新课标2010高考物理二轮复习：专题九《实验（力学、热学、光学部分）》

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【专题九】实验（力学、热学、光学部分）
【考情分析】
物理学是一门以实验为基础的实验性科学，实验在其中处于十分重要的位置，物理实验所处的基础地位有不可替代的作用。物理实验是物理教学的一个重要组成部分，又是物理教学的基础，因而实验能力在高考中占有重要的地位，一直是高考考查的重要内容。高考对实验考查的要求：能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会正确使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论，会处理实验安全问题，并能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题。
高考物理实验试题也非常重视对基本实验仪器的考查，注重实验操作过程的考查，重视对重要的演示实验的考查。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、电火花计时器或电磁打点计点器、弹簧测力计、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等。要求了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；要求知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果．
【知识交汇】
1.考试大纲规定的学生实验包括：长度的测量，研究匀变速直线运动，探究弹力和弹簧伸长的关系，验证力的平行四边形定则，验收动量守恒定律，研究平抛物体的运动，验证机械能守恒定律，用单摆测定重力加速度，用油膜法估测分子的大小，测定玻璃的折射率，用双缝干涉测光的波长.
2. 螺旋测微器读数时，先读取固定部分，这里关键是半刻线，然后读可动部分，此时必须在最小刻度后再估读一位，再把两部分读数相加，即得测量值。而游标卡尺读数时先从主尺上读出与游尺0刻线对应的长度，注意此处不估读，然后看游尺的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，则游尺部分的长度即是几十（游尺分度数）分之几毫米，同样二者相加.
3. 研究匀变速直线运动时，利用打出的纸带可以求被测物体在任一计数点对应时刻的瞬时速度v，且等于以该点为中央时刻的一段运动中的平均速度.加速度则通过“逐差法”计算，如从纸带上得到6个相邻相等时间内的位移时，则.
4．研究平抛物体的运动的实验原理：用一定的方法描出平抛小球在空中的轨迹曲线，再根据轨迹上某些点的位置坐标，由h=求出t，再由x=v0t求v0，并求v0的平均值。注意：①固定白纸的木板要竖直；②斜槽未端的切线水平，在白纸上准确记下槽口位置；③小球每次从槽上同一位置由静止滑下。
5．验证动量守恒定律时，为保证到斜槽末端时有相同的速度，每次入射小球都应该从斜槽轨道的同一位置开始自由下滑；为保证碰撞后两小球都向前运动，必须以质量较大的小球作为入射小球；而小球落地点的平均位置要用圆规来确定，即用尽可能小的圆把所有落点都圈在里面，圆心就是落点的平均位置。
6.验证机械能守恒定律的原理：物体做自由落体运动，则mgh=；实验器材包括：打点计时器，纸带，重锤，米尺，铁架台，烧瓶夹、低压交流电源、导线。本实验由于不必测重锤的质量，故不需要天平.
实验中打点计时器应该竖直固定在铁架台上，必须先合上电源，再松开纸带；且在手释放纸带的瞬间，打点计时器刚好打下一个点子，纸带上最初两点间的距离约为2毫米。由于重锤克服阻力作功，所以动能增加量略小于重力势能减少量，实验为减小误差，重锤应适当大一些。
7．用单摆测定重力加速度时，摆长应该是摆线长和摆球半径半径之和；为保证做简谐运动，而不使摆动成为圆锥摆，开始摆动时摆角要小于10 ；同时从摆球通过最低点时开始计时，测出单摆做多次全振动所用的时间，算出周期的平均值进行计算。
8．用油膜法估测分子的大小
①实验前应预先计算出每滴油酸溶液中纯油酸的实际体积：先了解配好的油酸溶液的浓度，再用量筒和滴管测出每滴溶液的体积，由此算出每滴溶液中纯油酸的体积V。
②油膜面积的测量：油膜形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，将油膜的形状用彩笔画在玻璃板上；将玻璃板放在坐标纸上，以1cm边长的正方形为单位，用四舍五入的方法数出油膜面积的数值S（以cm2为单位）。
③由d=V/S估算出油膜的厚度，即分子直径的大小。
9．测定玻璃的折射率：在确定光路时，两枚大头针不宜插得太近；插大头针要垂直纸面；入射角一般300—600之间；玻璃砖两个界面不平行，不影响实验测定。数据的处理根据折射定律进行，同时保证折射率。
【思想方法】
【例1】实验室中有下列几个长度测量仪器：①最小刻度为毫米的刻度尺、②10分度游标卡尺、③20分度游标卡尺、④50分度游标卡尺、⑤螺旋测微器。一个同学用其中一种仪器测量某工件的长度为6.328cm，则他所使用的仪器为 （填仪器序号）.
