回歸教材重難點16 力學實驗-2022年高考物理三輪沖刺過關（解析版）

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回歸教材重難點16力學實驗

近年高考中實驗題的特點主要體現(xiàn)以下幾個方面：⑴突出基礎性，更加注重貼近教材和教學實際，體現(xiàn)做與不做實驗的區(qū)別；⑵突出創(chuàng)新，常規(guī)實驗的改裝和重組呈現(xiàn)率較高；⑶突出對實驗探究能力的考查，加強理論聯(lián)系實際，突顯情境的時代性。

在備考策略上（1）立足教材，不回避經(jīng)典；⑵加強實驗的可參與環(huán)節(jié)的訓練；⑶加強實驗原理的理解與常規(guī)實驗的變式訓練；⑷加強實踐和科學探究素養(yǎng)的訓練。

知識點一誤差

１．誤差

測量值與真實值的差異叫誤差。誤差存在于一切測量之中，而且貫穿測量過程的始終。實驗中，誤差是不可避免的，但可以減小。

２．誤差分析

按誤差的性質(zhì)和來源劃分，可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種。

１）系統(tǒng)誤差：來源于儀器誤差、理論誤差、環(huán)境誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法有校準測量儀器、改進實驗方法等。

２）偶然誤差：來源于各種偶然因素對實驗者、測量儀器、被測物體的影響。減小偶然誤差的方法有多次測量取平均值等。

３．絕對誤差與相對誤差

從分析數(shù)據(jù)看，誤差分為絕對誤差和相對誤差。

１）絕對誤差：絕對誤差是測量值與真實值之差的絕對值。即絕對誤差＝｜測量值－真實值｜，它反映測量值偏離真實值的大小。

２）相對誤差：相對誤差等于絕對誤差與真實值之比，常用百分數(shù)表示，即：

相對誤差反映了實驗結果的精確程度。

對于兩個測量值的評價，必須考慮相對誤差。 絕對誤差大者，其相對誤差不一定大。

知識點二有效數(shù)字

１．概念：帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)字，叫有效數(shù)字。

／ ２．有效數(shù)字的位數(shù)：從一個數(shù)的左邊第一個非零數(shù)字起，到末位數(shù)字上，有幾個數(shù)字就是幾位有效數(shù)字。如０．０２８０為三位有效數(shù)字。

知識點三、實驗的主要思想方法

１．等效法

１）概念：將復雜（或抽象）的物理問題等效為熟知（或形象）的物理問題的方法。

２）實例：驗證力的平行四邊形定則的實驗中，用合力與分力效果相同來檢驗定則是否成立；在測量微小長度的儀器中，螺旋測微器利用等效的思想把微小的直線位移轉(zhuǎn)化為角位移并在較大的圓周上對其進行顯示等。

２．控制變量法

１）概念：在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規(guī)律的因素或條件加以人為控制，使其中一些條件按照特定的要求發(fā)生變化或不發(fā)生變化。

２）實例：驗證牛頓第二定律。

知識點四、打點計時器

認識“兩種儀器”

作用：計時儀器，接頻率為５０Ｈｚ的交變電流，每隔０．０２ｓ打一次點。

工作電壓：電磁打點計時器：10Ｖ以下交流電源；電火花計時器：２２０Ｖ交流電源

計時點和計數(shù)點的比較

計時點是打點計時器打在紙帶上的實際點，兩相鄰點間的時間間隔為０．０２ｓ；計數(shù)點是人們根據(jù)需要按一定的個數(shù)選擇的點，兩個相鄰計數(shù)點間的時間間隔由選擇的個數(shù)而定，如每５個點取一個計數(shù)點和每隔４個點取一個計數(shù)點，時間間隔都是０．１ｓ。

