备战高考物理高频考点解密专题14力学实验教学案.docx

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备战高考物理高频考点解密专题14力学实验教学案

专题14力学实验

核心考点

考纲要求

实验一：

研究匀变速直线运动

实验二：

探究弹力和弹簧伸长的关系

实验三：

验证力的平行四边形定则

实验四：

验证牛顿运动定律

实验五：

探究动能定理

实验六：

验证机械能守恒定律

实验七：

验证动量守恒定律

1.要求会正确使用的仪器主要有：

刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、弹簧秤等

2.要求认识误差问题在实验中的重要

考点1研究匀变速直线运动

一、实验目的

1．练习正确使用打点计时器，学会利用打上点的纸带研究物体的运动。

2．掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法（

）。

3．测定匀变速直线运动的加速度。

二、实验原理

1．打点计时器

（1）作用。

计时仪器，每隔0.02s打一次点。

（2）两种打点计时器的比较

电磁打点计时器

电火花计时器

所用电源

4~6V低压交流

220V交流

打点方式

振针打点

电火花打点

时间间隔

每隔0.02s打一次点

每隔0.02s打一次点

实验误差

振针和纸带之间有摩擦，误差较大

火花放电不会影响纸带运动，误差较小

（3）纸带上点的意义

表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置；通过研究纸带上各点之间的距离，可以判断物体的运动情况；可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔。

2．匀变速直线运动的判断

连续相等时间内的位移之差是恒量，即（不为零），则物体做匀变速直线运动，且

。

3．由纸带求物体运动速度的方法

根据匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，即。

4．由纸带求加速度

（1）用“逐差法”求加速度

根据，求出加速度

、

、

，再计算出a1、a2、a3的平均值，即为物体运动的加速度，即。

（2）利用v–t图象的斜率求加速度

先根据求出多个时刻随对应点的瞬时速度，然后画出v–t图象，图线的斜率即为物体运动的加速度。

三、实验器材

电火花计时器（或电磁打点计时器）一端固定有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸。

四、实验步骤

1．仪器安装

（1）把固定有定滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有定滑轮的一端，连接好电路。

（2）把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上合适的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面。

如图所示，放手后，看小车能否在长木板上平稳地加速滑行。

2．测量和记录

（1）把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，再放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点。

换上新纸带重复实验，至少重复三次。

（2）从几条纸带中选一条比较理想的，舍掉开头比较密集的点，从便于测量的点开始确定计数点，为了计算方便和减少误差，通常用连续打点五次的时间作为时间单位，即T=0.1s。

