2024屆高考物理三輪沖刺精微專題－第01講 基本儀器和“紙帶類”“光電門類”實(shí)驗(yàn)

帶著實(shí)力與微笑走進(jìn)課堂第頁（共4頁）第1講力學(xué)基本儀器和“紙帶類”“光電門類”實(shí)驗(yàn)1.掌握游標(biāo)卡尺和螺旋測微器的測量和讀數(shù)方法；2.掌握利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照片和光電門測量物體的瞬時(shí)速度和加速度；考向1力學(xué)常用測量儀器的讀數(shù)（1）毫米刻度尺的讀數(shù)：精確到毫米，估讀一位。（2）游標(biāo)卡尺的讀數(shù)游標(biāo)尺測量結(jié)果(游標(biāo)尺上第n個(gè)刻度線與主尺上的某刻度線對齊時(shí)）/mm刻度格數(shù)刻度總長度/mm每小格與1毫米的差值/mm精確度/mm1090.10.1主尺上讀的毫米數(shù)＋0.1n20190.050.05主尺上讀的毫米數(shù)＋0.05n50490.020.02主尺上讀的毫米數(shù)＋0.02n（3）螺旋測微器的讀數(shù)：測量值＝固定刻度整毫米數(shù)＋0.5mm（判斷半毫米刻度線是否露出）＋可動刻度讀數(shù)（含估讀）×0.01mm。[例1]（1）(2024·江蘇南京、鹽城一模)如圖，用游標(biāo)卡尺測量螺母寬度d=_______________cm，（2）用刻度尺和螺旋測微器分別測量金屬絲的長度和直徑，某次測量結(jié)果如圖所示，在此次測量中該金屬絲的長度為__________cm，直徑為__________mm。 考向2紙帶類實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)處理探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律1.細(xì)繩與長木板平行2.釋放前小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器3.先接通電源，再釋放小車，打點(diǎn)結(jié)束先切斷電源，再取下紙帶4.鉤碼質(zhì)量適當(dāng)1.判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動2.利用一段時(shí)間內(nèi)的平均速度求中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度3.利用逐差法求平均加速度4.作速度—時(shí)間圖像，通過圖像的斜率求加速度探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系1.補(bǔ)償阻力，墊高長木板一端使小車能勻速下滑2.在補(bǔ)償阻力時(shí)，不要把懸掛槽碼的細(xì)繩系在小車上，實(shí)驗(yàn)過程中不用重復(fù)補(bǔ)償阻力3.實(shí)驗(yàn)必須保證的條件：小車質(zhì)量m?槽碼質(zhì)量m′4.釋放前小車要靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，應(yīng)先接通電源，后釋放小車1.利用逐差法或v－t圖像法求a2.作出a－F圖像和a－eq\f(1,m)圖像，確定a與F、m的關(guān)系驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1.豎直安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，以減小摩擦阻力2.選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料3.選取第1、2兩點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶，用mgh＝eq\f(1,2)mv2進(jìn)行驗(yàn)證1.應(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)計(jì)算某時(shí)刻的瞬時(shí)速度2.判斷mghAB與eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2是否在誤差允許的范圍內(nèi)相等3.作出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖像，求g的大小注意：探究物體加速度與物體受力、物體質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，補(bǔ)償阻力的方法是墊高有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端，接通電源，給小車一個(gè)初速度，使小車能勻速下滑。另外，鉤碼（砂和砂桶）的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M時(shí)，細(xì)線的拉力近似等于鉤碼（砂和砂桶）的總重力.當(dāng)細(xì)線拉力可以直接測量時(shí)，如細(xì)線與拉力傳感器連接（如圖甲）或者細(xì)線繞過滑輪和彈簧測力計(jì)相連（如圖乙），不需要滿足m遠(yuǎn)小于M.[例2]（2024·浙江·高考真題）如圖所示是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。（1）該實(shí)驗(yàn)中同時(shí)研究三個(gè)物理量間關(guān)系是很困難的，因此我們采用的研究方法是；A．放大法

