2019年高考物理考纲解读与热点难点突破专题10力学实验综合应用教学案.pdf
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1、专题 10 力学实验综合应用专题 10 力学实验综合应用 【2019 年高考考纲解读】【2019 年高考考纲解读】 高考对物理实验的考查,是在考试说明规定的实验基础上进行重组与创新,旨在考查考生是否熟 悉这些常规实验器材,是否真正动手做过这些实验,是否能灵活地运用学过的实验理论、实验方法、实验 仪器,去处理、分析、研究某些未做过的实验,包括设计某些比较简单的实验等。 实验试题多源于教材而高于教材,所给的物理情景和要求跟教材内容多有明显区别,是以教材中实验 为背景或素材, 通过改变实验条件或增加条件限制, 加强对考生迁移能力、 创新能力和实验设计能力的考查。 题目命制的形式多为一力一电,力学实验
2、比重有所加大,采用组合题的方式,增大了实验题的覆盖面, 加强了对物理问题进行定性分析的设问及开放性设问,很好地体现了新课程改革引导学生主动学习、加强 探究、培养创新精神的理念。 【网络构建】【网络构建】 【命题趋势】【命题趋势】 一、误差和有效数字 一、误差和有效数字 1误差 误差产生原因大小特点减小方法 系统误差实验仪器不精确、实验原总是偏大或偏小更新仪器完善实验 理不完善、实验方法粗略原理 偶然误差测量、读数不准确忽大忽小画图象或取平均值 2.有效数字 从数字左边第一个不为零的数字算起,如 0.012 5 为三位有效数字 二、测量性实验二、测量性实验 1包括:用游标卡尺和螺旋测微器测量长度
3、,练习使用打点计时器 2(1)游标卡尺的读数方法:d主尺读数(mm)精度游标尺上对齐刻线数值(mm) (2)螺旋测微器的读数方法: 测量值固定刻度可动刻度0.01 mm估读值 注意要估读到 0.001 mm. (3)用纸带求加速度的方法 利用 a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xxn1xnaT2 x T2 求加速度 a. 逐差法: 图 5101 如图 5101 所示,因为 a1,a2,a3,所以 a x4x1 3T2 x5x2 3T2 x6x3 3T2 a1a2a3 3 . x4x5x6x1x2x3 9T2 三、验证性实验三、验证性实验 1包括:验证力的平行四边形定则、验证
4、牛顿运动定律、验证机械能守恒定律 2验证性实验的两种方法 (1)对于现象直观明显或者只需讨论的验证性实验问题,常常通过观察分析进行证实; (2)对有测量数值且实验要求根据数据分析验证结果的,一般要进行分析归纳,通过作图、计算、测量 进行比较验证 四、探究性实验四、探究性实验 1包括:探究弹力和弹簧伸长的关系,探究动能定理 2探究性实验与验证性实验的区别 探究性实验,在实验前并不知道满足什么规律,所以在坐标纸中描点后所做的曲线是试探性的,只有 在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来拟合这些点而验证性实验,在坐标纸上描点后所作图线的 根据就是所验证的规律。 【重点、难点剖析】【重点、难点剖析】
5、一、游标卡尺和螺旋测微器的读数一、游标卡尺和螺旋测微器的读数 1毫米刻度尺 长度测量的基本工具是刻度尺,其最小分度一般为 1 mm(此时叫做毫米刻度尺)毫米刻度尺可以精确 读到mm位、估读到 mm位(能读取十分之几毫米)估读的“0”不能舍弃 1 10 2游标卡尺的读数 游标尺(mm) 刻度格数刻度总长度每小格与 1 毫米差 精 度(mm) 测量结果(游标尺上第 n 条刻度线 与主尺上的某刻度线对齐时)(mm) 1090.10.1主尺上读的毫米数0.1 n 20190.050.05主尺上读的毫米数0.05 n 50490.02 0.0 2 主尺上读的毫米数0.02 n 3.螺旋测微器的读数 测量
6、值固定刻度整毫米数半毫米数可动刻度读数(含估读)0.01 mm. 4关于估读问题:游标卡尺不需要估读;毫米刻度尺、螺旋测微器需要估读 【特别提醒】游标卡尺读数技巧: (1)读数时应以毫米为单位,读出后再进行单位换算。 (2)主尺上的读数,应以游标尺零刻度左端主尺上的刻度为准。 (3)20 分度的游标卡尺,其读数要精确到 0.05 mm,读数的最后一位数字为“0”或“5”;50 分度的游 标卡尺,其读数要精确到 0.02 mm,读数的最后一位数字为“0”“2”“4”“6”或“8”。 二、与打点计时器和纸带相关的力学实验二、与打点计时器和纸带相关的力学实验 (1)打点计时器的正确使用: 先接通电源
