備戰(zhàn)2025年高考二輪復(fù)習(xí)課件 物理（廣東版）專題7 物理實驗 第1講 力學(xué)實驗

第一講力學(xué)實驗通覽知識明要點研學(xué)考點提能力目錄索引0102突破熱點聚素養(yǎng)03通覽知識明要點研學(xué)考點提能力考點一紙帶類和光電門類實驗高考風(fēng)向標考點考題明細考查頻度紙帶類和光電門類實驗2024新課標卷,22;2024山東卷,13;2024北京卷,18;2024廣東卷,11(1);2024江西卷,11;2024浙江1月選考,16-Ⅰ;2024甘肅卷,11;2023全國甲卷,23;2023遼寧卷,11;2023浙江1月選考,16-Ⅰ(1);2022廣東卷,11;2022浙江6月選考,17(1);2022天津卷,9;2022重慶卷,12;2022北京卷,16;2022湖北卷,12;2022河北卷,11全國卷:3年2考地方卷:3年15考命題角度1

探究小車速度隨時間變化的規(guī)律

裝置圖操作要點數(shù)據(jù)處理

1.細繩與長木板平行2.釋放前小車應(yīng)靠近打點計時器3.先接通電源,再釋放小車,打點結(jié)束先切斷電源,再取下紙帶4.鉤碼質(zhì)量適當1.判斷物體是否做勻變速直線運動2.根據(jù)一段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度,測出不同時刻的瞬時速度3.利用逐差法求平均加速度充分利用實驗數(shù)據(jù),減小誤差4.作速度—時間圖像,通過圖像的斜率求加速度溫馨提示

常見的測速方法有利用紙帶打點計時器測速、光電門測速、傳感器測速、動能定理計算法、平拋運動計算法等。例1(2023全國甲卷)某同學(xué)利用如圖甲所示的實驗裝置探究物體做直線運動時平均速度與時間的關(guān)系。讓小車左端和紙帶相連,右端用細繩跨過定滑輪和鉤碼相連,鉤碼下落,帶動小車運動,打點計時器打出紙帶。某次實驗得到的紙帶和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖乙所示。(1)已知打出圖乙中相鄰兩個計數(shù)點的時間間隔均為0.1s,以打出A點時小車位置為初始位置,將打出B、C、D、E、F各點時小車的位移Δs填到表中,小車發(fā)生位移所用時間和平均速度分別為Δt和,表中ΔsAD=

cm,

=

cm/s。

24.0080.0(2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到小車平均速度

隨時間Δt的變化關(guān)系,如圖丙所示。在圖丙中補全實驗點。丙(3)從實驗結(jié)果可知,小車運動的

-Δt圖線可視為一條直線,此直線用方程

=kΔt+b表示,其中k=

cm/s2,b=

cm/s。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)

(4)根據(jù)(3)中的直線方程可以判定小車做勻加速直線運動,得到打出A點時小車瞬時速度大小vA=

,小車的加速度大小a=

。(結(jié)果用字母k、b表示)

70.059.0b2k規(guī)律方法

紙帶問題的處理方法

命題角度2探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系

裝置圖操作要點數(shù)據(jù)處理

1.平衡阻力,墊高長木板一端使小車能拉著紙帶勻速下滑不掛槽碼2.實驗必須保證的條件:小車質(zhì)量m?槽碼質(zhì)量m'3.釋放前小車要靠近打點計時器,應(yīng)先接通電源,后釋放小車1.利用逐差法或v-t圖像法求a2.作出a-F圖像和a-

圖像,確定a與F、m的關(guān)系溫馨提示

解題時一定理解實驗原理,在一些創(chuàng)新實驗方案中不是必須進行操作要點中的1、2。例2(2024浙江1月選考)如圖甲所示是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝置。(1)該實驗中同時研究三個物理量間關(guān)系是很困難的,因此我們采用的研究方法是

。

A.放大法B.控制變量法C.補償法(2)該實驗過程中操作正確的是

。

A.平衡阻力時小車未連接紙帶B.先接通打點計時器電源,后釋放小車C.調(diào)節(jié)滑輪高度使細繩與水平桌面平行甲BB(3)在小車質(zhì)量

(選填“遠大于”或“遠小于”)槽碼質(zhì)量時,可以認為細繩拉力近似等于槽碼的重力。上述做法引起的誤差為

(選填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差”)。為減小此誤差,下列可行的方案是

。A.用氣墊導(dǎo)軌代替普通導(dǎo)軌,滑塊代替小車B.在小車上加裝遮光條,用光電計時系統(tǒng)代替打點計時器C.在小車與細繩之間加裝力傳感器,測出小車所受拉力大小遠大于系統(tǒng)誤差C(4)經(jīng)正確操作后獲得一條如圖乙所示的紙帶,建立以計數(shù)點0為坐標原點的x軸,各計數(shù)點的位置坐標分別為0、s1、…、s6。已知打點計時器的打點周期為T,則打計數(shù)點5時小車速度的表達式v=

