高考物理二轮复习精品资料专题15 力学实验教学案(教师版)

2013高考物理二轮复习精品资料专题15 力学实验教学案（教师版）

1．重视对实验操作能力的考查．如实验步骤的排序、纠错；实验器材的选择，包括滑动变阻器、电阻箱、电表量程的选择；实物连线和运用图象与表格分析处理实验数据；实验结论的总结及误差分析；实验方案的改进创新等．

2．重视对基本仪器的读数、构造原理、重要实验方法及电学实验中的故障分析的考查，如游标卡尺、螺旋测微器、多用电表等的读数．

3. 设计性实验是考查的热点．在近几年的各地高考中设计性的实验题比较多，此类实验能够综合考查考生创造性地应用已学知识、方法、原理，灵活处理陌生实验问题的能力，要求学生有较高的知识迁移能力、实验设计能力．

4．电学实验在高中阶段所占比例较大，是实验考查的重点，各地高考实验题中必有电学实验题．

对物理实验的考查通常是以独立题型出现，在高考中实验试题的命题一般是一个力学实验和一个电学实验．一个以考查演示实验或基本实验的基础实验知识、基本实验技能为主；另一个一般以考纲要求的基本实验为载体进行必要的改进和创新，考查考生对基本实验的理解能力、迁移能力和创新能力．

预测2013年高考实验考题主要表现为以下几种形式：

1．一个力学实验题：以打点计时器为主要实验仪器，涉及位移、速度测量的基本力学实验，分值较少，难点不大，命题形式为填空题(或选择性填空)．

2．一个电学实验题：以电流、电压的测量为基本测量的设计性电学实验，涉及实验电路和方法的设计、实验原理的迁移、实验器材的选择、电路实物连线及图象法处理实验数据等，分值较多，能力要求较高，命题形式可能为填空、选择性填空、电路图或实物连线、图象图表分析等．

【知识网络构建】

【重点知识整合】 一、测量读数类仪器使用 1．游标卡尺

(1)各种游标卡尺的有关参数如下表所示： 游标尺(mm) 刻度格数 10 20 刻度总长度(mm) 9 19 精确度(mm) 每小格与1毫米差(mm) 0.1 0.05 0.1 0.05

50 49 0.02 0.02 (2)游标卡尺的读数方法:①以游标零刻度线位置为准,在主尺上读取整毫米数;②看游标上哪一条刻度线与主尺上的某一刻度线(此某一刻度线不需读出)对齐,由游标上对齐的刻度数(即格数)乘以游标卡尺的精确度得出毫米以下的小数;③总的读数为毫米整数加上毫米以下的小数.

特别提醒：(1)游标卡尺的精确度可根据游标尺刻度格数的倒数计算，单位为mm.如501

分度的游标卡尺精确度为 mm＝0.02 mm.

50

(2)游标卡尺的读数不需要估读． 2．螺旋测微器(千分尺)

量程一般为0～25 mm,精确度是0.5 mm÷50＝0.01 mm. 螺旋测微器的读数方法:

①从固定标尺上读出整 毫米数,要注意半毫米刻度线是否露出,如果露出再加上0.5 mm.

图14－1

②0.5 mm以下的读数则等于与固定标尺上横线对准的可动圆周上的读数(要估读一位)乘以精度0.01 mm.③测量长度为上述二者之和.如图14－1中所示读数为6 mm＋0.5 mm＋20.2×0.01 mm＝6.702 mm.

特别提醒:螺旋测微器的使用要注意两点:(1)半毫米刻度线;(2)估读,末位估读的“0”不要漏掉.

二、力学实验 1．“纸带类”实验 (1)打点计时器

打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,它接在频率为50 Hz的交流电源上使用时,每隔0.02 s打一次点,因此,纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置.通过研究纸带上点迹间的距离,就可以确定物体的运动情况.

(2)纸带的应用

①利用纸带计算瞬时速度

测出与n点相邻的前、后两段相等时间T内的距离sn和sn＋1,由公式vn＝sn＋sn＋1

算出.(如2T图14－3),在验证机械能守恒定律实验中,就是根据此法求得物体瞬时速度的.

图14－3

②当物体做匀速直线运动时，某段时间内的平均速度等于各个时刻的瞬时速度．在“探究动能定理”实验中，就是据此求得物体最终获得的速度大小．因此要选取纸带上打点间隔基本相等的部分进行测量．

③利用纸带计算加速度

Δsa．利用a＝2求解：在已经判断出物体做匀变速直线运动的情况下可利用Δs＝sn＋1

T－sn＝aT求加速度a，为了减小实验误差可用“逐差法”，sn－sm＝(n－m)aT.

b．图象法 利用vn＝

22

sn＋sn＋1

算出相应时刻点的速度，画出v－t图象，根据图线的斜率计算加速度． 2T2．“胡克定律类”实验

(1)原理:利用橡皮条或弹簧在弹性限度内、力与形变量成正比,计算(测量)其长度的变化分析力的变化情况或建立F－x坐标系,描点画图研究力的变化规律.