知識點五實驗數(shù)據(jù)的處理方法

１．列表法

在記錄和處理數(shù)據(jù)時，為了簡單而明確地表示出有關物理量之間的對應關系，將數(shù)據(jù)填寫在適當?shù)谋砀駜?nèi)，稱為列表法。分析表格中的數(shù)據(jù)時一般找出相同量，分析各個量間的關系。

２．平均值法

把測定的若干組數(shù)據(jù)相加求和，然后除以測量次數(shù)。必須注意：

１）求取平均值時應該按原來測量儀器的準確度決定保留的位數(shù)；

２）什么情況下取平均值，例如在“測量玻璃的折射率”的實驗中，應分別求出各入射角對應的折射率再求平均值，而不是將各入射角及折射角取平均值后再求折射率。

３．作圖法

用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)是物理實驗中最常用的方法之一。用作圖法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是直觀、簡便，有取平均值的效果，由圖線的斜率、截距、包圍面積等可以研究物理量之間的變化關系，找出規(guī)律。

作圖的規(guī)則：

１）要標明坐標軸名、單位、數(shù)值、標度。

２）連線時不一定通過所有的數(shù)據(jù)點，而要使數(shù)據(jù)點在線的兩側合理地分布。

３）在圖上求直線的斜率時，要選取線上相距較遠的兩點，不一定要取原來測的數(shù)據(jù)點。

４）作圖時常設法使圖線線性化，即“將曲改直”。

例如：在驗證牛頓第二定律的實驗中，將ａ－ｍ圖像改畫成ａ－ｍ１圖像后，就可將不易看出二者關系的曲線改畫成關系明朗的直線。

知識點六基本實驗

實驗

裝置圖

注意事項

考查熱點

速度隨時間變化的規(guī)律

①平行：細繩與長木板平行

②靠近：小車應靠近打點計時器

③兩先：打點前先接通電源，打點后先斷開電源

④適當：鉤碼重力要適當

①考讀算：讀計數(shù)點間時間、位移；計算瞬時速度、加速度

②考操作：不需要平衡摩擦力、不需要滿足懸掛鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量

力的平行四邊形定則

①不變：同一次實驗中橡皮條結點O位置應保持不變

②平行：橡皮條、彈簧測力計和細繩套與紙面平行

③作圖：嚴格按力的圖示要求作平行四邊形求合力

①考讀數(shù)：彈簧測力計示數(shù)

②考操作：如何拉？怎么拉？拉到哪里？

③求合力：作圖法求合力

④會區(qū)分：能區(qū)分合力的理論值與實驗值

加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關系

①平衡：開始應平衡摩擦力

②質(zhì)量：重物質(zhì)量需遠小于小車

③平行：細繩與長木板平行

④靠近：小車應靠近打點計時器

⑤兩先：打點前先接通電源，打點后先斷開電源

①考操作：器材安裝正誤；平衡摩擦力，質(zhì)量控制要求

②測定a：計算加速度

③求結論：描點作圖像得結論

④判成因：給定異常a－F圖像，判斷其可能成因

驗證機械能守恒定律

①安裝：豎直安裝，紙帶豎直

②重物：選密度大、質(zhì)量大的

③計算：運用vn＝

eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)

計算打點瞬時速度

①考操作：重物靠近打點計時器處釋放，先通電，后釋放

②考運算：計算下落速度，減少重力勢能與增加動能

③考圖像：

eq\f(v2,2)