正确使用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离，并填入设计好的表格中。

（3）利用某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求得各计数点的瞬时速度。

（4）增减所挂钩码数量，重复实验两次。

3．处理数据并得出试验结论

（1）由试验数据画出v–t图象。

（2）由v–t图象得出小车运动的速度随时间变化的规律。

五、数据处理

1．目的

通过纸带求解运动的加速度和瞬时速度，确定物体的运动性质等。

2．处理的方法

（1）分析物体的运动性质——测量相邻计数点间的距离，计算相邻计数点间距离之差，看其是否为常数，从而确定物体的运动性质。

（2）利用逐差法求解平均加速度。

（3）利用平均速度求瞬时速度。

（4）利用v–t图象求加速度。

六、误差分析

1．电流频率不稳引起的实验系统误差。

2．测量数据不准及描点、连线作图不准等引起的偶然误差。

七、注意事项

1．平行：

纸带、细绳要和木板平行。

2．两先两后：

实验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源，后取纸带。

3．防止碰撞：

在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止钩码落地和小车与滑轮相撞。

4．减小误差：

小车的加速度宜适当大些，可以减小长度的测量误差，加速度大小以能在约50cm的纸带上清楚地取出6~7个计数点为宜。

（1）作出速度–时间图象，通过图象的斜率求解物体的加速度；

（2）剪下相邻计数点的纸带紧排在一起求解加速度。

（2018·广东省深圳市罗湖区罗湖外国语学校）某同学用打点计时器测量做匀速直线运动的物体的加速度，电源频率

，在纸带上打出的点中，选出零点，每隔

个点取

个计数点，因保存不当，纸带被污染，如图所示，

、

、

、

是依次排列的

个计数点，仅能读出其中

个计数点到零点的距离：

，、。

根据以上信息回答：

（1）电磁打点计时器的工作电压是：

__________________________________________；

（2）相邻两个计数点的时间间隔

为_____________

；

（3）打

点时物体的速度大小为____________

（取

位有效数字）

（4）设

之间的距离为

，

之间的距离为

，相邻计数点之间的时间间隔为

，则物体加速度

的表达式为______________________（用

、

和

表示）

（5）根据匀变速直线运动的特点可以推测

点到零点的距离是_____。

A．

B．

C．

D．

【参考答案】

（1）低压交流电

（2）0.1（3）2.5（4）（5）B

【试题解析】

（1）电磁打点计时器的工作电压是0~6V的低压交流电；

（2）由于每隔

个点取

个计数点，所以相邻两个计数点的时间间隔为；

（3）利用中点时刻的速度等于平均速度可知；

（4）根据

，可求得；

（5）设OC之间的距离为x，则根据

可知：

；解得，故选B。

1．若实验中，算出各点的时刻所对应的瞬时速度，计算加速度最合理的方法是

A．根据实验数据画出图出

图，量出倾斜角α，由

，求出加速度

B．根据任意两点的速度用公式求

算出加速度

C．根据实验数据画出

图，由图线上相距较远的两点对应的速度、时间，用公式

算出加速度

D．依次算出通过连续两计数点的加速度，算出平均值作为小车的加速度

【答案】C

考点2探究弹力和弹簧伸长的关系

一、实验目的

1．探究弹力和弹簧伸长的定量关系。

2．学会利用列表法、图象法、函数法处理实验数据。

二、实验原理

1．如图所示，在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。

2．弹簧的长度可用刻度尺直接测出，伸长量可以由拉长后的长度进行计算。

三、实验器材

铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸。

四、实验步骤

（1）安装实验仪器（见实验原理图）。

（2）测量弹簧的伸长量（或总长）及所受的拉力（或所挂钩码的质量），列表作出记录，要尽可能多测几组数据。

（3）根据所测数据在坐标纸上描点，以力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标。

（4）按照在图中所绘点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线（包括直线），所画的点不一定正好在这条曲线上，但要注意使曲线两侧的点数大致相同。

（5）以弹簧的伸长量为自变量，写出曲线所代表的函数，首先尝试一次函数，如果不行再考虑二次函数。

五、数据处理

1．列表法：

将测得的F、x填入设计好的表格之中，可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差范围内是相等的。

2．图象法：

以弹簧伸长量x为横坐标，弹力F为纵坐标，描出F、x各组数据相应的点，作出的拟合曲线，是一条过坐标原点的直线。

3．函数法：

弹力F与弹簧伸长量x满足F=kx的关系。

六、误差分析

1．弹簧的拉力大小不稳定。

2．钩码标值不准确，弹簧长度测量不准确带来误差。

3．画图时描点及连线不准确也会带来误差。

七、注意事项

1．不要超过弹性限度：

实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，以免弹簧被过分拉伸，超过弹簧的弹性限度。

2．尽量多测几组数据：

要使用轻质弹簧，且要尽量多测几组数据。

3．观察所描点的走向：

本实验是探究性实验，实验前并不知道其规律，所以描点以后所作的曲线是试探性的，只是在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来连接这些点。

4．统一单位：

记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位。

（2018·高一上学期物理期末专项复习试题）某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验，设计了如下图（a）所示的实验装置。

他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，然后在弹簧下端依次挂1、2、3、4、5个钩码，待静止时，测出弹簧相应的总长度．每只钩码的质量都是10g。