【解析】显然6.328cm=63.28mm，此时我们可以用试探法：最小刻度为毫米的刻度尺和10分度的卡尺只能估读到0.1mm数量级，而螺旋测微器需估读到0.001 mm数量级，则这三者都不是。而20个等分刻度的卡尺其准确度为0.05mm，即在百分毫米位上只会出现“0”和“5”，故该尺也不是。但对于50分度的卡尺，其准确度为0.02 mm，所以在其最末一位只会出现偶数，故此题只能为④。
【例2】在《验证力的平行四边行定则》的实验中，提供的器材有：方木板、白纸、弹簧秤一个、橡皮盘、细绳两条、三角板、刻度尺、图钉（几个）下面是主要实验步骤：
①在桌上平放一方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上.
②用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳另一端系着绳套B、C.
③ ____________________
④_____________
⑤______________________
⑥按照一定的标度作出两个力F1和F2的图示. 用平行四边行定则求出合力F.
⑦用弹簧秤，通过细绳把橡皮条的结点拉到同一结点位置O，读出弹簧的示数F′，记下细绳的方向，
⑧比较力F′与用平行四边形定则求得的合力F的大小和方向，看它们是否相等.
⑨改变两个分力的大小和夹角，再做两次实验，得出的结论是 ____________ .
以上步骤中有的没有写全，请将不全的地方加以补充.
【解析】本实验中一般提供两个弹簧秤，分别向不同的方向拉动，只要使得橡皮条的结点拉到原来的同一位置即可。由于此处仅仅提供一个弹簧秤，而拉力大小又必须测出，故我们可以分别测量拉力，再作力的图示，故有如下答案：
③用弹簧秤勾住绳套B，用手拉住绳套C，互成角度地拉橡胶条，使橡皮条伸长，让结点到达某一位置O.
④用铅笔记下O点位置和两条细绳的方向，读出弹簧秤的读数F1 .
⑤用弹簧秤钩住绳套C，用手拉住绳套B，沿已记录的两细绳的方向拉橡皮条，仍使结点达到同样位置O，读出弹簧秤的示数F2 .
⑦用同一标度作出这个力F′的图示。
⑨在误差允许范围内，F′与F大小相等，方向相同.
【例3】某同学利用闪光照相研究物体的平抛运动，他拍摄了小球沿水平桌面运动并抛出的闪光照片，如图所示。若图中每一正方形小格的边长均表示5.0cm。根据图中的记录，可计算出小球做平抛运动的初速度大小为 m/s，小球通过c点时的速度大小为 m/s。（取g＝10m/s2）
【解析】平抛运动的基本特点是在水平方向匀速运动，而在竖直方向是自由落体运动，这一点是人人皆知的。则由照片可知，小球依次通过各点所需要的时间是相等的，根据匀变速运动的基本规律有，在相邻的相等的时间间隔内，物体通过的位移差相等。即
，则
故小球做平抛运动的初速度；
由于小球通过c点时经历的时间为，则此时速度大小为.
【例4】某学生用打点计时器研究小车的匀变速直线运动。他将打点计时器接到频率为50Hz的交流电源上，实验时得到一条纸带。他在纸带上便于测量的地方选取第一个计时点，在这个点下标明A，第六个点下标明B，第十一个点下标明C，第十六个点下标明D，第二十一个点下标明E。测量时发现B点已模糊不清，于是他测得AC长为14.56cm、CD长为11.15cm，DE长为13.73cm，则打C点时小车的瞬时速度大小为_____ _m/s，小车运动的加速度大小为_____ ___m/s2，AB的距离应为_ ______cm。（保留三位有效数字）
【解析】根据题意，相邻计时点之间的时间间隔为0.1s，则打C点时小车的瞬时速度即是AE中的平均速度，故有；
由“逐差法”容易求得小车运动 ；
又因为，且，故AB的距离应为AB=5.99cm
【例5】在“利用单摆测重力加速度”的实验中：
①测得单摆的摆角较小，完成b次全振动的时间为t．用毫米刻度尺测得摆线长为L，用螺旋测微器测得摆球的直径为d．用上述物理量的符号写出重力加速度表达式；
②一组同学在实验中测出多组摆长和运动的周期，根据实验数据，作出T2—L的关系图象如图所示，该同学在实验中出现的错误可能是计算摆长时 （选填“漏加”或“多加”）了小球的半径。
③虽然实验中出现了错误，但根据图象中的数据，仍可算出准确的重力加速度，其值为 rn／s2（最后结果保留三位有效数字）．
【解析】 该实验的原理是，由题意有，，故
在正常情况下，由于，则，即作出T2—L的关系图象应该是过原点的倾斜的直线，而目前因为在横轴上出现了截距，这说明摆长L变大了，其错误可能是计算摆长时多加了小球的半径。
虽然实验中出现了如上的错误，但由于图象准确反映了斜率，则根据图象中的数据，仍可算出准确的重力加速度，由图象容易求得斜率，故，得.