(2)应用

①根据平行四边形定则验证力的合成与分解. ②探究弹力和弹簧伸长量的关系. 三、实验误差

1．偶然误差和系统误差

从性质和来源看,误差分为偶然误差和系统误差两种.

(1)偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的误差.减小偶然误差的方法就是通过多次测量求平均值.

(2)系统误差是由于仪器本身不精确,或实验方法粗略或实验原理不完善而产生的.要减小系统误差,必须校准仪器,或改进实验方法,或完善实验原理.

四、创新实验

1.创新实验方案的设计,一般应遵循以下四条原则 (1)科学性原则．

(2)可靠性原则． (3)方便性原则． (4)准确性原则． 2．设计性实验的设计思路

【高频考点突破】 考点一 实验数据的读取

例1、(1)在测定金属的电阻率实验中,用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图14－5所示,读数为______mm.

(2)在用单摆测定重力加速度实验中,用游标为20分度的卡尺测量摆球的直径,示数如图14－6所示,读数为________cm.

图14－5 图14－ 6

【解析】 (1)固定刻度部分读数为0.5 mm,可动刻度部分读数为11.7×0.01 mm＝0.117 mm,则螺旋测微器的读数为0.5 mm＋0.117 mm＝0.617 mm (0.616 mm～0.619 mm都对)．

(2)主尺上的读数为0.6 cm游标尺上的第15条刻线与主尺的某一刻线对齐,游标尺读数为15×0.05 mm＝0.75 mm,则游标卡尺的读数为0.6 cm＋0.075 cm＝0.675 cm.

【答案】 (1)0.617 mm(0.616 mm～0.619 mm) (2)0.675 cm

考点二 “纸带类”数据的处理

例2、在做“研究匀变速直线运动”的实验时,某同学得到一条用打点计时器打下的纸带如图14－9所示,并在其上取了A、B、C、D、E、F等6个计数点(每相邻两个计数点间还有4个计时点,本图中没有画出),打点计时器接的是220 V、50 Hz的交变电源.他把一把毫米刻度尺放在纸带上,其零刻度和计数点A对齐.

图14－9

(1)按照有效数字的读数规则读出相邻计数点AB、BC、CD、DE、EF间的距离s1、s2、s3、

s4、s5,它们依次为________cm、________cm 、________cm 、________cm 、________cm .

(2)由以上数据计算打点计时器在打B、C、D、E各点时,物体的即时速度vB、vC、vD、vE依次是________m/s、________m/s、________m/s、________m/s.

(3)根据以上结果,试用两种不同的方法计算该物体的加速度a.

(4)根据(2)中得到的数据,试在如图14－10所示的坐标系中,用作v－t图象的方法，从图象中求物体的加速度a.

图14－10

(5)从图象上求纸带上的A、F点所对应的物体的即时速度vA＝________m/s，vF＝________m/s.并由此计算：当打点计时器打下A点的时刻，物体已经从静止开始做匀加速运动______s了．

(6)如果当时电网中交变电流的频率是f＝49 Hz,而做实验的同学并不知道,那么由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏________.理由是______________________．

【解析】 (1)毫米刻度尺要估读到十分之一毫米，由图可知s1＝1.00 cm，s2＝1.40 cm，

s3＝1.84 cm，s4＝2.26 cm，s5＝2.67 cm.

(2)在匀变速直线运动中，某段时间的平均速度等于中间时刻的瞬时速度． 所以vB＝

s1＋s2

＝0.120 m/s， 2Ts2＋s3

vC＝＝0.162 m/s，

2Ts3＋s4s4＋s5

vD＝＝0.205 m/s，vE＝≈0.247 m/s.

2T2T(3)法一：公式法．

vC－vB2

a1＝≈0.42 m/s，

TvD－vC2

a2＝＝0.43 m/s，

T

vE－vD2

a3＝≈0.42 m/s，

T∴a＝

a1＋a2＋a3

3

≈0.42 m/s.

2

法二：逐差法． 由公式a＝

sm－sn，得

m－nT2s3－s12

a1＝2＝0.42 m/s，

2Ts4－s12

a2＝2＝0.42 m/s，

3Ts5－s22

a3＝2＝0.42 m/s，

3T∴a＝

a1＋a2＋a3

3

＝0.42 m/s.

2

(4)图象如图14－11所示．

在v－t图象中,图线的斜率即为加速度的数值. 0.290－0.07922

∴a＝ m/s＝0.42 m/s.