B．控制變量法

C．補(bǔ)償法（2）該實(shí)驗(yàn)過程中操作正確的是；A．補(bǔ)償阻力時(shí)小車未連接紙帶B．先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，后釋放小車C．調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)繩與水平桌面平行（3）在小車質(zhì)量（選填“遠(yuǎn)大于”或“遠(yuǎn)小于”）槽碼質(zhì)量時(shí)，可以認(rèn)為細(xì)繩拉力近似等于槽碼的重力。上述做法引起的誤差為（選填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差”）。為減小此誤差，下列可行的方案是；A．用氣墊導(dǎo)軌代替普通導(dǎo)軌，滑塊代替小車B．在小車上加裝遮光條，用光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器C．在小車與細(xì)繩之間加裝力傳感器，測出小車所受拉力大?。?）經(jīng)正確操作后獲得一條如圖2所示的紙帶，建立以計(jì)數(shù)點(diǎn)0為坐標(biāo)原點(diǎn)的x軸，各計(jì)數(shù)點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為0、、、。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T，則打計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)小車速度的表達(dá)式；小車加速度的表達(dá)式是。A．

B．

C．【答案】BB遠(yuǎn)大于系統(tǒng)誤差CA【詳解】（1）[1]該實(shí)驗(yàn)中同時(shí)研究三個(gè)物理量間關(guān)系是很困難的，因此我們可以控制其中一個(gè)物理量不變，研究另外兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，即采用了控制變量法。故選B。（2）[2]A．補(bǔ)償阻力時(shí)小車需要連接紙帶，一方面是需要連同紙帶所受的阻力一并平衡，另外一方面是通過紙帶上的點(diǎn)間距判斷小車是否在長木板上做勻速直線運(yùn)動，故A錯(cuò)誤；B．由于小車速度較快，且運(yùn)動距離有限，打出的紙帶長度也有限，為了能在長度有限的紙帶上盡可能多地獲取間距適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，后釋放小車，故B正確；C．為使小車所受拉力與速度同向，應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)繩與長木板平行，故C錯(cuò)誤。故選B。（3）[3]設(shè)小車質(zhì)量為M，槽碼質(zhì)量為m。對小車和槽碼根據(jù)牛頓第二定律分別有，聯(lián)立解得由上式可知在小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼質(zhì)量時(shí)，可以認(rèn)為細(xì)繩拉力近似等于槽碼的重力。[4]上述做法引起的誤差是由于實(shí)驗(yàn)方法或原理不完善造成的，屬于系統(tǒng)誤差。[5]該誤差是將細(xì)繩拉力用槽碼重力近似替代所引入的，不是由于車與木板間存在阻力（實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)補(bǔ)償了阻力）或是速度測量精度低造成的，為減小此誤差，可在小車與細(xì)繩之間加裝力傳感器，測出小車所受拉力大小。故選C。（4）[6]相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為打計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)小車速度的表達(dá)式為[7]根據(jù)逐差法可得小車加速度的表達(dá)式是考向3頻閃照片及光電門類實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證動量守恒定律1.開始前調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平2.用天平測出兩滑塊的質(zhì)量3.用光電門測量碰前和碰后的速度1.滑塊速度的測量：v＝eq\f(Δx,Δt)2.驗(yàn)證的表達(dá)式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′常見的測速方法：紙帶打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速，光電門測速，傳感器測速；動能定理計(jì)算法，平拋運(yùn)動計(jì)算法等。