－h(huán)等圖像

探究平拋運動的特點

①安裝：斜槽末端伸出桌面外并調(diào)整至切線水平，定原點

②描點：確定軌跡上多個點的位置

③計算：計算初速度

①考判斷：平拋運動的軌跡是否為拋物線

②考操作：從同一點釋放、重垂線確定豎直線

③考分析：水平、豎直方向運動性質(zhì)，軌跡是否為拋物線

探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關系

①方法：控制變量法

②操作：小球放對位置，皮帶繞對塔輪、勻速轉(zhuǎn)動

③觀察：標尺刻度

①考裝置：探究什么關系

②考結果：得到什么結論

③考操作：達到預定格數(shù)時，即保持轉(zhuǎn)速均勻恒定

④考作圖：描點連線畫圖線

⑤考創(chuàng)新：傳感器探究

驗證動量守恒定律

①安裝：斜槽末端切線應沿水平方向

②起點：斜槽末端上方某處

③落點：用小圓圈中心表示

④速度：應用小球平拋的水平位移替代

①考裝置：器材安裝、小球選取、O點確定

②考測量：小球質(zhì)量的測量和小球平拋運動的水平位移的測量

③考結論：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)判斷兩球碰撞過程中動量是否守恒

1.（2021·湖南卷）某實驗小組利用圖（a）所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關系。主要實驗步驟如下：

（1）用游標卡尺測量墊塊厚度，示數(shù)如圖（b）所示，___________；

（2）接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導軌上，調(diào)節(jié)導軌至水平；

（3）在右支點下放一墊塊，改變氣墊導軌的傾斜角度；

（4）在氣墊導軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個數(shù)和滑塊對應的加速度；

（5）在右支點下增加墊塊個數(shù)（墊塊完全相同），重復步驟（4），記錄數(shù)據(jù)如下表：

1

2

3

4

5

6

0.087

0.180

0.260

0.425

0.519

根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖（c）上描點，繪制圖線___________。

如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應該是___________（保留三位有效數(shù)字）。

【答案】①.1.02②.③.0.342

【解析】（1）[1]墊塊的厚度為

h=1cm+2×0.1mm=1.02cm

（5）[2]繪制圖線如圖；

[3]根據(jù)

可知a與n成正比關系，則根據(jù)圖像可知，斜率

解得

a=0.342m/s2

2.（2021·湖北卷）某同學假期在家里進行了重力加速度測量實驗。如圖（a）所示，將一根米尺豎直固定，在米尺零刻度處由靜止釋放實心小鋼球，小球下落途經(jīng)某位置時，使用相機對其進行拍照，相機曝光時間為s。由于小球的運動，它在照片上留下了一條模糊的徑跡。根據(jù)照片中米尺刻度讀出小球所在位置到釋放點的距離H、小球在曝光時間內(nèi)移動的距離。計算出小球通過該位置時的速度大小v，進而得出重力加速度大小g。實驗數(shù)據(jù)如下表∶

次數(shù)

1

2

3

4

5

/cm

0.85

0.86

0.82

0.83

0.85

v/（m·s-1）

4.25

4.10

4.15

4.25

H/m

0.9181

0.9423

0.8530

0.8860

0.9231

（1）測量該小球直徑時，游標卡尺示數(shù)如圖（b）所示，小球直徑為________mm。。

（2）在第2次實驗中，小球下落H=0.9423m時的速度大小v=________m/s（保留3位有效數(shù)字）；第3次實驗測得的當?shù)刂亓铀俣却笮=________m/s2（保留3位有效數(shù)字）。

（3）可以減小本實驗重力加速度大小測量誤差的措施有_______。

A.適當減小相機的曝光時間

B.讓小球在真空管中自由下落；

C．用質(zhì)量相等的實心鋁球代替實心鋼球

【答案】①.15.75②.4.30③.9.85④.AB

【解析】（1）[1]由游標卡尺的讀數(shù)規(guī)則可知，小球的直徑為

（2）[2][3]由題意可知，小球下落H=0.9423m時的速度

由運動學公式

得

（3）[4]A．小球下落一定高度時的瞬時速度近似為曝光時間內(nèi)的平均速度，曝光時間越短，曝光時間內(nèi)的平均速度越接近瞬時速度，實驗誤差越小，故A正確；

