高考物理二轮复习课件专题17　力热光学实验 55页

专题十七力热光学实验专题十七　力热光学实验 主干知识整合专题十七│主干知识整合一、力学、热学、光学实验中的测量方法待测量测量方法说明长度(1)利用刻度尺毫米刻度尺精度为________，厘米刻度尺精度为________(2)利用游标卡尺①读数方法：测量值＝主尺上指示的毫米数＋精度×游标尺对齐的格数②精度：10分度的游标卡尺精度为________，20分度的游标卡尺精度为________，50分度游标卡尺精度为________．游标卡尺不估读1mm1cm0.1mm0.05mm0.02mm 专题十七│主干知识整合待测量测量方法说明长度(3)利用螺旋测微器①读数方法：测量值＝主尺上指示的毫米数(注意半毫米刻线是否漏出)＋精度×转动圆筒上与主尺中心刻线所对刻度值(注意要估读)②精度：螺旋测微器精度为________时间(1)利用秒表①秒表精度：秒表精度通常为________．秒表不估读②秒表读数：内盘读数(注意是否超过半分钟)＋外盘读数(2)利用打点计时器①t＝______(n表示打点的时间间隔的个数，T表示打点周期)②打点周期与所接交流电周期相同0.01mm0.1snT 专题十七│主干知识整合待测量测量方法说明时间(3)利用光电计时器光电计时器能自动记录挡光时间，显示在读数窗口质量利用天平物体质量＝砝码总质量＋游码示数×游码最小分度力弹簧测力计力的大小＝精度×指针指示的格数(注意估读) 专题十七│主干知识整合待测量测量方法说明速度(1)利用打点纸带若纸带做匀变速直线运动，则打某点时的瞬时速度等于对应平均速度(2)利用平抛运动①v0＝x(x表示物体完成的水平位移，y表示竖直位移)②如果几个物体平抛时下落高度相同，则可用水平位移反映其水平速度大小，如教材中“验证动量守恒定律”的实验原理即用到这一思想 专题十七│主干知识整合待测量测量方法说明速度(3)利用光电门①v0＝(d表示滑块上挡光片的宽度，Δt表示挡光片挡光时间)②由于挡光片的宽度很小，在这里可用平均速度表示其瞬时速度加速度(1)利用打点纸带若纸带做匀变速直线运动，则a＝或a＝(2)利用光电门若纸带做匀变速直线运动，则a＝(v1、v2分别表示通过光电门测得的滑块在t1、t2两个时刻的速度，Δt表示对应的时间) 专题十七│主干知识整合待测量测量方法说明重力加速度(1)利用单摆g＝(l表示单摆摆长，T表示单摆周期)(2)利用其他仪器或其他运动形式①利用打点计时器；②利用光电门；③利用自由落体(滴水法)运动；④利用平抛运动等分子直径用油膜法估测d＝(V表示油酸体积，S表示油酸单分子油膜面积)折射率利用插针法n＝(θ1表示在真空或空气中的入射角，θ2表示在介质中的折射角) 专题十七│主干知识整合待测量测量方法说明光的波长利用光的干涉实验λ＝(d表示双缝宽度，l表示双缝到屏的距离，Δx表示相邻亮纹间距或相邻暗纹间距) 专题十七│主干知识整合二、实验数据的记录与处理1．误差和有效数字(1)误差：测量值与真实值的差异叫做误差．误差可分为系统误差和偶然误差两种．①系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小．②偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同．减小偶然误差的方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值．这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值． 专题十七│主干知识整合另外，还可以按照相对误差和绝对误差来分：相对误差(即绝对误差所占真实值的百分比)；绝对误差＝|测量值－真实值|(即测量值与真实值之差的绝对值)．相对误差以百分比表示，数值越小表示计量的精度越高．绝对误差只反映测量值与真实值的差值，不能反映测量精度．(2)有效数字：带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字．①凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值(可靠数字)后，再向下估读一位(不可靠数字)，这里不受有效数字位数的限制． 