实验数据见下表。

（弹力始终未超过弹性限度，g取10N/kg）

（1）试根据这些实验数据，在给定的如图（b）所示的坐标纸上，作出弹簧弹力大小F跟弹簧总长度l之间的函数关系图象。

（2）图象跟坐标轴交点的物理意义是________。

该弹簧的劲度系数k是________N/m。

【参考答案】

（1）如图所示

（2）表示弹簧原长20

【试题解析】

（1）根据实验数据在坐标纸上描出的点，基本上在同一条直线上。

可以判定F和L间是一次函数关系。

画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线上的点均匀地分布在直线两侧。

（2）该图线跟横轴交点的横坐标表示弹力为零时弹簧的长度，即为弹簧的自由长度。

图象的斜率大小等于弹簧的劲度系数，注意单位要化成国际单位，因此根据图象求出弹簧劲度系数为：

k=20N/m。

1．在探究弹力和弹簧伸长的关系实验中，得到某弹簧的伸长量x与弹力f之间的关系图象，下列说法中正确的是

A．弹簧的劲度系数为30.0N/m

B．弹簧发生弹性形变时，弹力大小与弹簧伸长（或缩短）的长度成正比

C．由图象可知弹簧原长为5.0cm

D．当弹簧伸长2.5cm时，弹簧弹力为0.75N

【答案】ABD

考点3验证力的平行四边形定则

一、实验目的

1．验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。

2．学会用作图法处理实验数据和得出实验结论。

二、实验原理

互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F′产生相同的效果，看F1、F2用平行四边形定则求出的合力F与F′在实验误差允许范围内是否相等。

三、实验器材

木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺。

四、实验步骤

1．用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的木板上。

2．用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O。

如实验原理图所示。

3．用铅笔描下结点O的位置和两个细绳套的方向，并记录弹簧测力计的读数，利用刻度尺和三角板根据平行四边形定则求出合力F。

4．只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面相同的位置O，记下弹簧测力计的读数F′和细绳的方向。

5．比较F′与用平行四边形定则求得的合力F，看它们在实验误差允许的范围内是否相等。

五、数据处理

1．用铅笔和刻度尺从O点沿两细绳套方向画直线，按选定的标度作出这两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为临边用刻度尺作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合理F的图示。

2．用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出只有一个弹簧测力计时的拉力

的图示。

3．比较F和

是否完全重合或几乎完全重合，从而验证平行四边形定则。

六、误差分析

1．误差来源：

除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等。

2．减小误差的办法：

（1）实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。

（2）作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行。

七、注意事项

1．位置不变：

在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。

2．角度合适：

用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°~100°之间为宜。

3．在合力不超出量程及在橡皮条弹性限度内形变量应尽量大一些。

细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。

4．统一标度：

在同一次实验中，画力的图示选定的标度要相同，并且要恰当选定标度，使力的图示稍大一些。

（2018·福建省福州市八县（市）协作校）“探究求合力的方法”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳，图乙是在白纸上根据实验结果画出的图示。

（1）某次实验中，拉OC细绳的弹簧秤指针位置如甲图所示，其读数为_____N；乙图中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是_____。

（2）关于此实验下列说法正确的是________。

A．与橡皮筋连接的细绳必须等长

B．用两只弹簧秤拉橡皮筋时，应使两弹簧秤的拉力相等，以便算出合力的大小

C．用两只弹簧秤拉橡皮筋时，结点位置必须与用一只弹簧秤拉时结点的位置重合

D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要短一些

【参考答案】

（1）2.80F′

（2）C

【试题解析】

（1）弹簧秤最小刻度为0.1N，估读到0.01N，则读数为2.80N；F是通过作图的方法得到合力的理论值，而F′是通过一个弹簧称沿AO方向拉橡皮条，使橡皮条伸长到O点，使得一个弹簧称的拉力与两个弹簧称的拉力效果相同，测量出的合力。