,小車加速度的表達式是

。

A乙解析

(1)該實驗中同時研究三個物理量間關(guān)系是很困難的,因此我們可以控制其中一個物理量不變,研究另外兩個物理量之間的關(guān)系,即采用了控制變量法,故選B。(2)平衡阻力時小車需要連接紙帶,一方面是需要連同紙帶所受的阻力一并平衡,另外一方面是通過紙帶上的點間距判斷小車是否在長木板上做勻速直線運動,A錯誤;由于小車速度較快,且運動距離有限,打出的紙帶長度也有限,為了能在長度有限的紙帶上盡可能多地獲取間距適當?shù)臄?shù)據(jù)點,實驗時應(yīng)先接通打點計時器電源,后釋放小車,B正確;為使小車所受拉力與速度同向,應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪高度使細繩與長木板平行,C錯誤。(3)設(shè)小車質(zhì)量為m0,槽碼質(zhì)量為m。對小車和槽碼根據(jù)牛頓第二定律分別有F=m0a、mg-F=ma,聯(lián)立解得F=,由上式可知在小車質(zhì)量遠大于槽碼質(zhì)量時,可以認為細繩拉力近似等于槽碼的重力;上述做法引起的誤差是由實驗方法或原理不完善造成的,屬于系統(tǒng)誤差;該誤差是將細繩拉力用槽碼重力近似替代所引入的,不是由車與木板間存在阻力(實驗中已經(jīng)補償了阻力)或是速度測量精度低造成的,為減小此誤差,可在小車與細繩之間加裝力傳感器,測出小車所受拉力大小,故選C。(4)相鄰兩計數(shù)點間的時間間隔為t=5T,命題角度3驗證機械能守恒定律

例3(2022廣東卷)某實驗小組為測量小球從某一高度釋放,與某種橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失,設(shè)計了如圖甲所示的裝置,實驗過程如下:(1)讓小球從某一高度由靜止釋放,與水平放置的橡膠材料碰撞后豎直反彈。調(diào)節(jié)光電門位置,使小球從光電門正上方釋放后,在下落和反彈過程中均可通過光電門。甲(2)用螺旋測微器測量小球的直徑,示數(shù)如圖乙所示,小球直徑d=

mm。乙(3)測量時,應(yīng)

(選填“A”或“B”,其中A為“先釋放小球,后接通數(shù)字計時器”,B為“先接通數(shù)字計時器,后釋放小球”)。記錄小球第一次和第二次通過光電門的遮光時間t1和t2。

7.884(或7.883)B(4)計算小球通過光電門的速度,已知小球的質(zhì)量為m,可得小球與橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失ΔE=

(用字母m、d、t1和t2表示)。

(5)若適當調(diào)高光電門的高度,將會

(選填“增大”或“減小”)因空氣阻力引起的測量誤差。

增大解析

(2)根據(jù)螺旋測微器的讀數(shù)規(guī)則得小球的直徑為d=7.5

mm+38.4×0.01

mm=7.884

mm考慮到偶然誤差,7.883

mm也可以。(3)在測量時,因小球下落時間很短,如果先釋放小球,可能會出現(xiàn)時間記錄不完整的情況,所以應(yīng)先接通數(shù)字計時器,再釋放小球,故選B。(4)設(shè)小球向下、向上先后通過光電門時的速度分別為v1、v2,(5)適當調(diào)高光電門的高度,小球兩次經(jīng)過光電門的距離增大,空氣阻力做功增大,將會增大因空氣阻力引起的測量誤差。命題角度4驗證動量守恒定律

裝置圖操作要點數(shù)據(jù)處理

1.開始前調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平2.用天平測出兩滑塊的質(zhì)量3.用光電門測量碰前和碰后的速度1.滑塊速度的測量:v=2.驗證的表達式:m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'例4(2024廣東廣州一模)如圖甲所示,光電門1、2固定在氣墊導(dǎo)軌上,滑塊A靜置于光電門1左側(cè),滑塊B靜置于光電門1、2之間,現(xiàn)用該裝置驗證A、B碰撞前后系統(tǒng)動量守恒。完成下列相關(guān)實驗內(nèi)容。(1)實驗原理若氣墊導(dǎo)軌水平,A、B質(zhì)量分別為mA、mB;A向右運動,遮光片通過光電門1的遮光時間為Δt1,A、B碰后粘在一起運動,遮光片通過光電門2的遮光時間為Δt2。當

