物理二轮(山东专用)学案:专题8 第1讲 力学、热学和光学实验 Word版含解析.doc
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1、- 1 - 第 1 讲 力学、热学和光学实验 析考情 明考向_考情分析_透视命题规律 一、构建体系 透析考情 思维导图 考情分析 1.力学实验题的考查呈 现由基础性向综合性递 进的趋势,高考命题不 避热点,注重陈题翻新 (如 2020 年山东卷第 13 题)。重点实验频繁考, 其他实验“轮换”考, 题目特点设置清晰,上 手得分容易,但做好做 全较难,能有效区分不 同水平考生的能力。 2.重在考查实验探究能 力,而非实验本身。新 任务,新情境,原理设 计,方法选择,条件控 制,数据处理的公式法、 列表法、图像法、平均 值法和逐差法反复涉 及,其中图像法处理实 验数据与结果规律性探 索是高考的热点
2、和亮 点。 二、熟记规律 高效突破 1系统误差:由于仪器本身不精密、实验方法粗略或实验原理不完善而产生的误差。系统误 差总是偏大或总是偏小。系统误差可以通过更新仪器、完善原理和精确实验的方法来减小。 2偶然误差:由各种偶然因素如测量、读数不准确,作图不规范造成的误差。偶然误差表现 为重复做同一实验时时而偏大时而偏小。偶然误差可用多次测量取平均值或作图的方法来减 小。 3有效数字:带有一位不可靠数字的近似数字叫有效数字。有效数字从左边第一个不为零的 数字算起,如 0.012 5 为三位有效数字,中学阶段一般取 2 位或 3 位有效数字。 4利用纸带求瞬时速度的方法 在匀变速直线运动中,利用物体在
3、一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求解。 测出与第 n 点相邻的前、后两段相等时间 T 内的距离 xn和 xn1,由公式 vnxnxn 1 2T 算出。 5利用纸带求加速度的方法 (1)利用 ax T2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 xxn1xnaT 2 求加速度 a。 - 2 - (2)利用 v- t 图像求解:画出 v- t 图像,图线的斜率为物体做匀变速直线运动的加速度。 (3)利用光电门求加速度: 若两个光电门之间的距离为 L, 则利用速度与位移的关系可求加速度, 即 av 2 2v 2 1 2L 。 6在估测油酸分子大小的数量级时,把每个油酸分子简化为球
4、体,厚度直径化。 7单摆测重力加速度公式 g4 2l T2 (l 为摆长,T 为周期)。 8插针法测折射率时注意公式 nsin i sin r中 i 是真空中的角,r 是玻璃中的角。 9光的波长 d lx(x 为条纹间距,l 为双缝到屏的距离,d 为双缝间距)。 研考向 提能力_考向研析_掌握应试技能 考向一 长度的测量及读数 游标卡尺(不估读) (1)读数:测量值主尺 读数(mm)精度游标 尺上对齐刻线数值 (mm)。 (2)常用精确度:10 分度 游标,精度 0.1 mm; 20 分度游标,精度 0.05 mm; 50 分度游标,精度 0.02 mm 螺旋测微器(需估读) 测量值固定刻度可
5、 动刻度(带估读 值)0.01 mm 典例 1 (1)如图甲、乙、丙所示的三把游标卡尺,它们的游标尺分别为 9 mm 长 10 等分、19 mm 长 20 等分、 49 mm 长 50 等分, 它们的读数依次为_ mm、 _ mm、 _ mm。 (2)用螺旋测微器测量金属丝的直径,图中所示的示数为_ mm。 - 3 - 解析 (1)甲图读数:整毫米数是 17 mm,不足 1 毫米数是 20.1 mm0.2 mm,最后读数是 17 mm0.2 mm17.2 mm; 乙图读数: 整毫米数是 23 mm, 不足 1 毫米数是 70.05 mm0.35 mm,最后读数是 23 mm0.35 mm23.
