专题十一 力学实验 讲义 -2025届高考物理二轮复习备考

专题十一 力学实验（讲义） 一、考情分析 物理实验是高考试题中不可缺少的一部分，所占比重虽然不是很大，但确是提分的关键，此部分试题有较为固定的解题思路，再难以解答的试题，都会有简单的填空。抓住各类题型的解题思路，是解决实验题的关键。高考中一般有两个实验题，力学实验与电学实验各一道题。实验题考察的是对知识的综合运用，是通过探究，运动所学的知识将实验步骤完成的题型。 二、重点知识 1.系统误差：由于仪器本身不精密、实验方法粗略或实验原理不完善而产生的误差。系统误差总是同样偏大或偏小。系统误差可以通过更新仪器、完善原理和精确实验方法来减小。 2.偶然误差：由各种偶然因素如测量、读数不准确、作图不规范造成的误差，偶然误差表现为重复做同一实验时总是时大时小，偶然误差可用多次测量求平均值或作图的方法来减小。 3.有效数字：带有一位不可靠数字的近似数字叫有效数字，有效数字从左边第一个不为零的数字算起，如0.0857为三位有效数字，中学阶段一般取2位或3位有效数字。 三、考点分析 考点1 游标卡尺和螺旋测微器的读数 1.游标卡尺 （1）读数：测量值=主持读数+精度×游标尺读数 （2）精度：10分度，精度0.1mm 20分度，精度0.05mm 50分度，精度0.02mm 2.螺旋测微器 读数：测量值=固定刻度+可动刻度（带估读值）×0.01mm 3.注意事项 （1）10分度的游标卡尺，以mm为单位，小数点后只有1位数；20分度和50分度的游标卡尺以mm为单位，小数点后有2位数。 （2）游标卡尺在读数时先读主尺数据，再读游标尺数据，最后两数相加。游标卡尺读数不估读。 （3）不要把游标尺的边缘当成零刻线，从而把主尺的刻度读错。 （4）螺旋测微器读数时，要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出；要准确到0.01 mm，估读到0.001 mm，即结果若用mm为单位，则小数点后必须保留三位数字。 【例1】读出游标卡尺和螺旋测微器的读数 （1）游标卡尺示数 cm （2） 螺旋测微器的示数 cm （1）1.090 （2） 0.5365~0.5367 （1）游标卡尺的最小刻度为0.005cm，示数为 （2）螺旋测微器的最小刻度为0.001cm，示数为固定刻度读数为0.5cm，可动刻度读数为 【例2】甲、乙、丙三位同学使用不同的游标卡尺测量某圆筒的直径时，测量结果分别如下： 甲同学：使用游标为10分度的卡尺，读数为； 乙同学：使用游标为20分度的卡尺，读数为； 丙同学；使用游标为50分度的卡尺，读数为。 从这些数据中可以看出读数不正确的是_____同学。 答案：丙 解析：甲同学使用游标为10分度的卡尺，精确度为0.1mm，所以游标为10分度的卡尺，以cm为单位的时候，小数点后又两位数，所以甲的读数是可能的 乙同学使用游标为20分度的卡尺，精确度为0.05mm，所以游标为20分度的卡尺，最后的读数一定是0或者5，所以乙的读数是可能的； 丙同学使用游标为50分度的卡尺，精确度为0.02mm，所以游标为50分度的卡尺，最后的读数一定是偶数，所以丙同学的读数是错误的。 考点2 纸带类实验 1.打点计时器 （1）电磁打点计时器：低压交流电、50Hz； （2）火花打点计时器：220V交流电、50Hz。 2.两个关键点 （1）区分计时点和计数点：计时点是指打点计时器在纸带上打下的点，计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点。要注意“每五个点取一个计数点”与“每隔四个点取一个计数点”的取点方法是一样的，都是描5个计时点的时间。 （2）涉及打点计时器的实验均是先接通打点计时器的电源，待打点稳定后，再释放纸带。 3.纸带的三大应用 （1）判断物体运动性质：设相邻相等时间内位移差为，有：①若，则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动。②若不为零且为定值，则可判定物体在实验误差允许范围内做匀变速直线运动。 （2）求解瞬B速度：做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。 （3）用“逐差法”求加速度 如图所示： 我们只需带入公式：，即可求出加速度。 【例3】在研究小车做匀变速直线运动的实验中，使用打点计时器打出一条纸带如图所示，其中打点计时器使用的交流电频率为，图中A、B、C、D、E为纸带上选取的计数点，每相邻两计数点间还有4个点没有画出。 （1）根据纸带中数据可以判定小车做匀变速直线运动的依据是：_______。 （2）根据纸带计算可知，C点速度大小_______m/s，小车加速度大小_______。（计算结果均保留两位小数） （3）若实际上使用的交流电频率大于50Hz，则上面计算出加速度的值_______（填“大于”“小于”或“等于”）实际值。 