=

(用mA、mB表示)時,系統(tǒng)動量守恒得到驗證。

(2)實驗操作①調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平:接通氣源,僅將A放置于光電門1的左側(cè),輕推A,若遮光片通過光電門1的遮光時間大于通過光電門2的遮光時間,則需要適當

(選填“升高”或“降低”)導(dǎo)軌左端,反復(fù)調(diào)節(jié)使氣墊導(dǎo)軌水平;

②再將A、B如圖甲放置,輕推A,使A、B碰撞并粘在一起,記錄Δt1、Δt2的值;③重復(fù)步驟②,多次實驗,記錄多組Δt1、Δt2數(shù)據(jù)。降低(3)實驗數(shù)據(jù)處理把記錄的數(shù)據(jù)在圖乙中描點連線,作出Δt1-Δt2圖線,其斜率k=

(保留兩位有效數(shù)字);已知mA=176.0g,mB=177.8g,若相對誤差誤差允許范圍,則該實驗是否驗證了A、B碰撞前后系統(tǒng)動量守恒?

(選填“是”或“否”);理由是

。

乙0.49是見解析(2)輕推A,若遮光片通過光電門1的遮光時間大于通過光電門2的遮光時間,說明A做加速運動,則需要適當降低導(dǎo)軌左端,反復(fù)調(diào)節(jié)使氣墊導(dǎo)軌水平。拓展衍生1.(2024廣東深圳一模)某同學(xué)利用打點計時器分析自身步行時的速度特征,把接在50Hz的交流電源上的打點計時器固定在與人腰部等高的桌面上,紙帶穿過打點計時器限位孔,一端固定在人腰部,人沿直線步行時帶動紙帶運動,打點計時器記錄人步行時的運動信息。(1)選取點跡清晰的紙帶,每5個點取一個計數(shù)點,其中連續(xù)5個計數(shù)點A、B、C、D、E、F如圖甲所示,紙帶中BC段的平均速度為vBC=

m/s。(保留兩位有效數(shù)字)

1.1(2)沿著計數(shù)點位置把紙帶裁開并編號,按編號順序把剪出的紙帶下端對齊并排粘貼在坐標紙上,剪出的紙帶長度代表打出這段紙帶時間內(nèi)的平均速度,把每段紙帶上邊中點連接成線,如圖乙所示,若用圖中曲線描述人運動的速度—時間關(guān)系,如果用縱坐標表示速度大小,橫坐標表示時間,則紙帶的橫寬d對應(yīng)橫坐標中的時間長度為

s,請根據(jù)圖乙估算該同學(xué)的步幅為

m。(保留兩位有效數(shù)字)

0.100.53解析

(1)相鄰兩個計數(shù)點間的時間間隔T=0.1

s,(2)紙帶的橫寬d對應(yīng)橫坐標中的時間長度為T=0.10

s,可把圖像看成v-t圖像,同學(xué)的步幅為圖像一個周期內(nèi)每段紙帶面積之和,該同學(xué)的步幅為s=(8.80+11.00+12.00+11.00+9.70)

cm=0.53

m。2.(2024廣東廣州二模)某同學(xué)設(shè)計了一個用拉力傳感器測量重力加速度并驗證機械能守恒定律的實驗。一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器,另一端連接小鋼球,如圖甲所示。(1)用游標卡尺測出小鋼球直徑結(jié)果如圖乙所示,則其直徑D=

mm。乙(2)讓小鋼球以較小的角度在豎直平面內(nèi)擺動,從計算機中得到拉力大小隨時間變化的關(guān)系圖像如圖丙所示,則小球擺動的周期為T=

s。

丙9.32.0(3)該同學(xué)還測得該單擺的擺線長為L,則重力加速度的表達式為g=

(用物理量T、L、D表示)。

(4)將擺球多次拉離豎直方向一定角度后由靜止釋放,測得拉力的最小值F1與最大值F2并得到F2-F1圖像,如圖丁所示,如果小球在擺動的過程中機械能守恒,則該圖線斜率的絕對值等于