1．頻閃照片的數(shù)據(jù)處理方法同紙帶類似。2．光電門中遮光板寬度除以遮光時(shí)間即為研究對象在遮光過程的平均速度，因?yàn)檎诠鈺r(shí)間一般較短，所以此速度可看作此過程某一時(shí)刻的瞬時(shí)速度。3．實(shí)驗(yàn)中需要測量速度或加速度時(shí)，往往需要用到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或頻閃照相或光電門。[例3](2023·江蘇揚(yáng)州市期末)如圖甲所示，某同學(xué)通過調(diào)節(jié)手機(jī)拍攝功能中的感光度和快門時(shí)間，拍攝出質(zhì)量較高的頻閃照片。圖乙是該同學(xué)拍攝的小球自由下落部分運(yùn)動過程中的頻閃照片，用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。該同學(xué)以小球釋放點(diǎn)為原點(diǎn)O，并借助照片背景中的刻度尺測量各時(shí)刻的位置坐標(biāo)為x1、x2、x3、x4、x5，刻度尺零刻度與原點(diǎn)O對齊。已知手機(jī)連拍頻率為f，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，小球質(zhì)量為m。(1)如圖丙所示，從起點(diǎn)O下降到x2位置小球的位移大小為________cm。(2)關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置和操作，以下說法正確的是________。A．刻度尺應(yīng)固定在豎直平面內(nèi)B．選擇體積大的小球C．小球?qū)嶋H下落過程中動能增量大于重力勢能減少量(3)小球在x3位置時(shí)的瞬時(shí)速度v3＝________________________________________________。(用題中所給的物理量符號表示)(4)取小球從O到x4的過程研究，則機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為________。(用題中所給物理量的符號表示)(5)該同學(xué)利用測得的數(shù)據(jù)，算出小球經(jīng)過各點(diǎn)的速度v，并作出了如圖丁所示的eq\f(v2,2)－x圖線。測得圖線的斜率k明顯小于g，是由于存在阻力的影響，則小球受到的阻力大小F阻＝_______。答案(1)6.20(2)A(3)eq\f(fx4－x2,2)(4)gx4＝eq\f(f2x5－x32,8)或mgx4＝eq\f(mf2x5－x32,8)(5)mg－mk解析(1)由于刻度尺的最小刻度為1mm，因此估讀到1mm的下一位，從起點(diǎn)O下降到x2位置小球的位移大小x2＝62.0mm＝6.20cm。(2)由于小球做自由落體運(yùn)動，為了測量小球下落的距離，刻度尺應(yīng)固定在豎直平面內(nèi)，A正確；為了減小空氣阻力，一般選擇體積較小的小球，B錯(cuò)誤；由于空氣阻力的影響，小球?qū)嶋H下落過程中動能增量小于重力勢能減少量，C錯(cuò)誤。(3)x3位于x2到x4的中間時(shí)刻，因此小球在x3位置時(shí)的瞬時(shí)速度等于從x2到x4的平均速度，即v3＝eq\f(x4－x2,2T)＝eq\f(fx4－x2,2)。(4)機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為mgx4＝eq\f(1,2)mv42，而v4＝eq\f(fx5－x3,2)，兩邊消去小球的質(zhì)量m，整理得gx4＝eq\f(f2x5－x32,8)。(5)根據(jù)牛頓第二定律有mg－F阻＝ma，而在eq\f(v2,2)－x圖像中，斜率k表示小球下落的加速度a的大小，因此小球受到的阻力大小F阻＝mg－mk。速度和加速度紙帶測瞬時(shí)速度做勻變速直線運(yùn)動的物體在一段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度．如圖所示，求打某一點(diǎn)時(shí)物體的瞬時(shí)速度，只需在這一點(diǎn)的前后各取相同時(shí)間間隔T的兩段位移xn和xn＋1，則打n點(diǎn)時(shí)的速度vn＝eq\f(xn＋xn＋1,2T).測加速度①用“逐差法”求加速度如圖所示a＝eq\f(x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3,9T2).②作出v－t圖像，通過圖像的斜率求物體運(yùn)動的加速度，a＝eq\f(Δv,Δt).光電門測速度光電門主要是測量速度的儀器，設(shè)小車上擋板的寬度為d，擋板遮住光電門光線的時(shí)間為Δt，則小車通過光電門的速度v＝eq\f(d,Δt).測加速度若已知兩個(gè)光電門之間的距離為x，小車通過兩個(gè)光電門時(shí)的速度分別為v1、v2，則a＝eq\f(v\o\al(2,2)－v\o\al(2,1),2x).1．某同學(xué)進(jìn)行了“長度的測量及測量工具的選用”實(shí)驗(yàn)。