質量要遠大于鉤碼的質量D．實驗時要先接通打點計時器電源再釋放小車(2)打點計時器接頻率為50Hz的交流電，規(guī)范進行實驗操作，得到如圖所示的一條紙帶，小組的同學在紙帶上每5個點選取1個計數(shù)點，依次標記為A、B、C、D、E。測量時發(fā)現(xiàn)B點已模糊不清，于是他們測得AC長14.56cm，CD長11.15cm，DE長13.73cm，則打C點時小車的瞬時速度大小為________m/s，小車運動的加速度大小為________m/s2，AB的長應為________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的比值是一個常數(shù)。(2)圖象法：以彈力F為縱坐標，彈簧的伸長量x為橫坐標，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，在坐標系中描點連線，可得到一條過原點的直線。①F-x圖線為一條過原點的直線，而F-l圖線為一條傾斜直線但不過原點。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，可寫出彈力與彈簧伸長量的函數(shù)關系式F＝kx。實際解題中常與圖象法配合使用，以得到函數(shù)式或對比實際關系式用以計算物理量等。[典例4]某同學利用圖(a)的裝置測量輕彈簧的勁度系數(shù)。圖中一光滑的細桿和直尺水平固定在鐵架臺上，一輕彈簧穿在細桿上，其左端固定，右端與細繩連接；細繩跨過光滑定滑輪，其下端可以懸掛砝碼(實驗中，每個砝碼的質量均為m＝50.0g)。彈簧右端連有一豎直指針，其位置可在直尺上讀出。實驗步驟如下：

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

(1)根據(jù)題表的實驗數(shù)據(jù)在圖(b)中補齊數(shù)據(jù)點并作出l-n圖象如圖所示。[典例5]兩個實驗小組做了如下兩個實驗，請回答下列問題：(1)一個實驗小組在“探究彈力和彈簧伸長的關系”的實驗中，使用兩根不同的輕質彈簧a和b，得到彈力與彈簧長度的關系圖象如圖甲所示。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)另一個實驗小組利用圖乙所示的實驗裝置完成“探究求合力的方法”的實驗。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，橡皮條結點O的位置不能變化B．彈簧測力計拉細線時，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的量程D．為減小測量誤差，F(xiàn)1、F2方向間夾角應為90°②彈簧測力計的指針如圖丙所示，由圖可知拉力的大小為________N。③本實驗采用的科學方法是________。A．理想實驗法

B．控制變量法C．等效替代法

D．建立物理模型法[典例6]某同學在研究性學習中用如圖甲所示的裝置測量彈簧壓縮到某程度時的彈性勢能，探究步驟如下：①用游標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間t，則此時小車的速度v＝________，并記錄小車及砝碼的總質量m；④增減小車里的砝碼，______________________，重復③的操作，得出一系列小車及砝碼的總質量m與小車通過光電門時的速度v；[典例7]某同學在利用氣墊導軌、滑塊、數(shù)字計時器、光電門等器材驗證動量守恒定律實驗中，用到兩個相同的光電門1和2及質量分別為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。實驗開始時，氣墊導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)字計時器記錄的遮光片通過光電門1的時間為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的時間為120.3ms，滑塊A上遮光片通過光電門2的時間為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。(結果均保留一位小數(shù))(2)兩滑塊碰撞前的總動量為________，碰撞后的總動量為________，由此可得出的結論為_______________________________。(3)碰撞前系統(tǒng)的總動能為________，碰撞后的總動能為________，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”)。突破點二力學創(chuàng)新實驗021．創(chuàng)新設計實驗分析創(chuàng)新設計實驗通常可分為兩類：第一類為通過實驗和實驗數(shù)據(jù)的分析得出物理規(guī)律；第二類為給出實驗規(guī)律，選擇實驗儀器，設計實驗步驟，記錄實驗數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理。第一類必須在實驗數(shù)據(jù)上下功夫，根據(jù)數(shù)據(jù)特點，掌握物理量間的關系，得出實驗規(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)想相關的實驗模型，確定實驗原理，選擇實驗儀器，設計實驗步驟，記錄實驗數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理。

2．創(chuàng)新實驗題的解法實驗原理是創(chuàng)新實驗問題的關鍵，是進行這類實驗設計的根本依據(jù)和起點。實驗原理決定了應當測量哪些物理量、如何安排實驗步驟等。實驗原理應根據(jù)題干的要求、條件等信息確定。[典例8](2021·山東濟南高三年級學情診斷)某同學研究自由落體運動的規(guī)律時，將小球在固定的刻度尺旁由靜止釋放，用手機拍攝小球自由下落的視頻，然后用相應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，實驗裝置如圖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。(計算結果保留兩位小數(shù))(2)關于實驗裝置和操作，以下說法正確的是__(多選)。A．刻度尺應固定在豎直平面內B．鉛垂線的作用是檢驗小球是否沿豎直方向下落C．手機應正對刻度尺固定D．手機距離刻度尺越近越好(3)為了得到更精確的加速度值，該同學利用多幀圖片測算其對應的速度v和下落的高度h，繪制了v2-h圖象，如圖所示。其中P、Q分別為兩個大小相同，質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的質量大于小球Q的質量C．小球P的質量小于小球Q的質量D．小球P的數(shù)據(jù)算出的加速度值更接近當?shù)刂亓铀俣萚解析]本題通過研究自由落體運動規(guī)律考查實驗注意事項和實驗數(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t＝0.04s，由勻變速直線運動在一段時間內的平均速度等于其中間時刻的瞬時速度可知，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，故刻度尺應固定在豎直平面內，A正確；鉛垂線的作用是檢驗刻度尺是否沿豎直方向，B錯誤；手機在錄像時應正對刻度尺，并且離刻度尺適當遠些，離得遠些，位置記錄的誤差小，C正確，D錯誤。(3)根據(jù)自由落體運動規(guī)律可知，小球下落高度h與速度v的關系為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錯誤；由圖象知Q球的加速度較小，說明其質量較小，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?shù)氐闹亓铀俣?，B、D正確，C錯誤。[典例9]李華同學在一科普讀物上看到：球體在液體中運動時受到的阻力f與球體的半徑r、速度v、液體的種類及溫度有關，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)。他用如圖甲所示的實驗裝置，采用落體法測量蓖麻油在室溫下的粘滯系數(shù)η，實驗步驟如下：A．把稍粗、稍高的玻璃桶放在水平實驗臺上，在玻璃桶內盛上密度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．用游標卡尺測量密度ρ＝7.9×103kg/m3的鋼球的直徑d，測量結果如圖乙所示；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)題意及實驗步驟回答以下問題：(1)在步驟B中，測得鋼球的直徑d＝________mm；(2)