。

丁2解析

(1)由圖示游標卡尺可知,其示數(shù)為D=9

mm+3×0.1

mm=9.3

mm。(2)相鄰兩次拉力最大的時間間隔為半個周期,由圖可知單擺的周期約為T=2×(1.5-0.5)

s=2.0

s。(4)由題意可得,當擺線與豎直方向的夾角為零時,小球在最低處靜止不動時力傳感器示數(shù)為F0,最小值與最大值相同F(xiàn)1=F2=F0=mg,所以圖像過(F0,F0);考點二彈簧類和橡皮條類實驗高考風(fēng)向標考點考題明細考查頻度彈簧類和橡皮條類實驗2024全國甲卷,22;2024海南卷,14(2);2023全國乙卷,22;2023浙江6月選考,16-Ⅰ(2);2022浙江6月選考,17(2);2022河北卷,11;2022湖南卷,11全國卷:3年2考地方卷:3年5考命題角度1探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系

實驗裝置圖操作要點數(shù)據(jù)處理探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系

1.應(yīng)在彈簧自然下垂時,測量彈簧原長l02.水平放置彈簧,測量其原長,由于彈簧有自重,將其懸掛起來后會有一定的伸長量,使圖像橫軸截距不為零1.作出彈力F隨彈簧伸長量x變化的圖像,斜率表示彈簧的勁度系數(shù)2.超過彈簧的彈性限度,圖像會發(fā)生彎曲例5(2022湖南卷)小圓同學(xué)用橡皮筋、同種一元硬幣、刻度尺、塑料袋、支架等,設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置,測量冰墩墩玩具的質(zhì)量。主要實驗步驟如下:甲(1)查找資料,得知每枚硬幣的質(zhì)量為6.05g。(2)將硬幣以5枚為一組逐次加入塑料袋,測量每次穩(wěn)定后橡皮筋的長度l,記錄數(shù)據(jù)如下表:序號12345硬幣數(shù)量n/枚510152025橡皮筋長度l/cm10.5112.0213.5415.0516.56(3)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖乙上描點,繪制圖線:(4)取出全部硬幣,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,穩(wěn)定后橡皮筋長度的示數(shù)如圖丙所示,此時橡皮筋的長度為

cm。

丙(5)由上述數(shù)據(jù)計算得冰墩墩玩具的質(zhì)量為

g(計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

15.35127解析

(4)由題圖丙可知,刻度尺的分度值為1

mm,讀數(shù)為15

cm+3.5

mm=153.5

mm=15.35

cm。(5)設(shè)橡皮筋的勁度系數(shù)為k,原長為x0,則n1mg=k(x1-x0)n5mg=k(x5-x0)設(shè)冰墩墩質(zhì)量為m1,則有m1g=k(l-x0)聯(lián)立各式代入數(shù)據(jù)解得m1=127

g。命題角度2探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律

裝置圖操作要點數(shù)據(jù)處理

體現(xiàn)合力與分力

的等效替代關(guān)系1.正確使用彈簧測力計2.同一次實驗中,橡皮條結(jié)點的位置一定要相同3.細繩套應(yīng)適當長一些,互成角度地拉橡皮條時,夾角大小應(yīng)適當1.按力的圖示作平行四邊形2.求合力大小例6(2023全國乙卷)驗證力的平行四邊形定則的實驗如圖甲所示,其中A為固定橡皮筋的圖釘,O為橡皮筋與細繩的結(jié)點,OB和OC為細繩。圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結(jié)果畫出的力的圖示。(1)本實驗采用的科學(xué)方法是

;

A.理想實驗法B.等效替代法C.控制變量法(2)圖乙中的F與F'兩力中,方向一定沿AO方向的是

;

BF'(3)關(guān)于該實驗,下列說法正確的是

。

A.拉橡皮筋的細繩短一些,實驗效果較好B.拉橡皮筋時,彈簧測力計、橡皮條、細繩應(yīng)貼近木板且與木板平面平行C.橡皮筋彈性要好,拉結(jié)點到達某一位置O時,拉力F1和F2的夾角越大越好D.在同一實驗中O點位置不能變BD解析

(1)本實驗用一根彈簧的拉力代替兩根彈簧的拉力作用效果,采用等效替代法,故選B。(2)F是通過作圖的方法得到的合力的理論值,在平行四邊形的對角線上,而F'是通過一個彈簧測力計沿AO方向拉橡皮筋,使橡皮筋伸長到O點的力,其方向一定沿AO方向。(3)在實驗中要減小拉力方向的誤差,應(yīng)讓標記同一細繩方向的兩點盡量遠些,故細繩應(yīng)該長一些,A錯誤;該實驗是在白紙中作圖,作出的是水平力的圖示,若拉力傾斜,則作出圖的方向與實際力的方向有較大差別,故應(yīng)使各力盡量與木板平面平行,B正確;兩個拉力的夾角過大,合力會過小,畫理論值時相對誤差變大,故夾角大小適中即可,不宜太大或太小,但要保證力的作用效果即O點位置不能變,C錯誤,D正確。拓展衍生3.(2022浙江6月選考)“探究求合力的方法”的實驗裝置如圖所示,在該實驗中:(1)下列說法正確的是