故方向一定沿AO方向的是F′，由于误差的存在F和F′方向并不在重合。

（2）与橡皮筋连接的细绳要稍微长些，并非要求等长，故A错误。

实验要方便、准确，两分力适当大点，读数时相对误差小，但没有要求两力必须相等，故B错误；为了保证效果相同，两次拉橡皮筋时，需将橡皮筋结点拉至同一位置，故C正确。

为了更加准确的记录力的方向，拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，故D错误。

1．做“验证力的平行四边形定则”实验时，其中的三个步骤是：

①在水平放置的木板上垫一张白纸，把橡皮条的一端固定在木板上，另一端拴两根细线，通过细线同时用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条，使它与细线的结点到达某一位置O点，在白纸上记下O点和两弹簧测力计的读数F1和F2

②在纸上根据F1和F2的大小，应用平行四边形定则作图求出合力F

③只用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条，使它的伸长量与用两个弹簧测力计一起拉时相同，记下此时弹簧测力计的读数

和细绳的方向

（1）以上三个步骤中均有疏漏，请找出并更正

在①中______________________________________________________；

在②中______________________________________________________；

在③中______________________________________________________。

（2）如图所示为四位同学在“验证力的平行四边形定则”的实验中所作的图示，F1和F2是两个弹簧测力计同时拉橡皮条时的力的图示，F是根据平行四边形定则作出的F1和F2的合力的图示，

是一个弹簧测力计单独拉橡皮条时的力的图示，其中错误的图是____________。

【答案】

（1）应该记下两根细线的方向在纸上根据F1和F2的大小和方向使橡皮条与细线的结点仍然达到O点

（2）B

考点4验证牛顿运动定律

一、实验目的

1．学会用控制变量法研究物理规律。

2．学会灵活运用图象法处理物理问题的方法。

3．探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律。

二、实验原理（见实验原理图）

1．保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系。

2．保持合外力不变，确定加速度与质量的关系。

3．作出a－F图象和a－

图象，确定其关系。

三、实验器材

小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺。

四、实验步骤

1．用天平测出小车和盛有砝码的小盘的质量m和m′，把数据记录在表格中。

2．把实验器材安装好，平衡摩擦力。

3．在小盘里放入适量的砝码，把砝码和小盘的质量m′记录在表格中。

4．保持小车的质量不变，改变砝码的质量，按上面步骤再做5次实验。

5．算出每条纸带对应的加速度的值并记录在表格中。

6．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示合外力，即砝码和小盘的总重力m′g，根据实验数据在坐标平面上描出相应的点，作图线。

7．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车质量的倒数，在坐标系中根据实验数据描出相应的点并作图线。

五、数据处理

1．利用Δx=aT2及逐差法求a。

2．以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比。

3．以a为纵坐标，

为横坐标，描点、连线，如果该线过原点，就能判定a与m成反比。

六、误差分析

1．因实验原理不完善引起的误差：

本实验用小盘和砝码的总重力m′g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。

2．摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。

七、注意事项

1．平衡摩擦力：

适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车受到的阻力。

在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着打点的纸带匀速运动。

2．不重复平衡摩擦力。

3．实验条件：

m≫m′。

4．一先一后一按：

改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。

（2018·福建省福州市八县（市）协作校）在探究“加速度与力、质量的关系”的实验中，实验装置如下图所示：

（1）在实验前必须进行平衡摩擦力，其步骤如下：

取下细线和砂桶，把木板不带滑轮的一端适当垫高并反复调节，直到轻推小车，使小车做___________直线运动；

（2）某同学在探究小车质量不变，小车的加速度与小车所受合力间的关系时，该同学平衡小车的摩擦阻力后，为了使小车所受的合力近似等于砝码的重力，小车的质量M和砝码的质量m分别应选取下列哪组值最适宜______。

A．M=500g，m分别为50g、70g、100g、225g

B．M=500g，m分别为20g、30g、40g、50g

C．M=200g，m分别为50g、75g、100g、225g

D．M=200g，m分别为30g、40g、50g、100g

（3）在某次实验中，某同学得到一条打点清晰的纸带，并且每5个计时点取一个计数点（每相邻的计数点间还有4个计时点未画出），如图所示，已知每相邻的2个计数点间的距离为s，且s1=0.95cm，s2=2.88cm，s3=4.80cm，s4=6.71cm，s5=8.64cm，s6=10.57cm，电磁打点计时器的电源频率为50Hz。