6、35 mm;丙图读数:整毫米数是 10 mm,不足 1 毫米 数是 190.02 mm0.38 mm,最后读数是 10 mm0.38 mm10.38 mm。 (2)半毫米刻度线已经露出,固定刻度示数为 6.5 mm,由螺旋测微器的读数方法,可知金属丝 的直径 d6.5 mm20.00.01 mm6.700 mm。 答案 (1)17.2 23.35 10.38 (2)6.700(6.6996.701 均正确) 易错警示 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
7、。 (2)游标卡尺在读数时先读主尺数据,再读游标尺数据,最后两数相加。游标卡尺读数不估读。 (3)不要把游标尺的边缘当成零刻线,从而把主尺的刻度读错,如典例中游标卡尺的读数,看 清“0”刻度线。 (4)螺旋测微器读数时,要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出,如典例中半毫 米刻度线已经露出;要准确到 0.01 mm,估读到 0.001 mm,即结果若用 mm 为单位,则小数 点后必须保留三位数字。 1图中游标卡尺的读数为_ mm,螺旋测微器的读数为_ mm。 解析:游标卡尺的读数为 l52 mm7 1 20 mm52.35 mm; 螺旋测微器的读数为 d1.5 mm49.00.01 m
8、m1.990 mm。 答案:52.35 1.990(1.8991.991 均正确) 2(1)图甲中游标卡尺游标尺的每小格比主尺的每小格小_ mm;该游标卡尺的读数应 为_ mm。 (2)图乙中螺旋测微器的读数应为_ mm。 - 4 - 解析:(1)主尺每小格的长度为 1 mm,而游标尺上的刻度是把 9 mm 分成了 10 份,每一份为 0.9 mm,所以游标尺的每小格比主尺的每小格小 0.1 mm;游标卡尺读数为 1 mm00.1 mm 1.0 mm。 (2)固定刻度上读数为 0.5 mm,可动刻度与固定刻度中心线对齐的是 14.2,所以螺旋测微器读 数为 0.5 mm14.20.01 mm0
9、.642 mm。 答案:(1)0.1 1.0 (2)0.642(0.6410.643 均可) 考向二 “纸带类”问题的处理 1常规计时仪器的测量 计时仪器 测量方法 秒表 秒表的读数方法:测量值(t)短针读数(t1)长针读数(t2),无估读 打点计时器 (1)tnT(n 表示打点的时间间隔的个数,T 表示打点周期) (2)打点频率(周期)与所接交流电的频率(周期)相同 2.两个关键点 (1)区分计时点和计数点:计时点是指打点计时器在纸带上打下的点。计数点是指测量和计算 时在纸带上所选取的点。要注意“每五个点取一个计数点”与“每隔四个点取一个计数点” 的取点方法是一样的。 (2)涉及打点计时器的
10、实验均是先接通打点计时器的电源,待打点稳定后,再释放纸带。 3纸带的三大应用 (1)判断物体运动性质。 若 x0,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 x 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。 (2)求解瞬时速度。 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 xn1,则打 n 点时的速度 vnxnxn 1 2T 。 (3)求加速度。 如图所示,有连续的偶数段数据:a(x4x5x6)(x1x2x3) (3T)2 。 如图所示,连续的奇
11、数段数据,去掉最短的 x1:a(x4x5)(x2x3) (2T)2 。 - 5 - 如图所示,不连续的两段数据:a xnmxn (nmn)T2 xnmxn mT2 。 典例 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, 如图所示,并在其上取了 A、B、C、D、E、F、G 共 7 个计数点,图中每相邻两个计数点间 还有 4 个点没有画出,打点计时器接频率 f50 Hz 的交流电源。 (1)打下 E 点时纸带的速度 vE_(用给定字母表示); (2)若测得 d665.00 cm,d319.00 cm,物体的加速度 a_ m/s2; (3)如果当时交变电流的频率
12、f50 Hz,但当时做实验的同学并不知道,那么测得的加速度值和 真实值相比_(选填“偏大”或“偏小”)。 解析 (1)由于图中每相邻两个计数点间还有 4 个点没有画出, 所以相邻的计数点之间的时间 间隔为 5T,利用匀变速直线运动的推论得 vEd5d3 10T (d5d3)f 10 。 (2)根据匀变速直线运动的推论 xaT2可得 a xDGxAD (35T)2 (d6d3)d3 (30.1 s)2 3.00 m/s2。 (3)如果在某次实验中,交流电的频率 f50 Hz,则实际打点周期变小,根据运动学公式x aT2得,测量的加速度值和真实的加速度值相比偏小。 答案 (1)(d5d3)f 10
13、 (2)3.00 (3)偏小 3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探究。物块拖动纸带 下滑,打出的纸带的一部分如图所示。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 A、B、C、D、E 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(保留三位有效数字); 物块下滑的加速度大小为_m/s2(保留两位有效数字)。 解析:物块加速下滑,因此打点间距逐渐增大,故先打 A 点。 C 点的速度 vCxBD 2T 4.6510 2 20.1 m/s0.233 m/s。 由图知 xAB1
14、.20 cm xBCxACxAB1.95 cm xCDxADxAC2.70 cm xDExAExAD3.45 cm 由逐差法得 axDExCD(xABxBC) 4T2 0.75 m/s2。 答案:A 0.233 0.75 - 6 - 4某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源, 可以使用的频率有 20 Hz、30 Hz 和 40 Hz。打出纸带的一部分如图(b)所示。 该同学在实验中没有记录交流电的频率 f,需要用实验数据和其他题给条件进行推算。 (1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用 f 和图(b)中给出的物理量可以写出:在打点 计时器打出 B