;

A.拉著細繩套的兩只彈簧測力計,穩(wěn)定后讀數(shù)應(yīng)相同B.在已記錄結(jié)點位置的情況下,確定一個拉力的方向需要再選擇相距較遠的兩點C.測量時彈簧測力計外殼與木板之間不能存在摩擦D.測量時,橡皮條、細繩和彈簧測力計應(yīng)貼近并平行于木板(2)若只有一只彈簧測力計,為了完成該實驗至少需要

(選填“2”“3”或“4”)次把橡皮條結(jié)點拉到O。

D3解析

(1)在不超出彈簧測力計的量程和橡皮條形變限度的條件下,使拉力適當大些,不必使兩只彈簧測力計的示數(shù)相同,A錯誤;在已記錄結(jié)點位置的情況下,確定一個拉力的方向需要再選擇相距較遠的一個點就可以了,B錯誤;實驗中拉彈簧測力計時,只需讓彈簧與外殼間沒有摩擦,此時彈簧測力計的示數(shù)即為彈簧對細繩的拉力,與彈簧測力計外殼和木板之間是否存在摩擦無關(guān),C錯誤;為了減小實驗中摩擦對測量結(jié)果的影響,拉橡皮條時,橡皮條、細繩和彈簧測力計應(yīng)貼近并平行于木板,D正確。(2)若只有一只彈簧測力計,為了完成該實驗,用手拉住一條細繩,用彈簧測力計拉住另一條細繩,互成角度地拉橡皮條,使其結(jié)點達到某一點O,記下位置O和彈簧測力計示數(shù)F1及兩個拉力的方向;交換彈簧測力計和手所拉細繩的位置,再次將結(jié)點拉至O點,使兩力的方向與原來兩力方向相同,并記下此時彈簧測力計的示數(shù)F2;只用一個彈簧測力計將結(jié)點拉至O點,并記下此時彈簧測力計的示數(shù)F的大小及方向。所以若只有一只彈簧測力計,為了完成該實驗至少需要3次把橡皮條結(jié)點拉到O。考點三力學(xué)其他實驗高考風(fēng)向標考點考題明細考查頻度力學(xué)其他實驗2024湖南卷,12;2024湖北卷,12;2024黑吉遼卷,12;2024廣西卷,11;2024河北卷,11(2);2024海南卷,14(1);2023新課標卷,23;2023北京卷,17;2023浙江6月選考,16Ⅰ(1);2023浙江1月選考,16Ⅰ(2);2022福建卷,11;2022海南卷,14(2);2022湖北卷,12;2022江蘇卷,11;2022浙江1月選考,17(1);2022上海卷,18全國卷:3年1考地方卷:3年15考命題角度1探究平拋運動的特點

例7(2023浙江6月選考)在“探究平拋運動的特點”實驗中(1)用圖甲裝置進行探究,下列說法正確的是

。

A.只能探究平拋運動水平分運動的特點B.需改變小錘擊打的力度,多次重復(fù)實驗C.能同時探究平拋運動水平、豎直分運動的特點(2)用圖乙裝置進行實驗,下列說法正確的是

。

A.斜槽軌道M必須光滑且其末端水平B.上下調(diào)節(jié)擋板N時必須每次等間距移動C.小鋼球從斜槽M上同一位置靜止?jié)L下BC(3)用圖丙裝置進行實驗,豎直擋板上附有復(fù)寫紙和白紙,可以記下鋼球撞擊擋板時的點跡。實驗時豎直擋板初始位置緊靠斜槽末端,鋼球從斜槽上P點靜止?jié)L下,撞擊擋板留下點跡0,將擋板依次水平向右移動x,重復(fù)實驗,擋板上留下點跡1、2、3、4。以點跡0為坐標原點,豎直向下建立坐標軸y,各點跡坐標值分別為y1、y2、y3、y4。測得鋼球直徑為d,則鋼球平拋初速度v0為

。

D解析

(1)用題圖甲裝置可以探究平拋運動豎直方向做自由落體運動的特點,需要改變小錘擊打的力度,多次重復(fù)實驗,B正確,A、C錯誤。(2)用題圖乙裝置進行實驗,斜槽軌道M沒必要光滑,但末端必須水平,A錯誤;上下調(diào)節(jié)擋板N時,不需要等間距移動,B錯誤;為了保證平拋運動的初速度一定,小鋼球必須從斜槽M上同一位置靜止?jié)L下,C正確。命題角度2探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系

