【专题14】力学实验
一、概述
1、高考对于基本仪器的读数作为基础知识考查频率较高。在力学部分，考查的实验仪器主要有弹簧测力计、秒表、螺旋测微器、游标卡尺，大多数时候是填空题，注意估读和误差分析
2、力学中有多个实验都要用到打点计时器,能否正确使用打点计时器,并根据纸带进行正确的数据运算，是能否完成这些实验的关键，利用纸带直接测量的时间和位移，可以计算研究对象的瞬时速度和加速度，若结合其它物理量的测量，还可以解决与上面这些量直接有关或间接有关的问题，例如：计算动能、重力势能、动摩擦因数、功率、转速等，从而延伸出很多与纸带有关的力学实验。
3、图象法是一种重要的实验数据处理方法．图象具有既能描述物理规律，又能直观地反映物理过程、表示物理量之间定性定量关系及变化趋势的优点．当前高考试题对数据处理、结果分析考查的频率较高。 二、考点提示
1、游标卡尺和螺旋测微器读数时应注意的问题
(1)10分度的游标卡尺,以mm为单位,小数点后只有1位,20分度和50分度的游标卡尺以mm为单位,小数点后有2位,且对齐格数不估读。
(2)螺旋测微器以mm为单位,小数点后必须有3位,对齐格数要估读,同时还要注意半毫米刻度线是否露出。 2、打点计时器及纸带问题的处理方法
（1）打点计时器的认识和正确使用:电磁打点计时器工作电压为低压交流4～6 V;电火花计时器工作电压为交流220V；工作时应先接通电源,后释放纸带。 （2）纸带的应用:
判断物体运动性质。若Δx=0,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动；若Δx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。 （3）求解瞬时速度。
利用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。如图所示,求打某一点的瞬时速度,只需在这一点的前后各取相同时间间隔T的两段位移xn和xn+1,则打n点时的速度vn?（4）用“逐差法”求加速度:
3、图象法处理数据的常用方法和技巧。
图象是描述物理过程、揭示物理规律、解决物理问题的重要方法之一，用图象法处理实验数据是物理实验中最常用的方法。它的优越性表现在：能形象直观地表达物理规律，有效地减少偶然误差对结果的影响，较方便地获得未经测量或无法直接测量的物理量数值。 图象法处理数据的常用方法和技巧。 （1）合理选取坐标轴
合理选取坐标轴就是要选择好横坐标、纵坐标所代表的物理量，确定每个物理量的单位和标度，明确坐标原点处所对应的物理量的数值。
xn?xn?1 2T（2）抓住“斜率”做文章
考查了学生运用图象处理实验数据的本领,考查学生对图线斜率意义的理解。因此只有在平时的实验过程中加强这一能力的培养和训练，才能收到以不变应万变之效。 （3）在“截距”上求变化
作为实验图线的描绘，如果说斜率是联系各变量的中枢神经的话，那么图象与横纵轴的交点就是那“龙”的眼睛，截距就反映这些特定状态所对应的物理量的大小。
★考点一：研究匀变速直线运动规律
◆典例一：（2019全国理综I卷22）某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行研究。物块拖动纸带下滑，打出的纸带一部分如图所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz，纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在ABCDE五个点中，打点计时器最先打出的是 点，在打出C点时物块的速度大小为 m/s（保留3位有效数字）；物块下滑的加速度大小为 m/s2（保留2位有效数字）。
【答案】A 0.233 0.75
【解析】根据题述物块加速下滑，打点计时器最先打出的是A点。根据刻度尺读数规则可读出，B点对应的刻度为1.20cm，C点对应的刻度为3.15cm，D点对应的刻度为5.85cm，E点对应的刻度为9.30cm，AB=1.20cm，BC=1.95cm，CD=2.70cm，DE=3.45cm。两个相邻计数点之间的时间T=5×1/50s=0.10s，根据做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得打出C点时物块的速度大小为vC=0.23m/s。由逐差法和△x=aT2，可a=0.75m/s2。
◆典例二：(2019全国理综III)甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。已知相机每间隔0.1s拍1幅照片。 （1）若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用的器材是 。（填正确答案标号）
A.米尺 B.秒表 C.光电门 D.天平
（2）简述你选择的器材在本实验中的使用方法。 答： 。
（3）实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm，则该地的重力加速度大小为g=___m/s2。（保留2位有效数字）
【答案】.（1）A（2）将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺。（3）9.7
【解析】（1）若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用米尺显示每个照片对应的小球下落的位置。