B．讓小球在真空管中自由下落，可減小空氣阻力的影響，可減小實驗誤差，故B正確；

C．質(zhì)量相等的實心鋁球代替實心鋼球時，鋁球體積更大，阻力對鋁球的影響較大，實驗誤差較大，故C錯誤。

3.（2021·江蘇卷）小明利用如圖1所示的實驗裝置驗證動量定理。將遮光條安裝在滑塊上，用天平測出遮光條和滑塊的總質(zhì)量，槽碼和掛鉤的總質(zhì)量。實驗時，將滑塊系在繞過定滑輪懸掛有槽碼的細線上。滑塊由靜止釋放，數(shù)字計時器記錄下遮光條通過光電門1和2的遮光時間和，以及這兩次開始遮光的時間間隔，用游標卡尺測出遮光條寬度，計算出滑塊經(jīng)過兩光電門速度的變化量。

（1）游標卡尺測量遮光條寬度如圖2所示，其寬度___________；

（2）打開氣泵，帶氣流穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氣墊導軌，直至看到導軌上的滑塊能在短時間內(nèi)保持靜止，其目的是___________；

（3）多次改變光電門2的位置進行測量，得到和的數(shù)據(jù)如下表請根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在方格紙上作出圖線___________。

0.721

0.790

0.854

0.913

0.968

1.38

1.52

1.64

1.75

1.86

（4）查得當?shù)氐闹亓铀俣龋鶕?jù)動量定理，圖線斜率的理論值為___________；

（5）實驗結果發(fā)現(xiàn)，圖線斜率的實驗值總小于理論值，產(chǎn)生這一誤差的兩個可能原因時___________。

A．選用的槽碼質(zhì)量偏小

B．細線與氣墊導軌不完全平行

C．每次釋放滑塊的位置不同

D．實驗中的測量值偏大

【答案】①.10.20②.將氣墊導軌調(diào)至水平③.

④.1.96⑤.BD##DB

【解析】

（1）[1]游標卡尺的讀數(shù)為；

（2）[2]滑塊保持穩(wěn)定，說明氣墊導軌水平；

（3）[3]根據(jù)表格中數(shù)據(jù)描點并用直線連接

（4）[4]根據(jù)動量定理變形得

則圖線斜率的理論值

（5）[5]根據(jù)動量定理變形得

A．槽碼質(zhì)量偏小，而實際的槽碼質(zhì)量偏大，則合外力偏大，所以圖線斜率的實驗值偏大，A錯誤；

B．細線與氣墊導軌不平行，滑塊實際所受合外力為的水平分力，所以圖線斜率的實驗值偏小，B正確；

C．滑塊釋放位置與斜率相關的參量無關，C錯誤；

D．偏大，則偏小，圖線斜率偏小，D正確。

故選BD。

4.（2021·遼寧卷）某同學閱讀教材中的“科學漫步”欄目，對“流體的阻力（f）跟物體相對于流體的速度（v）有關”這一說法產(chǎn)生了興趣，通過查閱資料得知：對于球形物體，二者間存在定量關系f=kv，k為比例系數(shù)。該同學為探究這一關系利用如圖（a）所示裝置測量k。具體操作如下：在柱狀玻璃容器中注入某透明液體，將小球在液面處由靜止釋放，當小球運動到0刻度線處開始計時，每下落10cm記錄一次時間，得到多組下落高度h與時間t的數(shù)據(jù)，作出h-t圖像如圖（b）中實線所示。

（1）由h-t圖像可知，從計時開始小球近似做___________運動。

（2）已知液體密度ρ=8.0×102kg/m3，小球體積V=5.0×10-10m3、質(zhì)量m=4.0×10-6kg，結合h-t圖像可得k=___________kg/s（浮力不能忽略，取重力加速度g=9.8m/s2）。

（3）若再用一個體積相同、密度較大的球，重復上述實驗，所得h-t圖像也是一條直線，則該直線可能是圖（b）中的___________虛線。

【答案】①.勻速直線②.③.①

【解析】（1）[1]根據(jù)圖象可知，下落的距離隨時間均勻變化，所以小球近似做勻速直線運動

（2）[2]根據(jù)圖象可知小球下落的速度為

小球下落過程中受到豎直向下的重力，豎直向上的浮力和阻力，小球做勻速直線運動，受力平衡

式中表示液體對小球的浮力，代入數(shù)據(jù)可得比例系數(shù)