裝置圖操作要點數(shù)據(jù)處理

1.橫臂對小球的彈力大小關(guān)系可以通過標尺上刻度讀出,該讀數(shù)顯示了向心力大小關(guān)系2.采用了控制變量法,探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系作出F-ω2、F-r、F-m的圖像,分析向心力與角速度、半徑、質(zhì)量之間的關(guān)系例8(2024廣東模擬預(yù)測)某實驗小組做探究影響向心力大小因素的實驗:(1)方案一:用如圖甲所示的裝置,已知小球在擋板A、B、C處做圓周運動的軌跡半徑之比為1∶2∶1,變速塔輪自上而下按如圖乙所示三種組合方式,左右每層半徑之比由上至下分別為1∶1、2∶1和3∶1。回答以下問題:甲乙①本實驗所采用的實驗探究方法與下列哪些實驗是相同的

;

A.探究小車速度隨時間變化的規(guī)律B.探究影響平行板電容器電容大小的因素C.探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律D.探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系②在某次實驗中,把兩個質(zhì)量相等的鋼球放在B、C位置,探究向心力的大小與半徑的關(guān)系,則需要將傳動皮帶調(diào)至第

(選填“一”“二”或“三”)層塔輪。

BD一(2)方案二:如圖丙所示裝置,裝置中豎直轉(zhuǎn)軸固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上(未畫出),光滑的水平直桿固定在豎直轉(zhuǎn)軸上,能隨豎直轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。水平直桿的左端套上滑塊P,用細線將滑塊P與固定在豎直轉(zhuǎn)軸上的力傳感器連接,細線處于水平伸直狀態(tài),當滑塊隨水平直桿一起勻速轉(zhuǎn)動時,細線拉力的大小可以通過力傳感器測得。水平直桿的右端最邊緣安裝了寬度為d的擋光條,擋光條到豎直轉(zhuǎn)軸的距離為D,光電門可以測出擋光條經(jīng)過光電門所用的時間(擋光時間)?；瑝KP與豎直轉(zhuǎn)軸間的距離可調(diào)?；卮鹨韵聠栴}:①若某次實驗中測得擋光條的擋光時間為Δt,則滑塊P的角速度表達式為ω=

;

丙②實驗小組保持滑塊P質(zhì)量和運動半徑r不變,探究向心力F與角速度ω的關(guān)系,作出F-ω2圖線如圖丁所示,若滑塊P運動半徑r=0.3m,細線的質(zhì)量和滑塊與桿的摩擦可忽略,由F-ω2圖線可得滑塊P質(zhì)量m=

kg(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

0.30解析

(1)①在該實驗中,通過控制質(zhì)量、半徑、角速度中兩個物理量相同,探究向心力大小與另外一個物理量之間的關(guān)系,采用的科學(xué)方法是控制變量法,探究小車速度隨時間變化的規(guī)律沒有采用控制變量法,故A錯誤;在探究影響平行板電容器電容大小時應(yīng)用了控制變量法,故B正確;探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律,應(yīng)用了等效替代法,故C錯誤;探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系,應(yīng)用了控制變量法,故D正確。②在某次實驗中,把兩個質(zhì)量相等的鋼球放在B、C位置,探究向心力的大小與半徑的關(guān)系,應(yīng)使兩球的角速度相同,則需要將傳動皮帶調(diào)至第一層塔輪。命題角度3用單擺測量重力加速度的大小

例9(2023新課標卷)一學(xué)生小組做“用單擺測量重力加速度的大小”實驗。

(1)用實驗室提供的螺旋測微器測量擺球直徑。首先,調(diào)節(jié)螺旋測微器,擰動微調(diào)旋鈕使測微螺桿和測砧相觸時,發(fā)現(xiàn)固定刻度的橫線與可動刻度上的零刻度線未對齊,如圖甲所示,該示數(shù)為

mm;螺旋測微器在夾有擺球時示數(shù)如圖乙所示,該示數(shù)為

mm,則擺球的直徑為

mm。(2)單擺實驗的裝置示意圖如圖丙所示,其中角度盤需要固定在桿上的確定點O處,擺線在角度盤上所指的示數(shù)為擺角的大小。若將角度盤固定在O點上方,則擺線在角度盤上所指的示數(shù)為5°時,實際擺角

(選填“大于”或“小于”)5°。

(3)某次實驗所用單擺的擺線長度為81.50cm,則擺長為

cm。實驗中觀測到從擺球第1次經(jīng)過最低點到第61次經(jīng)過最低點的時間間隔為54.60s,則此單擺周期為

s,該小組測得的重力加速度大小為

m/s2。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字,π2取9.870)