（2）实验时，将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺。
（3）实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm，由△x=58.7cm -24.5cm -24.5cm =gT2，解得该地的重力加速度大小为g=9.7m/s2。（保留2位有效数字）
★考点二：探究弹力与弹簧伸长的关系
◆典例一：．（2018高考全国理综I）如图（a），一弹簧上端固定在支架顶端，下端悬挂一托盘：一标尺由游标和主尺构成，主尺竖直固定在弹簧左边；托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置，简化为图中的指针。现要测量图（a）中弹簧的劲度系数，当托盘内没有砝码时，移动游标，使其零刻度线对准指针，此时标尺读数为1.950 cm；当托盘内放有质量为0.100 kg的砝码时，移动游标，再次使其零刻度线对准指针，标尺示数如图（b）所示，其读数为_______cm。当地的重力加速度大小为9.80 m/s2，此弹簧的劲度系数为________N/m（保留3位有效数字）。
【答案】3.775cm（2分） 53.7N/m（3分）
【解析】实验所用的游标卡尺精度为0.05mm，游标卡尺上游标第14条刻度线与主尺刻度线对齐，根据游标卡尺的读数规则，图（b）所示的游标卡尺读数为3.7cm+15×0.05mm=3.7cm+0.075cm=3.775cm。 托盘中放有质量为m=0.100kg的砝码时，弹簧受到的拉力F=mg=0.100×9.8N=0.980N，弹簧伸长x=3.775cm-1.950cm=1.825cm=0.01825m，根据胡克定律，F=kx，解得此弹簧的劲度系数k=F/x=53.7N/m。
◆典例二：（2020山东肥城六高月考） 将两根自然长度相同、劲度系数不同、粗细也不同的弹簧套在一起，看作一根新弹簧，设原粗弹簧(记为A)劲度系数为k1，原细弹簧(记为B)劲度系数为k2、套成的新弹簧(记为C)劲度系数为k3。关于k1、k2、k3的大小关系，同学们做出了如下猜想：
k1＋k2甲同学：可能是k3＝
2
111
乙同学：和电阻并联相似，可能是＝＋
k3k1k2丙同学：和电阻串联相似，可能是k3＝k1＋k2
(1)为了验证猜想，同学们设计了相应的实验(装置如图)． (2)简要实验步骤如下，请完成相应填空．
a．将弹簧A悬挂在铁架台上，用刻度尺测量弹簧A的自然长度L0；
b．在弹簧A的下端挂上钩码，记下钩码的个数N、每个钩码的质量m和当地的重力加速度大小g，并用刻度尺测量弹簧的长度L1；
F
c．由F＝ ________计算弹簧的弹力，由x＝L1－L0计算弹簧的伸长量，由k＝计算弹簧的劲度系数；
xd．改变________，重复实验步骤b、c，并求出弹簧A的劲度系数的平均值k1；
e．仅将弹簧分别换为B、C，重复上述操作步骤，求出弹簧B、C的劲度系数的平均值k2、k3，比较k1、k2、k3并得出结论．
(3)右图是实验得到的图线，由此可以判断 ________同学的猜想正确． 【答案】（2）Nmg 钩码的个数 （3） 丙
【解析】根据弹簧下面所挂钩码的总质量计算弹力，即由F＝Nmg计算弹簧的弹力，由x＝L1－L0计算弹簧
F
的伸长量，由k＝计算弹簧的劲度系数；通过改变钩码的个数改变所受的弹力，重复实验步骤b、c，并求
x出弹簧A的劲度系数的平均值k1；
根据实验得到的图线可知，k3＝k1＋k2，由此可以判断丙同学的猜想正确．。
★考点三：验证平行四边形定则
◆典例一：（2017全国III卷·22）某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴（横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示1mm）的纸贴在水平桌面上，如图（a）所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点（位于图示部分之外），另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长。
（1）用一只测力计将像皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O，此时拉力F的大小可由测力计读出。测力计的示数如图（b）所示，F的大小为__________N。
（2）撤去（1）中的拉力，橡皮筋P端回到A点；现使用两个测力计同时拉像皮筋，再次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图（a）中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为
F1?4.2N和F2?5.6N。
（i）用5mm长度的线段表示1N的力，以O为作用点，在图（a）中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力F合；
（ii）F合的大小为__________N，F合与拉力F的夹角的正切值为__________。
若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则。 【答案】（1）4.0
（2）4.0，0.05（参考下图a）
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