高考物理年年必考的十大热点问题破解之道6力学实验问题破题之道-依托实验考计算(新)

1力学实验问题破题之道——依托实验考计算纵观近几年来高考力学实验题，考查的内容是年年更新，考查的形式是千变万化．力学实验题从表面上看毫无规律可循，但仔细分析每年的考题不难发现，这些实验题其实有一个共同的特点，它们都是依托教材中的实验，将实验原理、实验方法迁移到新的情景中，然后设计成一道计算题进行考查．经常考查的就是运动学规律、静力学规律、动力学规律以及功能规律的应用．本文以近年来高考的力学实验题为例进行抽丝剥茧、拨开迷雾，解密高考力学实验题的命题规律，期望能为大家的高考备考助一臂之力．一、依托实验考查运动学规律的应用例1（2015年高考·重庆物理卷）同学们利用如图1所示方法估测反应时间．首先，甲同学捏住直尺上端，使直尺保持竖直状态，直尺零刻度线位于乙同学的两指之间．当乙看见甲放开直尺时，立即用手指捏直尺，若捏住位置的刻度读数为x，则乙同学的反应时间为．（重力加速度为g）基于上述原理，某同学用直尺制作测量反应时间的工具，若测量范围为0～0.4s，则所用直尺的长度至少为cm（g取10m/s2）；若以相等时间间隔在该直尺的另一面标记出表示反应时间的刻度线，则每个时间间隔在直尺上对应的长度是的（选填“相等”或“不相等”）．解析：在人的反应时间内直尺做自由落体运动，有2210gtx，解得gxt2；反应时间最长为st4.0，需要直尺的长度为cm80m8.04.010212122gtx；自由落体运动从计时开始连续相等时间内的位移为1:3:5:7，故长度不相等．点评：本题是人教版“自由落体运动”一节“做一做”中测反应时间为背景设计的一道力学实验题，实际上这就是一道运动学问题，考查运用自由落体运动公式计算时间和位移．二、依托实验考查静力学规律的应用例2（2015年高考·四川理综卷）某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时，安装好实验装置，让刻度尺零刻度与弹簧上端平齐，在弹簧下端挂1个钩码，静止时弹簧长度为l1，如图2(a)所示，图2(b)是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺（最小分度是1毫米）上位置的放大图，示数l1＝cm．在弹簧下端分别挂2个、3个、4个、5个相同钩码，静止时弹簧长度分别是l2、l3、l4、l5．已知每个钩码质量是50g，挂2个钩码时，弹簧弹力F2＝N（当地重力加速度g＝9.8m/s2）．要得到弹簧伸长图12(b)量x，还需要测量的是．作出F-x曲线，得到弹力与弹簧伸长量的关系．解析：根据图2指针的指示可知，cm85.251l；以2个钩码整体为研究对象，根据物体的平衡条件有：N98.08.91050232mgF；因为弹簧的伸长（或缩短）量0llx，其中l为弹簧形变后的长度，0l为弹簧的原长，因此要得到弹簧的形变量x，还需要测量的是弹簧的原长．点评本题是以探究弹力与弹簧伸长的关系实验为背景设计的一道力学实验题，实际上这就是一道静力学问题，考查运用物体的平衡条件计算弹力．三、依托实验考查动力学规律的应用例3(2015年高考·新课标全国理综I卷)某物理小组的同学设计了一个粗测玩具小车通过凹形桥最低点的速度的实验，所用器材有：玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器（圆弧部分的半径为R=0.20m）．完成下列填空：(1)将凹形桥模拟器静置于托盘秤上，如图3（a）所示，托盘秤的示数为1.00kg;(2)将玩具小车放置在凹形桥模拟器最低点时，托盘秤示数如图3（b）所示，该示数为______kg．