0.00620.03520.029大于82.51.829.83解析

(1)讀數(shù)x1=0.006

mm,讀數(shù)x2=20.035

mm,擺球的直徑為x=x2-x1=20.029

mm。(2)若固定在O點的上方,則擺線和刻度盤的交點靠向內(nèi)側(cè),如圖所示,故擺線示數(shù)為5°時,實際擺角大于5°。拓展衍生4.物理創(chuàng)新實驗研究小組用步進電機、圓盤、小物塊、手機等制作了圓周運動綜合探究平臺,探究圓周運動中向心力、向心加速度等各個物理量之間的關(guān)系:丙(1)手機內(nèi)部自帶加速度傳感器,可測量向心加速度大小與方向,規(guī)定x、y、z三個方向的正方向如圖甲所示。某同學(xué)站在轉(zhuǎn)臺上將手水平伸直,以不同朝向拿著手機,如圖乙所示以自己身體為軸旋轉(zhuǎn),某段時間內(nèi)測得y軸方向加速度—時間圖像如圖丙所示,x、z軸方向加速度為零,則她可以是

(填選項前的字母)。

A.將手機豎起,手機屏幕正對自己旋轉(zhuǎn)B.手機平放在手掌上,屏幕朝上,讓底邊對著自己旋轉(zhuǎn)C.手機平放在手掌上,屏幕朝上,讓側(cè)邊對著自己旋轉(zhuǎn)B(2)為了測加速度傳感器在手機中位置,該同學(xué)將手機沿徑向平放固定在圓盤上,如圖丁所示,底邊正對圓盤轉(zhuǎn)軸,讓步進電機帶動圓盤旋轉(zhuǎn),手機的加速度、角速度等值可通過手機App讀取,由an-ω2的圖像獲得斜率為k(使用國際單位),再用刻度尺測量手機底邊到轉(zhuǎn)軸的長度d,如圖戊所示,則d=

m,手機內(nèi)部加速度傳感器到手機底邊的長度為

(用題目所給的物理量表示)。

0.1025k-d(3)若實驗中認為手機繞轉(zhuǎn)軸做勻速圓周運動,測得手機的質(zhì)量m,周期為T,手機視為質(zhì)點,手機到轉(zhuǎn)軸的距離為r,可求得向心力Fn=

(用題目所給的物理量表示)。

解析

(1)根據(jù)圖像,旋轉(zhuǎn)時有沿y軸負方向的加速度,向心加速度指向圓心,可能是手機平放在手掌上,屏幕朝上,讓底邊對著自己旋轉(zhuǎn),故選B。(2)根據(jù)刻度尺的讀數(shù)規(guī)則及圖戊可知d=102.5

mm=0.102

5

m;根據(jù)公式an=kω2,即旋轉(zhuǎn)半徑為k,手機內(nèi)部加速度傳感器到手機底邊的長度為l=k-d。5.(2024廣西卷)單擺可作為研究簡諧運動的理想模型。(1)制作單擺時,在圖甲、圖乙兩種單擺的懸掛方式中,選擇圖甲方式的目的是要保持擺動中

不變。

(2)用游標卡尺測量擺球直徑,讀數(shù)如圖丙,則擺球直徑為

cm。

擺長1.06(3)若將一個周期為T的單擺,從平衡位置拉開5°的角度釋放,忽略空氣阻力,擺球的振動可看為簡諧運動。當?shù)刂亓铀俣葹間,以釋放時刻作為計時起點,則擺球偏離平衡位置的位移s與時間t的關(guān)系為