（3）[3]若選擇一個密度更大，體積相同小球，浮力不變，根據(jù)可知小球的質(zhì)量增大，根據(jù)平衡方程可知小球的速度增大，所以在相同的時間內(nèi)小球下落的高度增大，所以該直線可能是圖象中的①虛線。

5.（2021·天津卷）某實驗小組利用手機的錄像功能拍下小球在斜面上做勻加速直線運動的過程。為便于記錄小球各個時刻在斜面上的位置，將錄像中時間間隔為T的連續(xù)7幅畫面合成到同一張圖中，示意如圖。依次測得小球各相鄰位置間的距離為、、、、、。

①寫出小球在位置1的速度表達式___________。

②要求充分利用測量數(shù)據(jù)，寫出小球運動過程中的加速度表達式___________。

③在測量小球相鄰位置間距時由于實驗者讀數(shù)產(chǎn)生的誤差是___________誤差。（填“偶然”或“系統(tǒng)”）

【答案】①.②.③.偶然

【解析】①[1]勻變速直線運動中，中間時刻速度等于平均速度，所以1位置的速度為

②[2]題中要求充分利用數(shù)據(jù)，利用逐差法求解加速度，則

解得加速度為

③[3]讀數(shù)產(chǎn)生的誤差是人為因素造成的，屬于偶然誤差。

6.（2021·浙江卷）在“驗證機械能守恒定律”實驗中，小王用如圖1所示的裝置，讓重物從靜止開始下落，打出一條清晰的紙帶，其中的一部分如圖2所示。O點是打下的第一個點，A、B、C和D為另外4個連續(xù)打下的點。

①為了減小實驗誤差，對體積和形狀相同的重物，實驗時選擇密度大的理由是___________。

②已知交流電頻率為，重物質(zhì)量為，當?shù)刂亓铀俣?，則從O點到C點，重物的重力勢能變化量的絕對值___________J、C點的動能___________J（計算結果均保留3位有效數(shù)字）。比較與的大小，出現(xiàn)這一結果的原因可能是___________。

A.工作電壓偏高B.存在空氣阻力和摩擦力C.接通電源前釋放了紙帶

【答案】①.阻力與重力之比更小（或其它合理解釋）②.0.547③.0.588④.C

【解析】①[1]在驗證機械能守恒實驗時阻力越小越好，因此密度大的阻力與重力之比更小

②[2]由圖中可知OC之間的距離為，因此機械能的減少量為

[3]勻變速運動時間中點的速度等于這段時間的平均速度，因此

因此動能的增加量為

[4]工作電壓偏高不會影響實驗的誤差，存在摩擦力會使重力勢能的減少量大于動能的增加量，只有提前釋放了紙帶，紙帶的初速度不為零，下落到同一位置的速度偏大才會導致動能的增加量大于重力勢能的減少量。

7．（2021·天津高三模擬）某同學用如圖1所示的裝置來探究彈簧彈力F和長度L的關系，把彈簧上端固定在鐵架臺的橫桿上，記錄彈簧自由下垂時下端所到達的刻度位置。然后，在彈簧下端懸掛不同質(zhì)量的鉤碼，記錄每一次懸掛鉤碼的質(zhì)量和彈簧下端的刻度位置，實驗中彈簧始終未超過彈簧的彈性限度。通過分析數(shù)據(jù)得出實驗結論。

①實驗時認為可以用鉤碼所受重力的大小代替彈簧彈力的大小，這樣做的依據(jù)是__________；

②以彈簧受到的彈力F為縱軸、彈簧長度L為橫軸建立直角坐標系，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出F－L圖像，如圖