(3)将小车从凹形桥模拟器某一位置释放，小车经过最低点后滑向另一侧，此过程中托盘秤的最大示数为m，多次从同一位置释放小车，记录各次的m值如下表所示：序号12345m(kg)1.801.751.851.751.90(4)根据以上数据，可求出小车经过凹形桥最低点时对桥的压力为是_______N，玩具小车通过最低点时的速度大小为_______m/s，(重力加速度大小取9.80m/s2，计算结果保留2图3(a)(a)图2(b)3位有效数字)解析：(2)托盘秤的最小刻度值为0.1kg，读数应估读到最小刻度值的下一位，所以示数为1.40kg．(4)记录的托盘示数各次并不相同，而多次测量求平均值可以减少误差，即kg81.1490.175.185.175.180.1m而凹形桥模拟器的质量为：kg00.10m所以所以玩具小车经过凹形桥最低点时小车对桥的压力为：N9.70gmgmFN＝；根据牛顿第三定律，凹形桥对玩具小车的支持力为：N9.7＝＝NNFF玩具小车的质量为：kg40.0kg00.1kg40.1－m选玩具小车为研究对象，根据牛顿第二定律和向心力公式得：RmvmgFN2－，联立各式代入数据解得小车通过最低点的速度为：m/s4.1v．点评：本题是以人教版“生活中的圆周运动”一节中汽车过凹形桥的插图为背景设计的一道力学实验题，实际上这是一道动力学问题，考查运用牛顿运动定律和圆周运动知识相结合计算速度．四、依托实验考查功和能规律的应用例4（2013年高考·大纲全国理综卷）测量小物块Q与平板P之间的动摩擦因数的实验装置如图4所示．AB是半径足够大的、光滑的四分之一圆弧轨道，与水平固定放置的P板的上表面BC在B点相切，C点在水平地面的垂直投影为C．重力加速度为g．实验步骤如下：①用天平称出物块Q的质量m；②测量出轨道AB的半径R、BC的长度L和CC/的高度h；③将物块Q在A点由静止释放，在物块Q落地处标记其落地点D；④重复步骤③，共做10次；⑤将10个落地点用一个尽量小的圆围住，用米尺测量圆心到C的距离s．（1）用实验中的测量量表示：（ⅰ）物块Q到达B点时的动能BkE＝；图44（ⅱ）物块Q到达C点时的动能CkE＝；（ⅲ）在物块Q从B运动到C的过程中，物块Q克服摩擦力做的功fW＝；（ⅳ）物块Q与平板P之间的动摩擦因数μ＝．（2）回答下列问题：（ⅰ）实验步骤④⑤的目的是．（ii）已知实验测得的μ值比实际值偏大，其原因除了实验中测量量的误差之外，其它的可能是（写出一个可能的原因即可）解析:（1）根据机械能守恒定律，物块Q到达B点时的动能为：mgREkB；由平抛运动规律，可得：vts，221gth解得物块从C点抛出时的速度为：thgsv2物块Q到达C点时的动能为：hmgsmvEkC42122＝；物块Q从B点运动到C点过程中克服摩擦力做的功为fW，根据动能定理，摩擦力对物块Q做的功为：mgRhmgsEEWkkf42BC＝－解得：hmgsmgRWf42－；又根据物块Q克服摩擦力做的功为：mgLWf解得物块Q与平板P之间的动摩擦因数为：hLsLR42－＝．（2）实验步骤④⑤的目的是通过多次实验减小实验结果的误差．实验测得的μ值比实际值偏大，其原因除了实验中测量量的误差之外，其它的可能是圆弧轨道存在摩擦、接缝B处不平滑等．点评：本题是以机械能守恒定律实验和平抛运动实验相结合设计的一道力学实验题，实际上这就是一道功和能的问题，考查运用机械能守恒定律和动能定理相结合计算动摩擦因数．综上所述，近年来高考力学实验题命题规律都是考查学生的运用力学知识解决问题的能力，所以只要我们能在理解实验原理的基础上挖掘出实验中考查的力学规律，高考力学实验题便可迎刃而解．