2020年高考物理常考题型解析：力学实验

【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 （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 T xxv nn n 2 1++=原点处所对应的物理量的数值。 （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： 甲 同学：可能是 k3＝k1＋k2 2 乙同学：和电阻并联相似，可能是1 k3＝1 k1＋1 k2 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； c．由 F＝ ________计算弹簧的弹力，由 x＝L1－L0 计算弹簧的伸长量，由 k＝F x计算弹簧的劲度系数； d．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 的伸长量，由 k＝F x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 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 和 。 （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 、 的图示，然后按平行四 边形定则画出它们的合力 ； （ii） 的大小为__________N， 与拉力 F 的夹角的正切值为__________。 若 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） （2） ， （参考下图 a） 1 4.2NF = 2 5.6NF = 1F 2F F合 F合 F合 F合 4.0 4.0 0.05【解析】（1）由于测力计的最小刻度为 0.2N，根据读数规则，F 的大小为 4.0N。 （2）按平行四边形定则画出它们的合力 ，长度为 20.0mm，其 =4.0N。 与拉力 F 的夹角的正切值 为 tanα= =0.05. ★考点四 探究加速度与力和质量的关系 ◆典例一（2020 年 1 月浙江选考）（7 分）在“探究加速度与力、质量的关系”和用橡皮筋“探 究做功与物体速度变化的关系”实验中： （1） 都是通过分析纸带上的点来测量物理量，下列说法正确的是 （多选） A. 都需要分析打点计时器打下的第一个点 B. 都不需要分析打点计时器打下的第一个点 C. 一条纸带都只能获得一组数据 D. 一条纸带都能获得多组数据 （2） 如图是两条纸带的一部分，A、 B、C、…、G 是纸带上标出的计数点，每两个相邻的 F合 F合 F合 1 20计数点之间还有 4 个打出的点未画出。其中图 （填“甲”或“乙”）所示的是用橡皮筋“探 究做功与物体速度变化的关系”的实验纸带。“探究加速度与力、质量的关系”实验中，小车的加 速度大小 a = m/s2（保留 2 位有效数字）。 （3） 在用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关系”实验中，平衡阻力后，小车与橡皮筋组 成的系统在橡皮筋恢复形变前机械能 （填“守恒”或“不守恒”）。 【答案】：（1）BC （2）甲 0.40 （3）不守恒 【解析】：（1）在“探究加速度与力、质量的关系”和用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关 系”实验中均不需要打下的第一个点，前者主要利用纸带求解加速度，后者主要研究亮点间的速度改变， 无需从第一个点进行研究。牛顿第二定律实验探究一条纸带只能求解一个加速度，找到加速度 a 与质量 m 和合外力 F 的一组对应关系，B 正确。动能定理探究也是从一条纸带上选择两个点作为一组 数据进行过程分析，C 正确，故应选 AC。 （2） 通过相邻两点位移差相等可知乙的运动过程为匀变速直线运动，甲前部分加速后保持 匀速可知甲应为用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关系”的实验；利用匀变速直线运动 逐差公式可知乙在匀加速过程加速度 a = 小车与橡皮筋在运动过程中，除了斜 面的摩擦力外还会受到空气的阻力作用，故平衡摩擦力运动过程中机械能不守恒。 ★考点五 探究动能定理 ◆典例一（2017 北京卷）如图 1 所示，用质量为 m 的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点 计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验。 （1）打点计时器使用的电源是 （选填选项前的字母）。 A．直流电源 B．交流电源 （2）实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力。正确操作方法是 （选填选项前的字母）。 A．把长木板右端垫高 B．改变小车的质量 4 5 6 1 2 3 2 ( ) ( ) 9 x x x x x x T + + − + +在不挂重物且 （选填选项前的字母）的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明 已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。 A．计时器不打点 B．计时器打点 （3）接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为 O。在纸带上依次 取 A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为 T。测得 A、B、C……各点到 O 点的距离 为 x1、x2、x3……，如图 2 所示。 实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为 mg，从打 O 点到打 B 点的过程中，拉力 对小车做的功 W= ，打 B 点时小车的速度 v= 。 （4）以 v2 为纵坐标，W 为横坐标，利用实验数据做出如图 3 所示的 v2–W 图像。由此图像可得 v2 随 W 变化 的表达式为_________________。根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含 v2 这个因子；分析实验结果 的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是_________。 （5）假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论 上分析，图 4 中正确反映 v2–W 关系的是______________。【答案】⑴B；⑵A，B；⑶mgx2， ；⑷v2=4.69W，质量；⑸A 【解析】（1）打点计时器均使用交流电源，选项 B 正确。 （2）平衡摩擦力和其它阻力，是通过把长木板右端垫高，构成斜面，使小车重力沿斜面向下的分力跟摩擦 阻力平衡，选项 A 正确；在不挂重物且计时器打点的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动， 表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响，选项 B 正确。 ⑶根据图中空间关系可知，小车拖动纸带移动的距离等于重物下落的距离，小车所受拉力又约等于重物重 力，因此，W=mgx2，小车在运动时为匀变速直线运动，因此打 B 点小车的速度为小车带动纸带打下 AC 段 的中点时刻的速度，也等于这段的平均速度，有：v= 。 （4）由图象可知，图象的斜率为：k=4.69×10-2，结合图象横轴的单位，可知：v2=4.69W。设小车的质量为 M，根据动能定理。W= Mv2，变化为：v2= W。可知与图线斜率有关的物理量应是小车的质量。 （5）若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，重物重力做功 W= (m+M)v2，变化为： v2= W，即 v2 与 W 依然是正比例关系，图象 A 正确。 ★考点六 验证机械能守恒 ◆典例一（2017 天津理综物理卷）如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自 由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。 ①对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是______________。 A．重物选用质量和密度较大的金属锤 B．两限位孔在同一竖直面内上下对正 C．精确测量出重物的质量 D．用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物 T xx 2 13 − T xx 2 13 − 1 2 2 M 1 2 2 M m+②某实验小组利用上述装置将打点计时器接到 50 Hz 的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由 于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中 O 点为纸带上 打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能 守恒定律的选项有____________。 A．OA、AD 和 EG 的长度 B．OC、BC 和 CD 的长度 C．BD、CF 和 EG 的长度 D．AC、BD 和 EG 的长度 【答案】（2）①AB ②BC 【解析】①重物选用质量和密度较大的金属锤，对减小实验误差有利，选项 A 正确；两限位孔在同一竖直 面内上下对齐，选项 B 正确；根据落体法验证机械能守恒定律原理，mgh= mv22- mv12，重物质量 m 可 以消去，因此不需要测量出重物的质量， 选项 C 错误；手竖直向上提住纸带，接通电源后，松手释放重物， 选项 D 错误。 ②要完成验证机械能守恒定律，需要能够计算出打两个点时的速度和这两个点之间的距离（即下落高度）。 由 EG 的长度可以求出打 F 点时的速度 vF，打 O 点时速度为零，只测出 OA、AD 和 EG 的长度，不能得到 OF 之间的长度，不可以完成验证机械能守恒定律，选项 A 错误；只测出 OC、BC 和 CD 的长度，由 BC 和 CD 的长度可以求出打 C 点时的速度 vC，打 O 点时速度为零，又有 OF 之间的长度，可以完成验证机械能守恒 定律，选项 B 正确；只测出 BD 和 EG 的长度，可以求出打 C 点时的速度 vC 和打 F 点时的速度 vF，又有 CF，可以完成验证机械能守恒定律，选项 C 正确；只测出 AC、BD 和 EG 的长度, 可以求出打 B 点时的速 度 vB、打 C 点时的速度 vC 和打 F 点时的速度 vF，不能得出 BC、或 BF、或 CF 两点之间的距离，不可以完 成验证机械能守恒定律，选项 D 错误。 1 2 1 2★考点七 验证动量守恒定律 ◆典例一（2014·全国新课标理综 II）利用图（a）所示的装置验证动量守恒定律。在图（a）中，气垫导轨 上有 A、B 两个滑块，滑块 A 右侧带有一弹簧片，左侧与打点计时器（图中未画出）的纸带相连；滑块 B 左 侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器（未完全画出）可以记录遮光片通过光电门的时间。 实验测得滑块 A 质量 m1=0.310kg，滑块 B 的质量 m2=0.108kg，遮光片的宽度 d=1.00cm；打点计时器所用 的交流电的频率为 f=50HZ。将光电门固定在滑块 B 的右侧，启动打点计时器，给滑块 A 一向右的初速度， 使它与 B 相碰；碰后光电计时器显示的时间为△tB =3.500ms，碰撞前后打出的纸带如图 21-1（b）所示。 若实验允许的相对误差绝对值（│ │×100%）最大为 5℅，本实验是否在误差范围内 验证了动量守恒定律？写出运算过程。 【答案】见解析过程 【解析】按定义，物块运动的瞬时速度大小 v 为：v= 式中△s 为物块在很短时间△t 内走过的路程。 设纸带上打出相邻两点的时间间隔为△tA，则△tA =1/f=0.02s。 △tA 可视为很短。 设 A 在碰撞前后瞬时速度大小分别为 v0、v1，将图给的实验数据代入 v= ， 则有：v0=2.00m/s,， v1=0.970m/s,。 设 B 在碰撞后的速度大小为 v2，则有 v2= 代入题给实验数据得：v2=2.86m/s,， 设两滑块在碰撞前后的总动量分别为 p 和 p’，则 p= m1 v0 碰前总动量 碰撞前后总动量之差 t s ∆ ∆ t s ∆ ∆ Bt d ∆p’= m1v1+ m2v2。 两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为：δp=│ │×100%. 联立上述各式并代入数据解得 δp=1.7%