。

解析

(1)題圖乙中的懸掛方式,小球在運動過程中,擺長會變化。(2)該游標卡尺為10分度的,游標尺上的最小分度為0.01

cm且游標卡尺不估讀,則d=1.0

cm+6×0.01

cm=1.06

cm。突破熱點聚素養(yǎng)知識精要創(chuàng)新實驗:力學(xué)創(chuàng)新類實驗歸納分析對于創(chuàng)新型實驗的處理,最根本的方法是要把實驗的本質(zhì)從新情境中分離出來,找出與常規(guī)實驗的相同之處,然后運用熟悉的實驗原理和實驗數(shù)據(jù)處理方法進行處理,解決此類問題要有“以不變應(yīng)萬變”的策略:(1)根據(jù)題目情境,提取相應(yīng)的力學(xué)模型,明確實驗的理論依據(jù)和實驗?zāi)康?設(shè)計實驗方案。(2)進行實驗,記錄數(shù)據(jù),應(yīng)用原理公式或圖像法處理實驗數(shù)據(jù),結(jié)合物體實際受力情況和理論受力情況對結(jié)果進行誤差分析?？枷蚍治龈呖剂W(xué)創(chuàng)新實驗題常把考查內(nèi)容延伸到演示實驗中,甚至拓展到遷移類實驗、應(yīng)用性實驗、設(shè)計性實驗。要求學(xué)生利用所學(xué)知識,對實驗儀器或?qū)嶒灧椒ㄖ亟M,將教材中的學(xué)生實驗和演示實驗的實驗原理、實驗方法遷移到情境新穎的實驗中去。從高考題的特點我們可以看出,考查原始實驗的題目較少,實驗題大都以基本的力學(xué)模型為載體,依托運動學(xué)規(guī)律和力學(xué)定律設(shè)計實驗,力學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計的形式有以下三種:1.實驗器材的等效與替換。常見的考查模式主要有兩大類:一是不變目的,變裝置;二是不變裝置,變目的。2.實驗原理的拓展與延伸。該類實驗的特點是題目來源于教材,但又高于教材,實驗的基本原理和思想方法是考查的核心,要解決此類實驗問題,應(yīng)從背誦實驗向分析理解實驗轉(zhuǎn)變。3.試題情境的設(shè)計與創(chuàng)新。不管試題情境的設(shè)計進行了怎樣的創(chuàng)新,其考查的實驗原理和實驗處理方法仍然不變。案例探究典例(2024廣東茂名階段練習(xí))某實驗小組為了測定小物塊與長木板間的動摩擦因數(shù),設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置,力傳感器可以測出輕繩的拉力大小,滑輪及輕繩質(zhì)量不計,重力加速度g已知。實驗步驟如下:①按圖甲所示裝置安裝實驗器材,長木板保持水平;②在砂桶內(nèi)放入一定質(zhì)量的砂子,小物塊靠近打點計時器,接通打點計時器的電源,釋放小物塊,打出一條紙帶,同時記錄力傳感器的讀數(shù);③利用紙帶計算小物塊的加速度;④改變砂桶內(nèi)砂子的質(zhì)量,重復(fù)步驟②③;⑤以小物塊加速度a為縱坐標,力傳感器讀數(shù)F為橫坐標,作出圖像如圖乙所示。(1)砂子與砂桶的總質(zhì)量

(選填“需要”或“不需要”)遠小于小物塊的質(zhì)量。

(2)圖丙是某次實驗得到的一條紙帶。已知打點計時器用的是頻率為f=50Hz的交流電源,兩相鄰計數(shù)點間還有四個計時點沒有畫出,小物塊運動的加速度表達式a=

(用f、s1、s2、s3、s4和數(shù)字表示),大小為

m/s2(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。(3)測得圖乙中直線斜率為k,縱截距為-b,則長木板動摩擦因數(shù)為

;小物塊質(zhì)量為

(用k、b、g表示)。

不需要2.40解析

(1)實驗中可利用力傳感器直接得到輕繩拉力,故不需要滿足砂子與砂桶的總質(zhì)量遠小于小物塊的質(zhì)量。思維拓展

本題這一類問題創(chuàng)新之處常常有下列幾種情況。

實驗方法創(chuàng)新思維實驗原理

將研究運動物體轉(zhuǎn)化為研究靜止物體利用F彈=f=μFN求μ

讓物塊先做加速運動,當重物掉到地面上之后物塊做勻減速直線運動減速運動中,利用逐差法求加速度,利用F=μmg=ma進一步求μ角度拓展1.(2023湖北卷)某同學(xué)利用測質(zhì)量的小型家用電子秤,設(shè)計了測量木塊和木板間動摩擦因數(shù)μ的實驗。如圖甲所示,木板和木塊A放在水平桌面上,電子秤放在水平地面上,木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連。調(diào)節(jié)滑輪,使其與木塊A間的輕繩水平,與重物B間的輕繩豎直。在木塊A上放置n(n=0,1,2,3,4,5)個砝碼(電子秤稱得每個砝碼的質(zhì)量m0為20.0g),向左拉動木板的同時,記錄電子秤的對應(yīng)示數(shù)m。甲(1)實驗中,拉動木板時

(選填“必須”或“不必”)保持勻速。

(2)用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質(zhì)量,則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關(guān)系式為m=

。

(3)根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制出m-n圖像,如圖乙所示,可得木塊A和木板間的動摩擦因數(shù)μ=

(保留2位有效數(shù)字)。

乙不必mB-μ(mA