0.5

图14－11

【变式探究】图14－12是“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带,O、A、B、C、

D和E为纸带上六个计数点,加速度大小用a表示.

图14－12

(1)OD间的距离为________cm.

(2)图14－13是根据实验数据绘出的st图线(s为各计数点至同一起点的距离),斜率表

2

示_______,其大小为________m/s(保留三位有效数字).

2

图14－13

解析：(1)1 cm＋1 mm×2.0＝1.20 cm. (2)加速度的一半， 1a＝2

－

0.06－0

－2

m/s＝0.467 m/s，

2

22

所以加速度大小a≈0.933 m/s. 答案：(1)1.20 (2)加速度的一半 0.933

考点三“胡克定律类”实验的处理

例3、在“探究弹簧弹力大小与伸长量的关系”的实验中,甲、乙两位同学选用不同的橡皮绳代替弹簧.为测量橡皮绳的劲度系数,他们在橡皮绳下端依次逐个挂上钩码(每个钩码的质量均为m＝0.1 kg,取g＝10 m/s),并记录绳下端的坐标X加i(下标i表示挂在绳下端钩码个数),然后逐个拿下钩码,同样记录绳下端的坐标X减I,绳下端坐标的平均值Xi＝(X加i＋X减i2

)/2的数据如下表:

橡皮绳下端的坐标(Xi/mm) 甲 216.5 246.7 284.0 335.0 394.5 462.0 乙 216.5 232.0 246.5 264.2 281.3 301.0 挂在橡皮绳 的钩码个数 1 2 3 4 5 6 (1)同一橡皮绳的X加i_______X减i(大于或小于); (2)______同学的数据更符合实验要求(甲或乙);

(3)选择一组数据用作图法求出该橡皮绳的劲度系数k(N/m);

(4)为了更好地测量劲度系数,在选用钩码时需考虑的因素有哪些？ 【答案】 (1)小于 (2)乙 (3)由所给数据得改变量如下表所示 挂在橡皮绳下 端的钩码个数 1 2 3 4 5 6 由上表作图得 改变量(Xi－X1)/mm 甲 30.2 67.5 118.5 178.0 245.5 乙 15.5 30.0 47.7 64.8 84.5

图14－14

由图14－14可得k乙＝57～70(N/m) 或

图14－15

对于甲同学的数据，因为只有前几个数据可认为在弹性范围内，由图14－15中切线的斜率得k甲＝25～34(N/m)．

(4)尽可能使伸长量在弹性范围内，同时有足够大的伸长量，以减少长度测量的误差． 【变式探究】为了测量某一弹簧的劲度系数，将该弹簧竖直悬挂起来，在自由端挂上不同质量的砝码．实验测出了砝码质量m与弹簧长度l的相应数据，其对应点已在图14－16上标出．(g＝9.8 m/s)

(1)作出ml的关系图线；

(2)弹簧的劲度系数为________ N/m.

2

图14－16

答案：(1)如图所示

(2)0.248～0.262 考点四 创新实验

例4. 某兴趣小组为了探究自行车的初速度与其克服阻力做功的关系．设计实验的主要步骤是：①在学校操场的跑道上画一道起点线；②骑上自行车用较快速度驶过起点线，并同时从车把手处自由释放一团很容易辨别的橡皮泥(其在运动过程中空气阻力不计)；③车驶过起点线就不再蹬自行车脚蹬，让车依靠惯性沿直线继续前进；④待车停下时,记录自行车停下的位置;⑤用卷尺量出起点线到橡皮泥落地点间的距离x、起点线到终点的距离L及车把手处离地高度h.若自行车在行驶中所受的阻力为f并保持恒定，设当地的重力加速度为

g,那么：

(1)自行车经过起点线时的速度v＝________.(用已知的物理量和所测量得到的物理量表示)

(2)自行车经过起点线后克服阻力做的功W＝________.(用已知的物理量和所测量得到的物理量表示)

(3)多次改变自行车经过起点时的初速度，重复上述实验②～④，则每次只需测量上述物理量中的________和________，就能通过数据分析达到实验目的．

测量性实验一般以某一原理或物理规律(公式)为依据，通过测量相关的物理量，从而实现测定某个(或某些)物理量或物理常数的实验目的．测量可分为直接测量和间接测量，高中物理实验涉及的测量性实验大多为间接测量实验，即通过直接测量和推导计算来间接得到待测量，联系直接测量量和待测量间的关系是该实验的实验原理．

例1 、利用图6-13-2所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度．一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动．当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离x，记下相应的t值；所得数据如下表所示．

完成下列填空和作图：

(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度v1、测量值x和t四个物理量之间所满足的关系式是________；

(2)根据表中给出的数据，在图6－13－3给出的坐标纸上画出－t图线；

xt

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