7、,再释放纸带; 电磁打点计时器工作电压为低压交流 46 V;电火花计时器工作电压为交流 220 V。 (2)纸带的选取:一般实验在点迹清晰、无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带;在“验 证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二点,并且第一、二两点距离接近 2.0 mm。 (3)根据纸带上点的密集程度选取计数点。 打点计时器每打n个点取一个计数点, 则计数点时间间隔为n 个打点时间间隔,即T=0.02n s。一般取n=5,此时T=0.1 s。 (4)测量计数点间距离。为了测量、计算的方便和减小偶然误差,测量距离时不要分段测量,尽可能一 次测量完毕,即测量计数起点到其他各计数点的距
8、离。如图所示,则由图可得: x=x1,x=x2-x1,x=x3-x2,x=x4-x3,x=x5-x4,x=x6-x5。 (5)判断物体运动的性质 若x、x、x、x、x、x基本相等,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动。 设 x1=x-x,x2=x-x,x3=x-x,x4=x-x,x5=x-x。 若 x1、x2、x3、x4、x5基本相等,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀变速直线运动。 (6)测定第n点的瞬时速度,物体做匀变速直线运动时,在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时 速度,即测出第n点相邻的前、后两段相等时间T内的距离,由平均速度公式即可求得。如图中第 4 点的 瞬时
9、速度为:v4=。 三、用图象处理数据三、用图象处理数据 图象法是物理实验中广泛应用的处理实验数据的方法,以下为作图的要求: (1)作图一定要用坐标纸,坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定。 (2)要标明轴名、单位,在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值。 (3)图上的连线不一定通过所有的数据点,而应尽量使数据点合理地分布在线的两侧。 (4)作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化,即“变曲为直”。 虽然图象法有许多优点,但在图纸上连线时有较大的主观性,另外连线的粗细、图纸的大小、图纸本 身的均匀程度等,都对结果的准确性有影响。 (5)注意区别横、纵坐标轴的物理意义、标度及单位
10、。 (6)明确图象的斜率、截距的物理意义。 【题型示例】【题型示例】 题型一 匀变速直线运动的研究题型一 匀变速直线运动的研究 【方法技巧】在处理纸带问题时,一定要熟练把握以下几个问题 1.根据纸带利用逐差法求匀变速直线运动的加速度; 2.根据纸带利用匀变速直线运动中“某段时间内中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度”求 瞬时速度; 3.根据纸带作出相关的运动图象,然后根据作出的运动图象求加速度等物理量 例 1、(2018高考北京卷)用图 1 所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律 主要实验步骤如下: a安装好实验器材接通电源后,让拖着纸带的小车沿长木板运动,重复几次 b选出一条点迹清
11、晰的纸带,找一个合适的点当作计时起点O(t0),然后每隔相同的时间间隔T选 取一个计数点,如图 2 中A、B、C、D、E、F所示 c通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E点时小车的速度,分别记作v1、v2、v3、v4、v5 d以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系,在坐标纸上描点,如图 3 所示 结合上述实验步骤,请你完成下列任务: (1)在下列仪器和器材中,还需要使用的有_和_(填选项前的字母) A电压合适的 50 Hz 交流电源 B电压可调的直流电源 C刻度尺 D秒表 E天平(含砝码) (2)在图 3 中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点,请在该图中标出计数点C对应的坐标点,
12、并画 出vt图象 (3)观察vt图象,可以判断小车做匀变速直线运动,其依据是_vt图象斜率的物理意义 是_ (4)描绘vt图象前, 还不知道小车是否做匀变速直线运动 用平均速度表示各计数点的瞬时速度, x t 从理论上讲,对 t的要求是_(选填“越小越好”或“与大小无关”); 从实验的角度看,选取的 x 大小与速度测量的误差_(选填“有关”或“无关”) (5)早在 16 世纪末,伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的当时只能靠滴水计时,为此他 设计了如图 4 所示的“斜面实验” ,反复做了上百次,验证了他的猜想请你结合匀变速直线运动的知识, 分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度
