实验专题（必修第一册）（word版）-【精英1号】2025年高中物理学考笔记·知识梳理手册

实验专题 必修第一册实验 　 实验基本常识 1.误差与误差分析 (1)误差的概念：实验中得到的测量值与真实值的差异称为误差。 (2)误差的种类：按照产生误差的原因，误差可分为系统误差和偶然误差。 ①由于实验原理不够完善、实验方法比较粗略、实验仪器不够精确等客观因素产生的误差，称为系统误差。 ②各种偶然因素(例如气候、温度、湿度和实验者的素质与技能……)对测量仪器、被测对象、实验人员的影响造成的误差叫作偶然误差。 2.有效数字 有效数字：带有一位不可靠数字的近似数字称为有效数字。 (1)有效数字中只能有一位不可靠数字。 (2)小数点后面最后一位的零是有意义的，不能随便舍去和添加，而小数中的第一个非零数字前面的零是用来表示小数点的位置的，不是有效数字。 测量纸带的平均速度和瞬时速度 1.两种计时器的比较 电磁打点计时器 电火花计时器 结构 示意 图 打点 原理 电磁作用下振针上下周期性振动打点 脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴放电打点 工作 电压 约8 V交变电源 220 V交变电源 打点周期(打点频率) 0.02 s(50 Hz) 0.02 s(50 Hz) 阻力来源 纸带与限位孔、复写纸的摩擦，纸带与振针的摩擦 纸带与限位孔、墨粉纸盘的摩擦，比前者小 2.测量纸带的平均速度和瞬时速度 (1)实验目的 利用打点计时器测量物体运动的平均速度和瞬时速度。 (2)实验原理 ①计算平均速度 跟运动物体连在一起的纸带上的点迹，记录了物体在不同时刻的位置，用刻度尺测出两个计数点间的距离Δx，如图所示，打下两个点的时间间隔可用Δt＝(n－1)×0.02 s求得，可以算出平均速度v＝。 ②计算瞬时速度 当Δt很小时，可以用平均速度v＝粗略地表示中间时刻的瞬时速度。如图所示， 纸带上相邻两个计数点间的时间间隔T＝5×0.02 s＝0.1 s，则1、2、3、4、5各点的瞬时速度分别为v1＝＝，v2＝，v3＝，x4＝，v5＝。 (3)实验器材 电火花计时器与220 V交变电源(或电磁打点计时器与低压交流电源)、纸带、毫米刻度尺等。 (4)实验步骤 ①把打点计时器固定在桌面上，将打点计时器与交变电源相接，穿好纸带； ②启动电源，用手水平拉动纸带，完成打点后及时关闭电源，取下纸带； ③选取纸带上能看清的一点为起始点0，后面每隔四个点取一个计数点，分别用数字1、2、3、…标出这些计数点； ④测量各计数点到起始点0之间的距离x，记录在各计数点旁； ⑤计算相邻两计数点间的位移Δx及对应的时间Δt，根据公式v＝，计算纸带在相邻计数点间的平均速度v； ⑥计算包含各计数点在内的一小段位移Δx及对应的时间Δt，根据公式 v＝，求得各计数点的瞬时速度。 (5)注意事项 ①手拉动纸带的速度应快一些，以防点迹太密集。 ②打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再拉动纸带。 ③打点计时器不能连续工作太长时间，打点之后应立即关闭电源。 ④对纸带进行测量时，不要分段测量各段的位移，正确的做法是一次测量完毕，即统一测量出各个计数点到起始点0之间的距离。 ⑤为减小实验误差，1、2、3、4、…不一定是连续的计时点，可以每隔四个点取一个计数点(相邻两个计数点之间还有四个点)，此时两计数点的时间间隔T＝0.1 s。 ⑥计算某计数点n的瞬时速度时，一般的Δx、Δt应取该计数点前、后两个计数点之间的位移和时间，vn＝。 【典例1】　[2023·浙江金华·联考](1)电磁打点计时器和电火花计时器都是使用________(选填“交变”或“直流”)电源的计时仪器，电磁打点计时器的工作电压约是________(选填“8”或“220”)V，当电源频率是50 Hz时，它每隔________ s打一次点。 (2)在“测量纸带的平均速度和瞬时速度”的实验中，某同学使用50 Hz的交变电源利用电火花计时器打出了一条清晰的纸带，如图所示。A、B、C、D、E、F为他在纸带上选出的计数点，相邻两个计数点之间还有四个点没画。 试求BD的平均速度vBD＝________ m/s；E点的瞬时速度vE＝________ m/s。(结果保留3位有效数字) 【答案】(1)交变　8　0.02　(2)0.280　0.440 【解析】(1)电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交变电源的仪器，电磁打点计时器的工作电压是8 V。 当电源频率是50 Hz时，每次打点时间间隔 T＝＝ s＝0.02 s。 (2)相邻两个计数点之间还有四个点没画，两计数点之间时间为t＝0.02×5 s＝0.1 s， BD的平均速度 vBD＝＝×10－2 m/s＝0.280 m/s， E点的瞬时速度等于DF段的平均速度 vE＝＝×10－2 m/s＝0.440 m/s。 探究小车速度随时间变化的规律 1.实验装置 本实验的装置中不需要调整木板倾斜程度，拉动小车的重物的质量也无特别要求。 2.实验原理 (1)瞬时速度的计算：各计数点的瞬时速度可用以该点为中间时刻的一段时间内的平均速度来代替，即vn＝。 (2)根据v­t图像判断小车运动性质：用描点法可作出小车的v­t图像，根据图像的形状可判断小车运动性质。 (3)加速度的计算：利用v­t图像的斜率求出小车的加速度。 3.实验步骤 (1)把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路。 (2)把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面。放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行。 (3)把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，后放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，换上新纸带，重复三次。 (4)从几条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头一些比较密集的点，量取相应数据填入设计的表格中。 4.注意事项 (1)平行：纸带、细绳要和长木板平行。 (2)两先两后：实验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源，后取纸带。 (3)防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止钩码落地及小车与滑轮相撞。 (4)小车释放位置：小车从靠近打点计时器位置处释放。 (5)纸带选取：选择一条点迹清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点。 (6)准确作图：在坐标纸上，纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏而导致误差过大)，仔细描点连线，不能连成折线或曲线，应作一条直线。 【典例2】　[2023·浙江湖州·期末]某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中(电源频率为50 Hz)，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出A、B、C、D、E、F、G共7个计数点。相邻两个计数点间的距离如图所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.1 s。 (1)在实验中，使用打点计时器时应先____________再____________。(均选填“拉动纸带”或“启动电源”) (2)每两个计数点间还有________个计时点没有标出。 (3)试根据纸带上各个计数点间的距离，计算出打下B、C、D三个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下表(计算结果均保留3位有效数字)。 vB vC vD vE vF 数值/ ( m·s－1) _____ _____ _____ 0.640 0.721 (4)以A点为计时起点，将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在直角坐标系中，作出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线，并说明小车速度变化的特点：________________________________________________________________________________。 【答案】(1)启动电源　拉动纸带　(2)4 (3)0.400　0.479　0.560 (4) 小车的速度随时间均匀增大 【解析】(1)在实验中，使用打点计时器时应先启动电源，再拉动纸带。 (2)由题意可知相邻两计时点间的时间间隔为T＝＝0.02 s， 每两个计数点间未标出的计时点个数为 n＝－1＝4。 (3)分别用对应时间段的平均速度表示中间时刻的瞬时速度，可得 vB＝＝ m/s＝0.400 m/s， vC＝＝ m/s＝0.479 m/s， vD＝＝ m/s≈0.560 m/s。 (4)v­t图线如图所示。 v­t图线为斜率为正的倾斜直线，说明小车的速度随时间均匀增大。 探究弹簧弹力与形变量的关系 1.实验原理 弹力大小F：二力平衡(弹簧弹力大小F与钩码重力大小mg相等)。 形变量x：挂上钩码后的弹簧长度l减去弹簧原长l0。 2.实验器材 铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸、重锤线、铅笔等。 3.实验操作 安装：将弹簧一端挂在铁架台上，让其自然下垂，如图所示。 (1)用刻度尺测出弹簧原长l0。 (2)在弹簧下端依次挂上不同个数的钩码，在钩码静止时，测出对应的弹簧总长l。将每次所挂钩码的质量m和相应的弹簧长度l记录在表格内，并计算出每次弹簧的伸长量x＝l－l0。 4.数据处理 以弹簧的弹力大小F(mg)为纵坐标，以弹簧的伸长量x为横坐标，建立坐标系，用描点法作图。 观察图像的变化趋势，写出图像所代表的函数表达式。 5.