（1）如圖甲所示的游標(biāo)卡尺，主尺每一個(gè)小格表示的長度為________mm，當(dāng)游標(biāo)尺零刻度線與主尺零刻度線對齊時(shí)，游標(biāo)尺上第5條刻度線（標(biāo)記數(shù)字5）與主尺上5mm刻度線之間的距離為________mm。（2）要設(shè)計(jì)一個(gè)精度為0.05mm的游標(biāo)卡尺，該同學(xué)提出了如圖乙所示的兩種方案，你認(rèn)為哪種方案是可行的？請說明你的理由：________。（3）如果需要將長度為幾厘米的測量值精確到0.01mm，可以選擇________來進(jìn)行測量。答案：（1）1;0.5（2）見解析（3）D解析：（1）游標(biāo)卡尺的主尺上每小格代表1mm，則。（2）方案二是可行的。方案二中游標(biāo)尺每格長度為0.95mm，游標(biāo)尺與主尺的某兩條刻度線對齊時(shí)，其他主尺與游標(biāo)尺相鄰刻度線間的最小距離可以是0.05mm。方案一中游標(biāo)尺每格長度為0.45mm，游標(biāo)尺與主尺的某兩條刻度線對齊時(shí)，其他主尺與游標(biāo)尺相鄰刻度線間的最小距離可以是0.1mm。（3）毫米刻度尺分度值為1mm；20分度游標(biāo)卡尺分度值為0.05mm；50分度游標(biāo)卡尺分度值為0.02mm；螺旋測微器分度值為0.01mm，故螺旋測微器可以滿足測量要求。2．某同學(xué)被中國空間站“天宮課堂”展示的奇妙現(xiàn)象深深吸引，聯(lián)想到平時(shí)做過或思考過的實(shí)驗(yàn)，他提出了一組問題并邀你作答：（1）在圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動的空間站內(nèi)，下列力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，不能夠順利完成的是和。（填正確答案標(biāo)號）A．探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律B．探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系C．研究平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動D．驗(yàn)證動量守恒定律（2）不能夠順利完成的原因主要是，其結(jié)果是（至少回答對一個(gè)實(shí)驗(yàn)造成的結(jié)果）。【答案】BC空間站內(nèi)的物體處于完全失重狀態(tài)見解析【解析】（1）[1][2]在圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動的空間站內(nèi)，不能夠順利完成的力學(xué)實(shí)驗(yàn)是探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系和研究平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動。故選B和C。（2）[3]不能夠順利完成的原因主要是：空間站內(nèi)的物體處于完全失重狀態(tài)，而探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系和研究平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動在完全失重狀態(tài)下不能順利完成。[4]在完全失重狀態(tài)下，B實(shí)驗(yàn)中的砝碼無法牽引小車做勻加速直線運(yùn)動；C實(shí)驗(yàn)中，錘子敲擊彈簧片后，左端小球仍然靜止，右端小球?qū)⒆鰟蛩龠\(yùn)動。3．（2023·江蘇省梅村中學(xué)質(zhì)檢）為了消除空氣阻力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，某實(shí)驗(yàn)小組用如圖甲所示實(shí)驗(yàn)裝置做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，牛頓管豎直固定在鐵架臺上，光電門固定在牛頓管的外側(cè)，緊貼牛頓管外側(cè)再固定刻度尺（0刻度線與管口齊平，圖中未畫出），啟動抽氣泵，將牛頓管內(nèi)的空氣抽出，已知橡膠球的質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。（1）先用游標(biāo)卡尺測量橡膠球直徑d，如圖乙所示，則小球直徑d＝________mm；（2）從刻度尺上讀取橡膠球球心和光電門中心對應(yīng)的刻度值l1、l2.將橡膠球由靜止釋放，記錄橡膠球第一次通過光電門的擋光時(shí)間Δt1；（3）要驗(yàn)證橡膠球下落過程中機(jī)械能是否守恒，只需比較________與________是否相等即可；（用上面測得數(shù)據(jù)符號表示）（4）該小組要利用該裝置進(jìn)一步探究橡膠球與管底第一次碰撞前后球的機(jī)械能損失情況，他們記錄了橡膠球第二次通過光電門的擋光時(shí)間Δt2，則碰撞過程中橡膠球損失的機(jī)械能為________?！敬鸢浮浚?）6.60