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1、专题2 力学重要实验的创新设计专题概述考情分析力学的九个主要实验可分为三类：1.纸带类；2.平抛类；3.单摆类；4.碰撞类。这四类实验在高考中均有所涉及，其中纸带类实验是考查的热点，每年高考都会出现，比如08年全国卷考查验证机械能守恒定律实验，08年高考宁夏卷考查运用纸带分析和探究滑块与木板之间的动摩擦因数，08年高考天津卷考查用单摆测定重力加速度实验，08年高考重庆卷考查单摆类与纸带类的综合实验，08年高考江苏卷考查验证机械能守恒定律实验。从近几年高考的力学实验试题逐步转向多个力学实验混合的考查与设计性实验的考查。比如使用纸带研究探究弹簧弹力与弹簧伸长的关系、研究匀变速直线运动、验证机械能守
2、恒定律的综合实验考查多个实验的操作步骤、误差分析和基本原理。复习指导对力学实验的复习，首先要重视实验的目的、原理、仪器、读数、操作步骤、数据处理和误差分析；其次要注意实验原理与实验仪器的迁移能力的培养。针对理科综合试卷物理部分的力学实验试题逐步加大向设计性实验的能力考查，要抓好每个实验的基本操作方法，特别是在操作中的每一个注意事项，同时知其然还要知其所以然。误差分析是设计性的实验考查的重点内容，面对一个新的设计性的实验，要注意将实验中所有细微之处带来的误差在平时实验操作中落实。总之解决好力学实验的关键在于亲自做实验，并将同一个实验的器材设计出多种测量目的的方案，或将同一个实验目的用不同组合的器
3、材进行实验，训练设计实验的能力。典例调研考点一纸带类实验的创新设计【调研1】（2008年高考重庆卷）某实验小组拟用如题图1所示装置研究滑块的运动.实验器材有滑块、钩码、纸带、米尺、带滑轮的木板，以及由漏斗和细线组成的单摆等.实验中，滑块在钩码作用下拖动纸带做匀加速直线运动，同时单摆垂直于纸带运动方向摆动，漏斗漏出的有色液体在纸带带下留下的痕迹记录了漏斗在不同时刻的位置.（1）在题图2中，从 纸带可看出滑块的加速度和速度方向一致。（2）用该方法测量滑块加速度的误差主要来源有： 、 （写出2个即可）。【解析】（1）单摆摆动过程中，每经过半个周期单摆经过中心线一次，滑块向左加速运动，则纸带上的中心线
4、（虚线）上的交点向右越来越稀疏，B纸带中痕迹与中心线（虚线）的交点类似于匀加速运动纸带，要测量滑块的加速度，需要测出单摆的周期和痕迹与中心线（虚线）的两个交点之间的距离。要使速度和加速度方向相同，则只有B，因为B中相等时间内纸带运动的距离越来越大。（2）测量单摆周期误差主要来源于摆长测量、由于有色液体流出导致漏斗重心变化；液体痕迹偏粗导致痕迹与中心线（虚线）的两个交点之间的距离测量出现误差；漏斗漏出液体到纸带上，导致纸带受到的主力发生变化等都可能产生误差。因此用该方法测量加速度的误差主要来源有：摆长的测量，漏斗重心的变化，液体痕迹偏粗、阻力变化等。【答案】（1）B；（2）摆长测量、漏斗重心变化
5、、液体痕迹偏粗、阻力变化等。【技巧点拔】本题将研究匀变速直线运动的纸带与单摆的简谐运动有机巧妙结合，考查力学两个实验。综合应用单摆简谐运动、匀变速直线运动的规律解题。本题的关键是：痕迹与中心线（虚线）的交点与使用打点计时器研究匀变速直线运动时的纸带上的点迹关联起来；单摆的固定周期与打点计时器的打点周期相关联。【链接高考】本题考查了两个实验的迁移。从近几年高考的力学实验看，逐步趋向多个实验的原理的迁移、仪器的使用综合、误差分析的定性分析与计算。09年高考命题中会有更多的纸带类创新试题出现。【调研2】某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律，实验的简易示意图如下，当有不透光物体从光电门间
6、通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间.所用的西瓯XDS-007光电门传感器可测的最短时间为0.01ms.将挡光效果好、宽度为d3.8103m的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门。某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间ti与图中所示的高度差hi，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示。（取g9.8m/s2，注：表格中M为直尺质量）透明直尺21345h1h2h3h4黑磁带计算机i（10-3s）vi（ms-1）E ki=hi（m）Mghi11.213.1321.153.310.58M0.060.58M31.003.782.24M0.232.25M40.954.0
7、03.10M0.323.14M50.900.41（1）从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用求出的，请你简要分析该同学这样做的理由是： （2）请将表格中数据填写完整（3）通过实验得出的结论是： （4）根据该实验请你判断下列kh图象中正确的是（ ）AOOOOhhhhBCDEkEkEkEk【解析】（1）黑色磁带的宽度d3.8103m是非常小的尺度，黑色磁带通过光电门的时间极短，瞬时速度是在极短的时间内所发生的极短位移与时间的比值。（2）根据瞬时速度公式，v5 = = m/s = 4.22m/s，根据公式E k5=Mv52 Mv12 = 4.00M，由重力势能变化公式Mghi = 9
8、.80.41M = 4.018M4.02M。（3）从实验数据中动能变化量E ki与重力势能的变化量Mghi比较来看，在误差的允许范围内，重力势能的将少量等于动能的增量。（4）根据机械能守恒定律Ek = Mghi可知，k与h成正比，故kh图象为过原点的一条直线。【答案】（1）瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度；（2）4.22 ；4.00M或4.01M；4.01M或4.02M；（3）在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增量；（4）C【高考链接】本题的特点：采用了光电门传感器来代替打点计时器获取瞬时速度，将研究纸带上点迹的速度的处理变得更加简单；通过列表格来记录数据，并从表格中获取
9、相关信息；利用图象来处理数据和误差分析。图象处理数据的方法是减小误差的一种最好的方式，近几年高考中频繁地出现图象处理数据的实验试题，特别在力学实验中的研究匀变速直线运动、研究平抛物体的运动、验证机械能守恒定律、探究弹力和弹簧伸长的关系、用单摆测定重力加速度等实验，均在高考中考查过图象处理数据的方法。考点二平抛类实验的创新设计【调研3】如图a是研究小球在斜面上平抛运动的实验装置，每次将小球从弧型轨道同一位置静止释放，并逐渐改变斜面与水平地面之间的夹角，获得不同的射程x，最后作出了如图b所示的x-tan 图象，则：0 0.5 tanx/mxv00 tanx0.1第8题图a图b图c（1）由图b可知，
10、小球在斜面顶端水平抛出时的初速度v0= 。实验中发现超过60后，小球将不会掉落在斜面上，则斜面的长度为 m。（取g = 10m/s2）（2）若最后得到的图象如图c所示，则可能的原因是（写出一个） 【解析】（1）根据平抛运动的水平匀速直线运动以及竖直方向的自由落体运动公式得到抛物线轨迹方程：y = x2，即xtan = x2，即x= tan ，代入x=0.1m以及tan = 0.5，解得v0 = 1m/s。当实验中发现超过60后，小球不会掉落在斜面上，同样根据抛物线轨迹方程y = x2，即Lsin = (Lcos)2，代入=60，解得L = 0.7m。（2）根据图象所对应的函数方程x= tan
11、，再从c图像可看出斜率在增大，即初速度增大，可能原因是小球释放高度增大或释放时小球因手的作用具有一个初速度。【答案】（1）1m/s；0.7m；（2）释放位置变高。（或释放时用手给了小球一个初速度）【方法归纳】平抛运动的轨迹实际上是抛物线，根据平抛运动规律可得到抛体运动的轨迹方程y = x2，其中y为竖直位移，x为水平位移。初速度越大抛物线开口越大，即水平位移或射程越大；研究平抛物体的运动很重要的思想是曲线问题直线化，即将曲线运动分解为我们熟知的水平匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动，通过运动学物理量中的矢量加速度a、速度v和位移s的合成与分解来处理曲线与直线之间的关系。本题运用了图象的方式来
12、分析误差，要抓住函数与图象的联系，运用数学知识处理物理误差问题，通过实验原理建立数学函数关系，分析图线的斜率是大部分实验常用的突破口。考点三单摆类实验的创新设计【调研4】某同学利用如图所示的装置测定当地的重力加速度。实验步骤如下：A按装置图安装好实验装置；B用游标卡尺测量小球的直径d；C用米尺测量悬线的长度l；D让小球在竖直平面内小角度摆动。当小球经过最低点时开始计时，并计数为0，此后小球每经过最低点一次，依次计数1、2、3。当数到20时，停止计时，测得时间为t；E多次改变悬线长度，对应每个悬线长度，都重复实验步骤C、D；F计算出每个悬线长度对应的t 2；G以t 2 为纵坐标、l为横坐标，作出
13、t 2 - l图线。结合上述实验，完成下列任务：0123cm010523cm0105（1）用游标为10分度（测量值可准确到0.1mm）的卡尺测量小球的直径。某次测量的示数如图所示，读出小球直径d的值为 cm。t 2/s2l/m（2）该同学根据实验数据，利用计算机作出t 2 l图线如图所示。根据图线拟合得到方程t 2 = 404.0 l + 3.5。由此可以得出当地的重力加速度g = m/s2。（取 2 = 9.86，结果保留3位有效数字）（3）从理论上分析图线没有过坐标原点的原因，下列分析正确的是 （ ）A不应在小球经过最低点时开始计时，应该在小球运动到最高点开始计时；B开始计时后，不应记录小
14、球经过最低点的次数，而应记录小球做全振动的次数；C不应作t 2 l图线，而应作t l图线；D不应作t 2 l图线，而应作t 2 （l+d）图线。【解析】（1）游标卡尺的主尺刻度读取15mm，游标尺刻度是第2格对齐，故读数为15mm + 0.1mm2 = 15.2mm = 1.52cm；（2）根据单摆周期公式T = 2 = 2，可得t2 = l + d，与根据图线拟合的方程t 2 = 404.0 l + 3.5，进行对比可知当地的重力加速度g = 9.76m/s2；（3）根据T = 2 = 2，可得t2 = （l + d），若以t 2 为纵轴，（l+d）为横轴作t 2 （l+d）图线，则图线过原点。【答案】（1）1.52；（2）9.76；（3）D【误点警示】单摆类实验的难度往往在误差分析。涉及到误差分析的考查方式主要考查形式为：重力加速度的测量值与真实值比较是偏大还是偏小，而影响测量值的准确度的因素主要有摆长的测量误认为就是摆线的长度或者是摆线长度和摆球直径之和