注意事项 (1)实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，以免超出弹簧的弹性限度。 (2)测量长度时，应区别弹簧原长l0、实际长度l及伸长量x这三个物理量，明确三者之间的关系。 (3)记录数据时要注意弹力及伸长量的对应关系及单位。 (4)描点作图时，应使尽量多的点落在画出的线上，可允许少数点分布于线两侧，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线或直线。 【典例3】　如图所示，用铁架台、弹簧和多个已知质量且质量相等的钩码，探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系实验。 (1)为完成实验，必需的实验器材还有______________。 (2)使用两根不同的轻质弹簧a和b，得到弹力与弹簧长度的关系图像如图所示， ①图线不过原点，原因可能是________(选填字母)。 A.测出弹簧水平状态下的自由长度作为原长 B.钩码的质量太小 ②a、b两根弹簧，劲度系数较大的是________。 (3)下图所示是探究某根弹簧的伸长量x与所受拉力F之间的关系图。则弹簧的劲度系数是________ N/m。 【答案】毫米刻度尺　A　a　2000 【解析】(1)由实验原理可知，本实验中应测量弹簧的长度，故应用到毫米刻度尺。 (2)①图线不过原点的原因是实验中没有考虑弹簧的自重或在弹簧没有处于竖直状态时测量它的原长。故选A。 ②图像斜率表示劲度系数的大小，故a的劲度系数较大； (3)由斜率得劲度系数k＝2000 N/m 探究两个互成角度的力的合成规律 1.实验原理 等效替代：两次作用效果都是让同一条一端固定的橡皮筋伸长到同一点 2.实验器材 方木板、白纸、两个弹簧测力计、橡皮筋、细绳套、两块三角板、刻度尺、图钉、细芯铅笔。 3.实验步骤 (1)仪器安装 ①用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。 ②用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套。 (2)测量与记录 ①用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使结点伸长到某一位置(如图所示)，记录两弹簧测力计的读数F1、F2，用铅笔描下O点的位置及此时两细绳套的方向。 ②只用一个弹簧测力计通过细绳套把结点拉到同样的位置O，记下弹簧测力计的读数F′和细绳套的方向。 ③改变两弹簧测力计拉力的大小和方向，再重做两次实验。 4.数据处理 (1)用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套的方向画直线，按选定的标度作出这两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即合力F的图示。 (2)用刻度尺从O点按同样的标度沿细绳套的方向作出实验步骤中只用一个弹簧测力计的拉力F′的图示。 (3)比较F与F′在实验误差允许的范围内是否大小相等、方向相同。 5.注意事项 (1)位置不变：在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。 (2)弹簧测力计：实验时，弹簧测力计必须保持与木板平行，且拉力应沿轴线方向，弹簧测力计的指针、拉杆都不要与刻度板发生摩擦。 (3)角度合适：用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°～100°之间为宜。 (4)细绳套：细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。 【典例4】　[2023·浙江绍兴·学考模拟]某同学用如图甲所示装置做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验。 (1)关于该实验，下列说法正确的是________。 A.实验前，必须测量橡皮条原长 B.确定力的方向时，应该用铅笔沿着细绳画直线 C.同一次实验中结点位置不能改变，但进行多次重复实验时，结点的位置可以不同 D.在实验中，如果将细绳换成橡皮条，那么对实验结果有影响 (2)某次实验中，用一个弹簧测力计拉橡皮条时，使结点到达O点时，弹簧测力计的示数如图乙所示，则橡皮条的弹力大小为________ N。 (3)某同学在做这个实验时，用两个弹簧测力计通过细绳沿平行木板的不同方向同时拉橡皮筋，使结点到达O点，记下O点位置和两细绳的方向，读出两个拉力的大小分别为F1＝2.8 N和F2＝4.0 N；只用一个弹簧测力计通过细绳沿平行木板的方向拉橡皮筋，并再次使结点到达O点，读出拉力的大小为F′＝6.3 N，请你作图帮他完成实验数据的处理。 【答案】(1)C　(2)2.40 (3) 【解析】(1)本实验中橡皮条是产生力的媒介，需要记录的是拉橡皮条的力的大小和方向，所以只要在一次实验中保持橡皮条拉到同一结点位置即可，不需要测量橡皮条原长，故A错误；确定力的方向时，用铅笔沿着细绳画直线，这样操作铅笔会碰到细线，从而使记录的方向不准确，应该采用两点确定直线的方法记录力的方向，故B错误；同一次实验中结点位置不能改变，但进行多次重复实验时，结点的位置可以不同，故C正确；由于细绳主要用来记录力的方向，故将两个细绳套换成两根橡皮条，不会影响实验结果，故D错误。