15、 点时,重物下落的速度大小为_,打出 C 点时重物下落的速度大小为 _,重物下落的加速度大小为_。 (2)已测得 s18.89 cm,s29.50 cm,s310.10 cm,当地重力加速度大小为 9.80 m/s2,实验中 重物受到的平均阻力大小约为其重力的 1%。由此推算出 f 为_Hz。 解析:(1)利用做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬 时速度,可得打点计时器打出 B 点时重物下落的速度 vBs1s2 2T (s1s2)f 2 ;打出 C 点时重 物下落的速度 vCs2s3 2T (s2s3)f 2 。根据加速度的定义,重物下落的加速度大小为 a vC
16、vB T (vCvB)f(s3s1)f 2 2 。 (2)根据题述,重物下落受到的阻力为 0.01mg,由牛顿第二定律得 mg0.01mgma,解得 a 0.99g,由(s3s1)f 2 2 0.99g,解得 f40 Hz。 答案:(1)1 2f(s1s2) 1 2f(s2s3) 1 2f 2(s 3s1) (2)40 5(2020 高考全国卷)某同学利用图(a)所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻 力后,挂上钩码,钩码下落,带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如 图(b)所示。 - 7 - 已知打出图(b)中相邻两点的时间间隔为 0.02 s,从图(b)给出的数据中
17、可以得到,打出 B 点时 小车的速度大小 vB_m/s,打出 P 点时小车的速度大小为 vP_m/s。(结果均 保留两位小数) 若要验证动能定理,除了需测量钩码的质量和小车的质量外,还需要从图(b)给出的数据中求 得的物理量为_。 解析:纸带上某点的瞬时速度可用相邻两点间的平均速度来替代。 vB(4.002.56)10 2 0.04 m/s0.36 m/s vP(57.8650.66)10 2 0.04 m/s1.80 m/s 根据实验原理 Fx1 2mv 2 P1 2mv 2 B,需测量的物理量有钩码的质量,小车的质量,B、P 之间的 距离和 B、P 点的速度。 答案:0.36 1.80 B
18、、P 之间的距离 6某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中动量的变化规律的实验:在小车 A 的前端 粘有橡皮泥,推动小车 A 使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车 B 相碰并黏合 成一体,继续做匀速直线运动。他设计的具体装置如图甲所示,在小车 A 后连着纸带,打点 计时器的工作频率为 50 Hz,长木板下垫着小木片以平衡摩擦力。 (1)若已得到如图乙所示的打点纸带,测得各计数点间距离并标在图上,点 1 为打下的第一个 点,则应选_段来计算小车 A 的碰前速度,应选_段来计算小车 A 和小车 B 碰 后的共同速度。(均选填“12”“23”“34”或“45”) (2)已测得小车 A
19、的质量 mA0.40 kg,小车 B 的质量 mB0.20 kg,由以上的测量结果可得, 碰前两小车的总动量为_ kg m/s,碰后两小车的总动量为_ kg m/s。由此可得 出的实验结论是_ - 8 - 解析: (1)因小车做匀速运动, 应取纸带上点迹均匀的一段来计算速度, 碰前 23 段点迹均匀, 碰后 45 段点迹均匀,故取 23 段计算碰前小车 A 的速度,45 段计算碰后小车 A、B 的 共同速度。 (2)碰前小车 A 的速度 vAx23 T 10.5010 2 0.025 m/s1.05 m/s,其动量 pAmAvA0.420 kg m/s; 碰后两小车的共同速度为 vABx45
20、T 6.9510 2 0.025 m/s0.695 m/s,其总动量 pAB(mAmB)vAB 0.417 kg m/s。由计算结果可知,在实验允许的误差范围内碰撞前、后总动量不变。 答案:(1)23 45 (2)0.420 0.417 在实验允许的误差范围内碰撞前、后总动量不变 考向三 “轻绳、橡皮条、弹簧类”实验 1“四点注意” (1)橡皮条、弹簧的弹力大小与伸长量之间的关系满足胡克定律,处理实验数据时一般选用图 像法。 (2)胡克定律描述的是在弹性限度内, 橡皮条(弹簧)的弹力与形变量成正比, 如果超出弹性限度, 正比关系不再成立。 (3)弹簧测力计读数时要先看量程和分度值,再根据指针所
21、指的位置读出所测力的大小。如分 度值为 0.1 N,则要估读,即有两位小数,如分度值为 0.2 N,则小数点后只能有一位小数。 (4)轻绳绕过定滑轮时,轻绳上的弹力大小处处相等。 2图像法的“五点要求” (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)要标明坐标轴名、单位,在坐标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,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像线性化,即“变曲为直”。 (5)有些时候,为了使坐标纸有效使用范围增大,坐标原点可以不从“0”开始。 典例 3 某探究小
22、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)用一只测力计将橡皮筋的 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橡皮筋,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
23、测力计的示数读出两个 拉力的大小分别为 F14.2 N 和 F25.6 N。 ()用 5 mm 长度的线段表示 1 N 的力,以 O 点为作用点,在图(a)中画出力 F1、F2的图示, 然后按平行四边形定则画出它们的合力 F合; ()F合的大小为_ N,F合与拉力 F 的夹角的正切值为_。 若 F合与拉力 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。 解析 (1)由测力计的读数规则可知,读数为 4.0 N。 (2)()利用平行四边形定则作图,如图所示。 - 9 - ()由图可知 F合4.0 N,从 F合的顶点向 x 轴和 y 轴分别作垂线,顶点的横
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