专题十七│主干知识整合②间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用2～3位有效数字表示．2．仪器读数(1)使用刻度尺、弹簧测力计、温度计、电流表、电压表等仪器时，凡是最小刻度是10分度的，要求读到最小刻度后再往下估读一位(估读的这位是不可靠数字，却是有效数字的不可缺少的组成部分)；凡是最小刻度不足10分度的，只要求读到最小刻度所在的这一位，不再往下估读．例如图5－17－1甲中用毫米刻度尺测量物体长度为6.50cm，图乙中电压表用15V量程时最小刻度为0.5V，只读到0.1V这一位即可，可读作5.7V. 专题十七│主干知识整合 专题十七│主干知识整合(2)不需要估读的仪器①游标卡尺、秒表、电阻箱由于本身构造的原因不需要估读．②欧姆表因为本身测量值就不准确，因此不需要估读．例如秒表(又称停表)读数分两部分：小圈内表示分，每小格表示0.5分钟；大圈内表示秒，最小刻度为0.1秒．当分针在前0.5分内时，秒针在0～30秒内读数；当分针在后0.5分内时，秒针在30～60秒内读数．因此图5－17－2中秒表读数应为3分零48.7秒． 专题十七│主干知识整合 专题十七│主干知识整合3．实验数据的处理(1)列表法将实验中的测量数据列成表格，可以简明地表示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是否合理，有助于发现和分析实验中存在的问题，而且列表法还是图象法的基础．列表时应注意：①表格要直接地反映有关物理量之间的关系，一般把自变量写在前边，因变量紧接着写在后面，便于分析．②表格要清楚地反映测量的次数、测得的物理量的名称及单位、计算的物理量的名称及单位，物理量的单位可写在标题栏内，一般不在数值栏内重复出现．③表中所列数据要正确反映测量值的有效数字． 专题十七│主干知识整合(2)解析法解析法即通过实验所涉及的解析式进行计算得到实验结果，一般应用于测量性实验数据的处理，并且通过多次测量取平均值来减小偶然误差．(3)图象法选取适当的自变量，通过画出图象可以找到或反映物理量之间的变化关系，并便于找出其中的规律，确定对应量的函数关系，图象法经常应用于探究性实验．画图象时应注意以下两点：①根据测量的要求选定坐标轴，一般以横轴为自变量，纵轴为因变量，坐标轴要标明所代表的物理量的名称及单位． 专题十七│主干知识整合②坐标轴标度的选择要合适，使测量数据能在坐标轴上得到准确的反映，为避免图纸上出现大片空白，坐标原点可以是零，也可以不是零． 要点热点探究专题十七│要点热点探究►　探究点一　测量性实验测量可分为直接测量和间接测量，高中物理实验涉及的测量型实验大多为间接测量实验，即通过直接测量与待测量相关的物理量，然后通过推导计算来间接得到待测量，而联系直接测量量和待测量间的关系即为实验原理． 专题十七│要点热点探究例1在“利用单摆测重力加速度”的实验中．(1)某同学用刻度尺测得摆线长为0.985m，用如图5－17－3甲所示的游标卡尺(标尺上有10个等分刻度)测摆球直径，用如图乙所示的秒表记录单摆振动50次所用的时间．由图甲读出摆球直径为________m，单摆振动50次所用的时间为________s. 专题十七│要点热点探究 专题十七│要点热点探究(2)若测得摆球直径为d，摆线长为L，周期为T，请写出重力加速度的计算式：g＝________.【点拨】本题为教材基本实验的再现式考查，难度中等偏易，但要注意细节，如摆长的和单摆周期的计算、秒表读数等． 专题十七│要点热点探究例1(1)1.02×10－2100.5(2)【解析】(1)秒表的读数规则是中央(小盘刻度1.5分钟)＋大盘刻度(10s)＋小格数(5)×精度(0.1)＝100.5s，需要注意的是秒表不估读．(2)根据单摆周期公式推导即可． 专题十七│要点热点探究【点评】本题涉及的实验是考纲要求的19个基本实验之一，属于间接测量性实验，考查考生对基本实验的理解和应用能力，属于最基本的实验能力要求．现在高考试题纯粹考查教材实验的试题较少，大多是以教材基本实验为基础通过适度延伸和拓展来命制的，这就要求考生必须深刻理解每一个基本实验，领悟其中渗透的实验思想、方法、理论，并能迁移应用到相关实验中． 专题十七│要点热点探究用螺旋测微器测量某金属丝直径的结果如图5－17－4所示．