故选C。 (2)弹簧测力计的每一小格为0.1 N，读数时需要估读到0.01 N，则橡皮条上的弹力大小为2.40 N。 (3)通过平行四边形定则作力的图示，结果如图 探究加速度与力、质量间的关系 1.实验装置 本实验的装置中需要调整木板倾斜程度，拉动小车的重物的质量有特别要求。 2.实验原理 探究加速度a与力F及质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法；用图像法研究：①a­F的关系；②a­M的关系。 3.实验步骤 (1)用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。 (2)按照实验装置图把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。 (3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。 (4)把细绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小盘，小盘里放砝码，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点。由纸带计算出小车的加速度a，并把力F和对应的加速度a填入表中。 (5)改变小盘内砝码的个数。重复步骤(4)，并多做几次。 (6)保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上运动打出纸带。计算砝码和小车的总质量M，并由纸带计算出小车对应的加速度a，并把总质量M和对应的加速度a填入表中。 (7)分别作a­F图像和a­图像，分析得出实验结论。 4.注意事项 (1)实验方法：控制变量法。 (2)平衡摩擦力：不悬挂小盘，但小车连着纸带。 (3)不重复：不重复平衡摩擦力。 (4)实验条件：M≫m。小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。 (5)一先一后一按住：先接通电源，后放小车，且在小车到达滑轮前按住小车。 (6)作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位。 【典例5】　[2023·浙江温州·学考模拟]某实验小组利用图甲所示的装置进行“探究加速度与力、质量的关系”的实验。小车及车中的砝码质量用M表示，钩码质量用m表示，小车的加速度可由打点计时器在纸带上打出的点计算出。 (1)实验时，某同学没有进行平衡摩擦力这一步骤，他将每组数据在坐标纸上描点、画线得到的a­F图像，可能是图乙中的________(选填“A”“B”或“C”)图线。 (2)关于本实验，下列说法正确的是________。 A.实验时应先释放小车后接通电源 B.小车质量应远远大于钩码的质量 C.每次改变小车质量时，都应重新平衡摩擦力 D.平衡摩擦力时，应将钩码用细线绕过定滑轮系在小车上 E.小车运动的加速度可用天平测出m和M，直接用公式a＝求出 (3)图丙所示为本实验中得到的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点的时间间隔T＝0.10 s，由该纸带可求得小车的加速度a＝________ m/s2。(计算结果保留两位有效数字) 【答案】(1)A　(2)B　(3)0.50 【解析】(1)当没有进行平衡摩擦力时，小车所受的拉力到达某一值时小车才开始加速运动，则得到的图像应该是A。 (2)实验时应先接通电源后释放小车，选项A错误；小车质量应远远大于钩码的质量，这样才能认为钩码的重力等于小车的牵引力，选项B正确；每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力，选项C错误；平衡摩擦力时，不应将钩码用细线绕过定滑轮系在小车上，而是只让小车拖着纸带在木板上匀速运动，选项D错误；小车运动的加速度要从纸带中算出，不能用公式a＝求出，选项E错误。故选B。 (3)由Δx＝aT2，其中Δx＝0.5 cm，则 a＝＝ m/s2＝0.50 m/s2。 【变式5­1】　在“探究物体加速度与力、质量的关系”实验中，实验室提供了带有滑轮的长木板、纸带、小车、槽码、细线、薄木块、夹子等器材，为了完成此实验，还需要从下图中选取的实验器材是________(多选)。 A B C D E F 实验时，下列选项中带有滑轮的长木板一端与细绳、实验桌之间的角度关系最合理的是________。 A. B. C. 【答案】A、D、E　B 【解析】探究物体加速度与力、质量的关系的实验中需要测量小车运动的时间、小车的质量、小车运动的距离，为了完成此实验，还需要从中选取的实验器材是A、D、E。本实验需要平衡摩擦力，所以长木板需要垫高不带滑轮的一端，才能保证细线与长木板表面平行。故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $$