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1、第15讲 力 学 实 验,一、误差与有效数字 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。系统误差总是同样偏大或偏小。系统误差可以通过更新仪器、完善原理来减小或消除。,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总是时大时小。偶然误差可用多次测量求平均值的方法来减小。,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0.0125为三位有效数字。,二、基本仪器的使用 1.长度测量类仪器: (1)毫米刻度尺的读数:精确到毫米,估读一位。,(2)游标卡尺的读数:,(3
2、)螺旋测微器的读数:测量值=固定刻度整毫米数+半毫米数+可动刻度读数(含估读)0.01mm。,2.时间测量类仪器: (1)打点计时器:每打两个点的时间间隔为0.02s,一般每五个点取一个计数点,则时间间隔为t=0.025s =0.1 s。 (2)频闪照相机:用相等时间间隔获取图象信息的方法将物体在不同时刻的位置记录下来。 (3)光电计时器:记录遮光时间。,三、力学实验 1.验证性实验:验证力的平行四边形定则,验证牛顿运动定律,验证机械能守恒定律。 2.探究性实验:探究弹力与弹簧伸长的关系,探究动能定理。,3.两种实验过程的比较:,四、实验数据的处理方法 1.列表法:在记录和处理数据时,为了简单
3、而明显地表示出有关物理量之间的关系,可将数据填写在适当的表格中,即为列表法。,2.平均值法:把在同一状态下测定的同一个物理量的若干组数据相加求和,然后除以测量次数。 3.作图法:用作图法处理数据的优点是直观、简便,有取平均值的效果。由图线的斜率、截距、包围的面积等可以研究物理量之间的关系。,考向1 读数类问题 【典例1】(2016潍坊二模)一同学为测定某种硬金属 的电阻率,先用伏安法测出一小段由这种材料做成的圆 柱形金属丝的电阻为R= ,然后用游标卡尺和螺旋 测微器分别测定该金属丝的长度和直径,示数如图甲、 乙所示。由图可知游标卡尺的示数为_mm,螺旋 测微器的示数为_mm。则这种金属的电阻率
4、为 =_m。(最后一空保留两位有效数字),【解题探究】 (1)游标卡尺读数_估读。 (2)螺旋测微器读数必须_。,不需要,估读,【解析】游标卡尺的主尺读数为11mm,游标尺上第4 个刻度和主尺上某一刻度对齐,所以游标读数为4 0.1 mm=0.4 mm,所以最终读数为11 mm+0.4 mm=11.4 mm。 螺旋测微器固定刻度读数为0.5mm,可动刻度读数为 0.01 mm42.0=0.420 mm,得d=0.5mm+0.420 mm= 0.920 mm(0.9190.921都正确)。,由电阻定律:R= 金属的横截面积:S= d2 则有:= 解得:=1.110-3m 答案:11.4 0.92
5、0 1.110-3,【对点训练】 1.(2014福建高考)某同学测定一金属杆的长度和直径,示数如图甲、乙所示,则该金属杆的长度和直径分别为_cm和_mm。,【解析】直尺的最小刻度为0.1cm,因此读数应为 60.10 cm,游标卡尺是50分度,精确到0.02 mm,因此 读数为4.20 mm。 答案:60.10 4.20,2.(2016黄山二模)(1)某同学利用弹簧测力计研究在竖直方向运行的电梯的运动状态,他在地面上用弹簧测力计测量砝码的重力,示数为G,他在电梯中用弹簧测力计测量同一砝码的重力,发现弹簧测力计的示数小于G,由此判断此时电梯的运动状态可能是_。,(2)用螺旋测微器测量某金属丝直径
6、的结果如图所示,该金属丝的直径是_mm。,【解析】(1)砝码在地面上时,mg-F1=0,在电梯中则有mg-F2=ma,由于F2mg,因此,砝码具有竖直向下的加速度,说明电梯可能做向上的匀减速直线运动或向下的匀加速直线运动。 (2)螺旋测微器的读数为d=1.5mm+20.60.01 mm= 1.706 mm。 答案:(1)减速上升或加速下降 (2)1.706(1.7041.708均可),考向2 纸带类问题 【典例2】(2016全国卷)某同学用图甲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20Hz、30 Hz和40 Hz,打出纸带的一部分如图乙所示。该同学在
7、实验中没有记录交流电的频率f,需要用实验数据和其他条件进行推算。,(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图乙中给出的物理量可以写出:在打点计时器打出B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s1=8.89cm,s2=9.50cm,s3=10.10cm;当地重力加速度大小为9.80m/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)两点间时间间隔为T= , vB= 同理vC= , 根据公式s3-s1=2aT2, 得重物下落的加速度的大小为a= 。,(2)据mg-0.01mg=ma
8、和a= ,代入数据可得f为40Hz。 答案:(1) (2)40,【规律总结】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46 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。 a.若x=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。 b.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。,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