该金属丝的直径是________mm.变式题 专题十七│要点热点探究例1变式题1.705(1.704～1.706均可)【解析】螺旋测微器的读数＝固定尺的读数＋可动尺的读数×0.01，即1.5mm＋20.5×0.01mm＝1.705mm. 专题十七│要点热点探究►　探究点二　验证性实验验证性实验的实验目的是验证已经学过的物理定理、定律，而被验证的定理、定律本身也就构成了验证性实验的实验原理．解决这类问题的关键是根据题目已给实验条件、实验过程、实验情景领会好命题意图，找出实验中应测定的物理量，明确在误差允许的范围内通过怎样的定量关系的成立即能达到验证目的． 专题十七│要点热点探究例2如图5－17－5所示，把A、B两个小球用等长细线悬挂起来，一小球自然下垂，拉起另一个小球，放下时它们将相碰，请你利用该实验方法验证动量守恒定律．(1)写出该实验必须测量的物理量(并设定表示相应物理量的字母)：_____________；(2)用你所设定的字母写出验证动量守恒定律表达式：_____.(3)请你写出一条减小实验误差的建议：________________. 专题十七│要点热点探究【点拨】(1)在教材中“验证碰撞中动量守恒实验”中是直接测出碰撞前后的速度的吗？怎样处理的？(2)本题中按照题给实验条件能直接得到小球碰撞前后的速度吗？如何解决这一问题？例2(1)A球的质量m1，B球的质量m2，释放A球前细线与竖直方向的夹角α，碰撞后A、B两球摆到最高点时细线与竖直方向的夹角β、γ(3)①适当增大细线的长度；②适当增大小球的密度；③适当增大释放小球A拉起的角度；④确保两球发生对心碰撞(写出一点即可，其他建议合理均可) 专题十七│要点热点探究【解析】动量守恒定律的表达式为mAv0＝mAvA＋mBvB，图中所给仪器不能测出速度，只能直接测出角度，利用mgL(1－cosθ)＝mv2，即：v＝　　　　　　　　求得速度．对实验本误差的分析可从来源上考虑．[实验理论提炼：实验误差的分析可以从多个方面考虑，既可从系统误差与偶然误差的角度考虑，也可以从相对误差考虑(如增大小球的密度就是为了减小空气阻力引起的相对误差)]． 专题十七│要点热点探究【点评】对于验证性实验的设计和理解，首先要从实验原理(即要验证的定理、定律)出发，根据实验条件理解实验步骤，明确需要测量的物理量(一般分为直接测量和间接测量两种形式)．例如本题需要从能量转化角度间接表示小球碰撞前后的速度，进而表示碰撞前后的动量以验证动量守恒定理．由此可见，实验理论的拓展和理解是形成正确解题思路的前提和保障． 专题十七│要点热点探究变式题[2010·全国卷Ⅰ]图5－17－6是利用激光器测转速的原理示意图，图中圆盘可绕固定轴转动，盘边缘侧面上有一小段涂有很薄的反光材料．当盘转到某一位置时，接收器可以接收到反光涂层所反射的激光束，并将所收到的光信号转变成电信号，在示波器显示屏上显示出来(如图17－7所示)． 专题十七│要点热点探究(1)若图5－17－7中示波器显示屏横向的每大格(5小格)对应的时间为5.00×10－2s，则圆盘的转速为______________转/s.(保留3位有效数字)(2)若测得圆盘直径为10.20cm，则可求得圆盘侧面反光涂层的长度为__________cm.(保留3位有效数字) 专题十七│要点热点探究例2变式题(1)4.55(2)1.46【解析】(1)从图中可知，圆盘转一圈的时间在横坐标上显示为22格，由题意知图中横坐标上每格表示1.00×10－2s，所以圆盘转动的周期是0.22s，则转速为4.55转/s；(2)反光引起的电流图象在图中横坐标上每次为一格，说明反光涂层的长度占圆盘周长的22分之一，为＝1.46cm. 专题十七│要点热点探究【高考命题者说】本题以激光和示波器测定转速为载体，考查匀速圆周运动的相关知识，要求考生具备之别图象、读取数据的能力．(1)示波器上两电信号之间的时间间隔即为圆盘运动的周期．由图可知，两电信号对应部分的时间间隔占据示波器显示屏横向22小格．由题意，每小格对应的时间为1.00×10－2s，所以圆盘运动的周期T＝0.220s，圆盘的转速f＝　　＝4.55转/s.(2)由图可知，反光涂层的信号占据示波器横向1格，表明圆盘侧面反光涂层的长度是圆盘周长的　　　　　＝1.46cm. 专题十七│要点热点探究本题抽样统计难度为0.248，对物理得分在20分以上的考生有较好的区分．(引自教育部考试中心2011《高考理科试题分析》第349页) 专题十七│要点热点探究►　探究点三　探究性实验探究性实验注重考查考生的科学探究能力，注重考查知识的形成过程．探究性实验要求学生将自己掌握的物理知识和实验技能创造性地应用到新的实验情境中，由题给条件自行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律．在高考复习过程中我们必须关注这类实验试题． 专题十七│要点热点探究例3“探究动能定理”的实验装置如图5－17－8所示，当小车在两条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W0.当用4条、6条、8条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次……实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0……，每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度均可由打点计时器所打的纸带测出． 专题十七│要点热点探究 专题十七│要点热点探究(1)关于该实验，下列说法正确的是A．打点计时器可以用直流电源供电，电压为4～6VB．实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等C．每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出D．利用每次测出的小车最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次作出……的图象，得出合力做功与物体速度变化的关系． 专题十七│要点热点探究(2)图5－17－9给出了某次在正确操作情况下打出的纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一段纸带，测得O点到A、B、C、D、E各点的距离分别为OA＝5.65cm，OB＝7.12cm，OC＝8.78cm，OD＝10.40cm，OE＝11.91cm.已知相邻两点时间间隔为0.02s，则小车获得的最大速度vm＝________m/s. 专题十七│要点热点探究【点拨】注意从整个实验的叙述中理解实验原理，要善于应用探究实验的思想、方法(如本专题前面关于实验数据的处理方法之图象法)理解和处理该类实验问题．例3(1)CD(2)0.78【解析】由打点计时器的工作原理可知，电源应为4～6V交流电，A错误；为了使弹簧的作用距离相等，每次必须在同一位置弹出，并且橡皮条的长度应相等，B错误、C正确；作出W2－vm、W3－vm……的图象，找出符合规律的图线知W－v为一直线．[实验理论提炼：图象法处理实验数据是探究性实验必不可少的工作，通过图象可以很好地反应相关物理量的函数关系，达到探究目的．通常是采用通过调整坐标轴表示的物理量的方法尽可能使画出的图线为直线，从而直观反映物理量间的定量关系]． 专题十七│要点热点探究【点评】本实验为新课标教材中的基本实验，在此作为大纲版的探究实验可以很好地体现新课标的精神，当然关于探究实验在大纲版教材中也已有所涉及，如“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验就用到了与本题同样的实验数据处理方法——图象法．另外，在本题的分析中，要准确理解命题者的设计意图，例如对B选项的判定，如果每根橡皮筋的原长不相等，就没有的弹力做功的准确计量方法，所以选项B说法错误． 专题十七│要点热点探究►　探究点四　实验的创新与设计在保证正确性、安全性、准确性、可操作性的原则下，实验的设计一般依据以下步骤进行： 专题十七│要点热点探究例4[2011·重庆卷]某同学设计了如图5－17－10所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数μ.滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m′，托盘和盘中砝码的总质量为m.