13、是随时间均匀变化的 【答案】(1)A C (2)如图所示 (3)小车的速度随时间均匀变化 加速度 (4)越小越好 有关 (5) 如果小球的初速度为 0,其速度vt,那么它通过的位移xt2.因此,只要测量小球通过不同位移所用的 时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化 (4)表示的是 t内的平均速度,只有当 t趋近于零时,才表示瞬时速度因此若用表示 x t x t x t 各计数点的瞬时速度,对 t的要求是越小越好;从实验的角度看,选取的 x越大,x的测量误差就越 小,算出的速度的误差就越小,因此从实验的角度看,选取的 x大小与速度测量的误差有关 【变式探究】 【2017新课标卷】某探究小组
14、为了研究小车在桌面上的直线运动,用自制“滴水计时 器”计量时间。实验前,将该计时器固定在小车旁,如图(a)所示。实验时,保持桌面水平,用手轻推一 下小车。在小车运动过程中,滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴,图(b)记录了桌面上连续的 6 个水滴 的位置。 (已知滴水计时器每 30 s 内共滴下 46 个小水滴) (1)由图(b)可知,小车在桌面上是_(填“从右向左”或“从左向右” )运动的。 (2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动。小车运动到图(b)中A点位置时的速 度大小为_m/s,加速度大小为_m/s2。 (结果均保留 2 位有效数字) 【答案】 (1)从右向左 (2)0
15、.19 0.037 【解析】 (1)小车在阻力的作用下,做减速运动,由图(b)知,从右向左相邻水滴间的距离逐渐减小, 所以小车在桌面上是从右向左运动;(2)已知滴水计时器每 30 s 内共滴下 46 个小水滴,所以相邻两水滴 间的时间间隔为:,所以A点位置的速度为:,根据逐 差法可求加速度:,解得a=0.037 m/s2。 【变式探究】 【2017新课标卷】 (6 分)某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和 加速度之间的关系。使用的器材有:斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器。 实验步骤如下: 如图(a) ,将光电门固定在斜面下端附近;将一挡光片安装在滑块上,记下挡光片前
16、端相对于斜面 的位置,令滑块从斜面上方由静止开始下滑; 当滑块上的挡光片经过光电门时,用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间t; 用s表示挡光片沿运动方向的长度,如图(b)所示,v表示滑块在挡光片遮住光线的t时间内的 平均速度大小,求出v; 将另一挡光片换到滑块上,使滑块上的挡光片前端与中的位置相同,令滑块由静止开始下滑,重 复步骤、; 多次重复步骤; 利用实验中得到的数据作出vt图,如图(c)所示。 完成下列填空: (1)用a表示滑块下滑的加速度大小,用vA表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小,则v 与vA、a和t的关系式为v= 。 (2)由图(c)可求得,vA= cm/s,a= c
17、m/s2。 (结果保留 3 位有效数字) 【答案】 52.1 16.3(15.816.8) 【解析】(1) 设挡光片末端到达光电门的速度为v, 则由速度时间关系可知 :, 且 2 A vv v 联立解得:; (2)由图(c)可求得vA=52.1 cm/s,即a=16.6 cm/s2。 【变式探究】2016天津卷 (2)某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动 实验中,必要的措施是_ 图 1 A细线必须与长木板平行 B先接通电源再释放小车 C小车的质量远大于钩码的质量 D平衡小车与长木板间的摩擦力 他实验时将打点计时器接到频率为 50 Hz 的交流电源上,得到一条纸带,打出的部分计数点如图 1
18、 所示(每相邻两个计数点间还有 4 个点,图中未画出)s13.59 cm,s24.41 cm,s35.19 cm,s4 5.97 cm,s56.78 cm,s67.64 cm,则小车的加速度a_m/s2(要求充分利用测量的数据),打点 计时器在打B点时小车的速度vB_m/s.(结果均保留两位有效数字) 图 1 【答案】 AB 0.80 0.40 两点的时间间隔为 0.1 s,由逐差法可以得出a0.80 m/s2,打点计时器在 s6s5s4s3s2s1 9T2 打B点时小车的速度vB0.40 m/s. s1s2 2T 【变式探究】 【2015福建19(1) 】某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系