答案：（1）相邻相等时间内的位移差为定值 （2）1.63；6.50 （3）小于 解析：（1）根据纸带数据可得 则有 可知相邻相等时间内的位移差为定值，则小车做匀变速直线运动。 （2）每相邻两计数点间还有4个点没有画出，可知相邻计数点的时间间隔为 根据匀变速直线运动中间时刻速度等于该段过程的平均速度，则C点速度大小为 根据 可得小车加速度大小为 （3）若实际上使用的交流电频率大于50Hz，则打点周期小于，相邻计数点的时间间隔小于，可知代入计算的时间偏大，则上面计算出加速度的值小于实际值。 考点3 橡皮条、弹簧类实验 1.橡皮条、弹簧的弹力大小与伸长量之间的关系满足胡克定律，实验的数据处理中一般选用图象法。 2.胡克定律描述的是在弹性限度内，橡皮条（弹簧）的弹力与形变量成正比，如果超出弹性限度，正比关系不再成立。 3.图象法处理数据的要求 （1）作图一定要用坐标纸，提高作图的精准度。 （2）要标明坐标轴名、单位，在坐标轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值。 （3）图上的连线不一定通过所有的数据点，应尽量使数据点合理地分布在线的两侧。 （4）作图时常通过选取适当的坐标轴所表示的物理量使图象线性化，即“变曲为直”。 （5）为了使坐标纸有效使用范围增大，坐标原点可以不从“0”开始。 【例4】在“探究弹簧弹力与弹簧伸长量的定量关系”实验中，用铁架台、带挂钩的不同弹簧若干、50g的钩码若干、刻度尺等，安装如图甲所示的装置，刻度尺的零刻度线与弹簧上端平齐。实验中得到A、B两弹簧的弹力F的大小与伸长量x之间的关系如图乙所示。 (1)未挂钩码时，B弹簧指针对应的刻度放大如图甲所示，可读得原长_______cm。 (2)由图乙可知劲度系数较小的是_______（选填“A”或“B”）弹簧；还可算出A弹簧的劲度系数为_______N/m。 (3)若某同学做实验时，读取B弹簧的长度为22.00cm，则此时弹簧产生的弹力大小为_______N。 (4)若要制作一个精确度较高的弹簧测力计，应选_______（选填“A”或“B”）弹簧。 答案：(1)7.00 (2)B；25 (3)1.5 (4)B 解析：（1）由图甲刻度尺的分度值为1mm，要估读到分度值的下一位，已知刻度尺的零刻度线与弹簧上端平齐，弹簧长度为 （2）根据胡克定律有 可知，图像的斜率表示劲度系数，由图乙可知，A弹簧的劲度系数大于B弹簧的劲度系数，故劲度系数较小的是B。 由图乙可得，A弹簧的劲度系数为 （3）由图乙可得，B弹簧的劲度系数为 根据胡克定律有 （4）由上述分析可知 若把两个弹簧分别制作成弹簧秤，由于弹簧B的劲度系数更小，弹簧B的形变量更明显，即B的灵敏度更高，故若要制作一个精确度较高的弹簧测力计，应选B。 考点4 “光电门”问题 1.光电门的结构： 光电门是一个像门样的装置，一边安装发光装置，一边安装接收装置并与计时装置连接。 2.光电门的原理： 当物体通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当物体离开时停止计时，根据物体大小与运动时间的比值计算物体运动的速度。 （1）计算速度：如果挡光片的宽度为d，挡光时间为，则物体经过光电门时的瞬时速度。 （2）计算加速度：利用两光电门的距离L及计算加速度。 【例5】某学习小组用如图所示装置测量当地的重力加速度。两光电门固定于铁架台上，光电门1、2与光电计时器相连，小球与光电门1、2在同一竖直线上。 （1）让小球紧靠固定挡板，由静止释放，光电计时器记录小球经过光门1和光电门2所用的时间，测出两光电门间的高度差h，小球直径为d，则小球经过光电门1的速度大小______，小球经过光电门2的速度大小______（用测得的物理量符号表示） （2）重力加速度______（用测得的表示）。 答案：（1）；；（2） 解析：（1）由于小球的运动速度较快，且直径较小，所以可以采用小球在遮光时间内的平均速度来代替小球通过光电门时的瞬时速度，则 （2）根据自由落体运动规律可得 解得 四、试题训练 1.利用如图甲所示装置可以探究物块的加速度与其所受合外力的关系。 （1）按图甲所示安装好实验装置，并调节滑轮的高度使细线与水平桌面平行。 （2）调节重物的质量，轻推物块后，使小车匀速运动，记下此时拉力传感器的示数。 （3）增加重物的质量，由静止释放小车，记录拉力传感器的示数F，物块受到的合外力为_________（用题中字母表示），得到的一条纸带如图乙所示，相邻的两个计数点之间的时间间隔为T，则小车的加速度为________（用题中字母表示）。 （4）重复步骤（3），________（填“需要”或“不需要”）保证物块每次都从同一位置由静止释放。 （5）依据测量的数据，判定物块的加速度与所受合外力的关系。 2.某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律，一根细线一端系住钢球，另一端悬挂在铁架台上的O点，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地固定一个宽度为d的遮光条（质量不计）。