实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速度为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10m/s2. 专题十七│要点热点探究(1)为测量滑块的加速度a，必须测出它在A、B间运动的________与________，计算a的运动学公式是________；(2)根据牛顿运动定律得到a与m的关系为：他想通过多次改变m，测出相应的a值，并利用上式来计算μ.若要求a是m的一次函数，必须使上式中的_______________保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于_______________；(3)实验得到a与m的关系如图5－17－11所示，由此可知μ＝___________(取两位有效数字)． 专题十七│要点热点探究 专题十七│要点热点探究【点拨】第(1)问为对匀变速直线运动规律的考查，相对较简单；在第(2)问中，为保证a是m的一次函数，需要m前边的表达式为一定值，这在实验中如何操作呢？第(3)问注意证a－m图象的合理应用．例4(1)位移s时间ta＝(2)m′＋m滑块上(3)0.23(0.21～0.25)【解析】(1)由s＝at2知，要测量滑块的加速度a只需测量滑块的位移s和滑行时间t，此时a＝(2)若要求a是m的一次函数，只需保持不变，即不变，故实验时应将从托盘中取出的砝码置于滑块上． 专题十七│要点热点探究(3)由图象可知，图象过(69.0×10－3,0.43)和(64.0×10－3,0.23)两点，将之代入a＝　　　　　　　－μg，解得：μ＝0.23.【点评】实验创新的目的是使实验更具安全性、合理性、精确性．通常，实验创新的途径主要表现在实验原理的创新、实验仪器的选用及其组装方式的创新等几个方面．本题的创新主要表现在实验原理上：为保证a是m的一次函数，只需要将托盘中的砝码取出置于滑块上即可，这样就避免了因多次称量质量引起的误差，同时也保证了实验数据处理时a－m图象是一条直线． 专题十七│教师备用习题教师备用习题利用如图1所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度．一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动．当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离s，记下相应的t值；所得数据如下表所示． 专题十七│教师备用习题s/m0.5000.6000.7000.8000.9000.950t/ms292.9371.5452.3552.8673.8776.4/(m·s－1)1.711.621.551.451.341.22 专题十七│教师备用习题完成下列填空和作图：(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度v1、测量值s和t四个物理量之间所满足的关系式是________；(2)根据表中给出的数据，在图2给出的坐标纸上画出　　－t图线；(3)由所画出的　　－t图线，得出滑块加速度的大小为a＝________m/s2(保留2位有效数字)． 专题十七│教师备用习题 专题十七│教师备用习题 专题十七│教师备用习题【解析】(1)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，故中间时刻瞬时速度为　　由v1＝(或将加速度为a的匀加速运动看成反方向的加速度为－a的匀减速运动，则s＝－at2＋v1t)(2)由表中所给数据描点连线，注意描点时应使尽量多的点在直线上或分居在直线两侧，其图线如图所示． 专题十七│教师备用习题(3)由　　　　　　　　　　　　图线的斜率k＝－a，又图线过(0.20,1.81)(0.80,1.20)两点，k＝　　　　　　＝－1.0，故a＝2.0m/s2.【备选理由】本题为新课标全国卷实验考题，是大纲版实验命题的导向．通过本题主要强化学生两个方面的技能：其一，强化对光电门在实验中的作用的理解；其二，增强用图象法处理实验数据的技巧和意识．