19、”的实验。 图甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,其示数为 7.73cm,图乙是在弹簧下端悬挂钩码后 指针所指的标尺刻度,此时弹簧的伸长量l 为 cm; 本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力,关于此操作,下列选项中规范的做法 是 ;(填选项前的字母) A逐一增挂钩码,记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重 B随意增减钩码,记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重 图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量l与弹力F的关系图线,图线的AB段明显偏离直线OA,造成这 种现象的主要原因是 。 【答案】 6.93cm;A;钩码重力超过弹簧弹力范围 【变式探究】 【201
20、5四川8(1) 】3某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时,安装好实验装置, 让刻度尺零刻度与弹簧上端平齐,在弹簧下端挂 1 个钩码,静止时弹簧长度为l1,如图 1 所示,图 2 是此 时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺(最小分度是 1 毫米)上位置的放大图,示数l1 cm.。在弹 簧下端分别挂 2 个、3 个、4 个、5 个相同钩码,静止时弹簧长度分别是l2、l3、l4、l5。已知每个钩码质量 是 50g,挂 2 个钩码时,弹簧弹力F2 N(当地重力加速度g9.8m/s2) 。要得到弹簧伸长量x,还 需要测量的是 。作出F-x曲线,得到弹力与弹簧伸长量的关系。 【答案】25.85,0.98,弹
21、簧的原长l0。 题型二 验证力的平行四边形定则题型二 验证力的平行四边形定则 【方法技巧】探究弹力和弹簧伸长之间的关系实验数据的处理方法 1.列表法:将测得的实验数据填入设计好的表格之中,可以分析两物理量间的定性关系 2.图象法:根据记录的实验数据在平面直角坐标系内进行作图若是曲线应平滑,若是直线要让尽量 多的点过直线,或在直线两侧均匀分布 3.函数法:往往是根据图象得到物理量间的函数关系方程式 例 2、本实验考查的重点是“力作用效果的等效性” 2.对实验步骤中两个分力和合力的大小和方向的确定也是考查的重点 例 3、(2018高考天津卷)某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,所用器材有
22、: 方木板一块, 白纸,量程为 5 N 的弹簧测力计两个,橡皮条(带两个较长的细绳套),刻度尺,图钉(若干个) (1)具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的有_ A橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上 B重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同 C使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线;读数时视线应正对测力计刻度 D用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计时的拉力 (2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验,白纸上留下的标注信息有结点位置O、力的标度、分力 和合力的大小及表示力的作用线的点,如下图所示其中对于提高实验精度最有利的是_ 【答
23、案】(1)BC (2)B 【解析】(1)由力的平行四边形定则知,橡皮条和两绳套夹角的角平分线不一定在一条直线上,两分力 的大小也不一定小于合力,A、D 项错误;验证力的平行四边形定则时,每次实验需保证合力与分力作用效 果相同, 结点O必须在同一位置, 但重复实验时, 可以改变合力的大小,故结点O的位置可以与前一次不同, B 项正确;使用测力计测力时,施力方向应沿测力计轴线方向,读数时视线应正对测力计刻度,C 项正确 【变式探究】 (2017 高考全国卷)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 1 mm)的纸贴在水平桌面上,如图(a)所示
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