9、段 位移xn和xn+1,则打n点时的速度vn=,(3)用“逐差法”求加速度。 如图所示,因为 所以,【对点训练】 1.(2016海南高考)某同学利用图甲所示的实验装置 探究物块速度随时间的变化。物块放在桌面上,细绳的 一端与物块相连,另一端跨过滑轮挂上钩码。打点计时 器固定在桌面左端,所用交流电源频率为50Hz。纸带穿 过打点计时器连接在物块上。启动打点计时器,释放物,块,物块在钩码的作用下拖着纸带运动。打点计时器打出的纸带如图乙所示(图中相邻两点间有4个点未画出)。,根据实验数据分析,该同学认为物块的运动为匀加速运动。回答下列问题: (1)在打点计时器打出B点时,物块的速度大小为_m/s。在
10、打出D点时,物块的速度大小为_m/s。(保留两位有效数字) (2)物块的加速度大小为_m/s2。(保留两位有效数字),【解析】(1)根据匀变速直线运动的中间时刻速度等于 该过程的平均速度,所以:vB= =0.56m/s,vD= =0.96m/s。 (2)根据题意,该同学认为物块的运动为匀加速运动,则 根据速度公式: vD=vB+a2T,代入数据整理可以得到:a=2.0m/s2。 答案:(1)0.56 0.96 (2)2.0,2.某实验小组设计了“探究做功与物体速度变化的关系”的实验装置,实验步骤如下: a.实验装置如图甲所示,细绳一端系在滑块上,另一端绕过小滑轮后挂一砂桶,小砂桶内装一定量砂子
11、,用垫块将长木板固定有定滑轮的一端垫高,不断调整垫块的高度,直至轻推滑块后,滑块恰好能沿长木板向下做匀速直线运动。,b.保持长木板的倾角不变,取下细绳和砂桶,将滑块右端与纸带相连,并穿过打点计时器的限位孔,接通打点计时器的电源后,释放滑块,让滑块从静止开始加速下滑。 c.取下纸带,在纸带上取如图乙所示的A、B两计数点,并用刻度尺测出s1、s2及A、B两点间的距离s,打点计时器的打点周期为T。,根据以上实验,回答下列问题: (1)若忽略滑轮质量及轴间摩擦,本实验中滑块加速下滑时所受的合外力_(选填“等于”“大于”或“小于”)砂桶及砂的总重力。,(2)为探究从A到B过程中,做功与物体速度变化关系,
12、则实验中已测量出砂与砂桶的重力mg(或者砂与砂桶的质量m),还需测量的量有_。 (3)请写出探究结果表达式_。,【解析】(1)由题a步骤知,对滑块和砂桶组成的整体,由平衡条件得Mgsin-f-mg=0,所以取下细绳和砂桶,滑块加速下滑时所受的合外力等于砂桶及砂的总重力。,(2)、(3)砂桶及砂的总重力做功为W=mgs;打点计时器 打A点时,滑块的速度大小为vA= ,打B点时,滑块的速 度大小为vB= ,从A到B过程,滑块动能的变化量为 ,则探究结果表达式:mgs=,由上式可知:为探究从A到B过程中,做功与物体速度变化关系,实验中需测量的量有:砂与砂桶的重力mg(或者砂与砂桶的质量m)、滑块质量
13、M。 答案:(1)等于 (2)滑块质量M (3)mgs=,考向3 弹簧类问题 【典例3】(2016全国卷)某物理 课外小组利用图甲中的装置探究物体 加速度与其所受合外力之间的关系。 图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010kg。实验步骤如下:,(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。,(2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木
14、板平行。释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图象,经数据处理后可得到相应的加速度a。,(3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图乙所示;由图乙求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。,(4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点,并作出a-n图象。从图象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。,(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为_ _kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8m/s2)。,(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是_(填入正确选项前的标号)。 A.a-n图线不
15、再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大,【解析】(3)由于小车做的是匀加速直线运动,由 s= at2,将特殊点(2,0.80)代入得a=0.40m/s2。,(4)利用描点法可得如图所示图线,(5)根据牛顿第二定律可得nmg=(M+Nm)a。代入m= 0.010kg,n=1、2、3、4、5以及相应的加速度可求得 M=0.44kg。 (6)若不平衡摩擦力,则有nmg-M+(N-n)mg=(M+Nm)a, 解得a= n-g,故图线不过原点,但仍然是直 线,且斜率增大,A错误,B、C正确。 答案:(3)0.40 (4)见解析图 (5)0.44 (6)B、C,【对点训练】 1.(2015山东高考)某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。实验步骤: 将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上,使其轴线沿竖直方向。,如图甲所示,将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上,另一端用圆珠笔尖竖直向下拉,直到弹簧秤示数为某一设定值时,将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2,记录弹簧秤的示数F,测量并记录O1、