试计算此纸带的加速度大小a=________m/s2（计算结果保留3位有效数字）。

（4）在平衡好摩擦力的情况下，探究小车加速度a与小车受力F的关系中，将实验测得的数据在坐标图中描点并作出a–F图线，如图所示。

从a–F图线求得小车的质量为__________kg（保留两位有效数字）。

【参考答案】

（1）匀速

（2）B（3）1.92（4）0.50

【试题解析】

（1）在实验前必须进行平衡摩擦力，其步骤如下：

取下细线和砂桶，把木板不带滑轮的一端适当垫高并反复调节，直到轻推小车，使小车恰好做匀速直线运动，这样小车所受的摩擦力与小车沿斜面向下的重力的分力平衡。

（2）该实验要求满足小车的质量大于大于钩码的质量，这样小车所受的合力才近似等于砝码的重力，只有B满足此条件，故选B。

（3）根据匀变速直线运动的推论公式Δx=aT2可以求出加速度的大小，得：

s4–s1=3a1T2，s5–s2=3a2T2，s6–s3=3a3T2，为了更加准确的求解加速度，我们对三个加速度取平均值，联立得，代入数据得。

（4）根据

得a–F图线的斜率倒数表示物体的质量，则有：

，解得：

。

1．某实验小组在实验室做“验证牛顿运动定律”实验：

（1）甲同学在验证加速度和物体的质量的关系时，控制物体所受合外力不变。

①实验中，描

图象而不描a–m图象的理是。

②根据实验数据得到

图象如图所示，由此你得出的结论为。

（2）乙同学在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变对小车的拉力，由实验数据作出的a–F图象如图乙所示，图象与a轴的截距的物理意义是；小车的质量为kg。

（保留两位有效数字）

【答案】

（1）①a–m的图线为曲线、不便于发现规律，而

图线为直线，偏于发现规律②合外力不变时，加速度与质量成反比

（2）不加外力时，重力的分力与摩擦力的合力产生的加速度1.8（1.7~1.9均正确）

考点5探究动能定理

一、实验目的

1．探究外力对物体做功与物体速度变化的关系。

2．通过实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的正比关系。

二、实验原理

1．一根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功为W。

2．两根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为2W。

3．三根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为3W。

4．利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度，列表、作图，即可求出v－W关系。

三、实验器材

橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等。

四、实验步骤

1．用一条橡皮筋拉小车——做功W。

2．用两条橡皮筋拉小车——做功2W。

3．用三条橡皮筋拉小车——做功3W。

4．测出每次小车获得的速度。

5．分别用各次实验测得的v和W绘出W－v、W－v2，W－v3、W－

关系图。

五、数据处理

先对数据进行估计，或者作出W－v草图，大致判断两个量可能是什么关系。

若为

，则可以对每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵轴，v2为横轴作图，如果作出的图象为一条直线，在说明

成立。

六、误差分析

1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不同，使橡皮筋的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比。

2．没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差。

3．利用纸带上的点计算小车的速度时，测量不准确带来的误差。

七、注意事项

1．将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。

方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角。

2．测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分。

3．橡皮筋应选规格一样的。

力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值。

4．小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些。

（2018·高一物理期末复习）某研究性学习小组做探究“橡皮筋做的功和物体速度变化的关系”的实验，下图中是小车在一条橡皮筋作用下由静止弹出沿木板滑行的情形，这时，橡皮筋对小车做的功记为W。

当我们用2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时，每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放，小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。

（1）实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是_______________；

（2）实验中我们应测量小车的什么速度______。

A．全程的平均速度

B．加速阶段的平均速度

C．任一点的瞬时速度

D．匀速阶段的瞬时速度

（3）在本实验中作出W—v图象如图所示，比较符合实际的是______。

（4）本实验结论是：

橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn∝______。

【参考答案】

（1）把木板的末端垫起适当高度以平衡摩