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t由计时器测出，取作为钢球经过A点时的速度大小。记录钢球释放时细线与竖直方向的夹角θ和计时器示数t，计算并比较钢球从释放点摆至A点过程中重力势能减少量与动能增加量，从而验证机械能是否守恒。重力加速度为g。 （1）已知钢球质量为m，悬点О到钢球球心的距离为L，则______（用m、θ、L、g表示）。 （2）改变θ值，得出多组θ与挡光时间t的实验数据，若钢球机械能守恒，下列关于θ与t关系的图像正确的是______。 A. B. C. D. （3）依据实验结果，该同学发现钢球的动能增加量总是略大于重力势能减少量，产生这种差异的原因是______。 3.某实验小组用如图甲所示装置验证牛顿第二定律，重力加速度为g. （1）实验前先平衡摩擦力，平衡摩擦力时，______（填“悬挂”或“不悬挂”）重物，将长木板没有定滑轮的一端适当垫高，接通电源，轻推小车，如果打点计时器在纸带上打出的点______，则表明平衡了摩擦力； （2）平衡摩擦力后，调整好整个实验装置再进行实验，某次实验得到的一条纸带如图乙所示，图中已标出其他计数点到计数点“1”的距离，打相邻两计数点的时间间隔为T，则此次实验中小车的加速度为______； （3）平衡摩擦力后，多次改变重物的质量，测出每次改变后重物的质量m、根据纸带求得每次实验小车运动的加速度a，作图像，如果牛顿第二定律成立，则作出的图像可能是______. A. B. C. D. 4.如图甲所示是验证机械能守恒定律的装置。气垫导轨上A处安装有一光电门，B处放置一滑块，滑块中央位置上固定一遮光条，气垫导轨的右端用若干块厚度相同的小木板垫起，重力加速度为g。 （1）用螺旋测微器测得遮光条的宽度如图乙，则遮光条的宽度d为______。 （2）某次实验，滑块由静止释放，遮光条经过光电门，光电门测得时间t，滑块的速度为______（用题中所给物理量的符号表示）。 （3）实验中，控制滑块静止释放位置到光电门距离不变。测量气垫导轨的总长度、每块小木板的厚度D和距离，记录所垫小木板的个数n及光电门对应测量的时间t，设滑块质量为m，此过程中滑块的重力势能减少量为______。 （4）根据实验中的数据得到图像，由图像判断滑块下滑过程中机械能守恒的依据是______。 （5）某小组在实验中发现，滑块通过光电门时的动能总是大于其重力势能的减少量，则该小组实验中出现的问题可能是______。 A.滑块向下运动过程中有阻力 B.遮光片的宽度测量值偏小 C.释放时滑块有向上的初速度 D.小木板垫高的位置过于偏左 答案以及解析 1.答案：（3）；（4）不需要 解析：（3）由操作（2）可知，物块受到的摩擦力大小为，所以物块受到的合外力大小为 根据逐差法有 （4）实验探究物块的加速度与其所受合外力的关系，物块不需要每次从同一位置由静止释放。 2.答案：（1） （2）D （3）遮光条的遮光点到悬点О的距离大于钢球球心到悬点О的距离，测得遮光条处的速度比球心的真实速度大，导致动能增加量的测量值偏大 解析：（1）钢球从释放点摆至A点过程中，下落的高度为 重力势能减少量为 （2）若钢球机械能守恒，则有 整理可得 可知与成线性关系。 故选D。 （3）钢球的动能增加量总是略大于重力势能减少量，产生这种差异的原因是：由实验装置可知，遮光条的遮光点到悬点О的距离大于钢球球心到悬点О的距离，因此测得的速度比球心处真实速度大，导致动能增加量的测量值偏大。 3.答案：（1）不悬挂；间隔均匀（2）（3）A 解析：（1）平衡摩擦力时，不悬挂重物，如果打点计时器在纸带上打出的点间隔均匀，则表明平衡了摩擦力； （2）由，解得； （3）如果牛顿第二定律成立，则，解得，选项A正确. 4.答案：（1）4.631/4.632/4.633 （2） （3） （4）图像为过原点的直线，其斜率为 （5）CD 解析：（1）遮光条的宽度 （2）由于遮光条通过光电门的时间极短，因此可以利用平均速度来代替其瞬时速度，因此滑块经过光电门时的瞬时速度为 （3）滑块的重力势能减少量为 （4）如果机械能守恒则 整理得 所以图像为过原点的直线，其斜率为，则滑块下滑过程中机械能守恒。 （5）A.滑块向下运动过程中有阻力，则滑块通过光电门时的动能小于其重力势能的减少量，故A不符合题意； B.遮光片的宽度测量值偏小，速度测量值偏小，则滑块通过光电门时的动能小于其重力势能的减少量，故B不符合题意； C.释放时滑块有向上的初速度，初动能不为零，末动能偏大，则滑块通过光电门时的动能大于其重力势能的减少量，故C符合题意； D.小木板垫高的位置过于偏左，滑块下降高度偏大，滑块通过光电门的速度偏大，则滑块通过光电门时的动能大于其重力势能的减少量，故D符合题意。 学科网（北京）股份有限公司 $$