【例6】在探究加速度与力、质量的关系实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点计算出。
①当M与m的大小关系满足 时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘中砝码的重力。
②在验证牛顿第二定律关于作用力一定时，加速度与质量成反比的实验中，以下做法错误的是：
A．平衡摩擦力时，应将装砂的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上
B．每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力
C．实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源
D．求小车加速度时，可用天平测出装砂小桶(或砝码)质量时以及小车的质量M， 直接用公式a=g求出．
③一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据。为了比较容易地检查出加速度a与质量M的关系，应该做a与 的图象。
④在保持小车及车中的砝码质量M一定时，探究加速度与所受合力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，两位同学得到的a-F关系分别如图甲、乙所示。其原因分别是
⑤实验中，得到以下数据：物体质量不变时，加速度a与物体所受合力F的对应数据如表1；物体所受合力不 变时，加速度a和物体质量的倒数的对应数据如表2。
表1 表2
a(m．s-2) 1.0 2.0 4.0 6.0 8.1
F（N） 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0
a(m．s-2) 1.0 2.0 2.7 3.0 4.0
(kg-1) 0.25 0.50 0.69 0.80 1.0
（1）分别画出a ~F图象和a ~图象。
（2）由a ~F图象得到的结论是 ；
由a ~图象得到的结论是
【解析】①通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，当M和m做加速运动时，可以得到a=，则
故当M 》m时，可近似认为小车所受的拉力T等于mg.
②平衡摩擦力时，不应将装砂的小桶(或盘)及通过定滑轮连在小车上，而是在木板后垫上适当厚度的薄片，无需每次都平衡摩擦力．C中应先接打点计时器电源再放开小车，故C错．D加速度只能从纸带提供的数据通过计算得出，则D错．故正确答案为ACD.
③为了比较容易地检查出加速度a与质量M的关系，应该做a与1/M的图象。
④由甲图知，当加一定的拉力后，还没产生加速度，说明有较大的摩擦力影响，说明还没有平衡摩擦力或者平衡力不够．由图乙知，没加拉力就产生了加速度，说明导轨的有定滑轮的一端低，另一端高，导轨与水平面的夹角太大．
⑤利用描点法得到两个图象如图所示，由此可有如下结论：物体的加速度与物体所受的合力成正比；物体的加速度与物体的质量成反比.
【例7】在用“油膜法估测分子大小”的实验中，所用油酸酒精的浓度为每104mL溶液中有纯油酸6mL，用注射器测得1mL上述溶液为75滴．把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用笔在玻璃板上描出油酸的轮廓形状，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状和尺寸如图所示，坐标中正方形方格的边长为1cm．试求：
（1）油酸膜的面积是__________cm2．
（2）每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是______mL．（取1位有效数字）
（3）按以上实验数据估测出油酸分子直径为___________m．（取1位有效数字）
【解析】用油膜法估测分子大小的实验的关键在于油膜面积的确定，由于边缘凹凸我们可以采取四舍五入的方法进行，这样可以求得方格的数目115，则油酸膜的面积是115cm2．　
每滴油酸酒精的体积为，则每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是=8×10－6 　　
此时的油膜可以认为是单分子油层，则分子直径.
【例8】在测定玻璃折射率的实验中，（1）某同学做实验插针的步骤如下：（A）在表示入射光线的AO上插上大头针P1和；（B）通过玻璃砖观察和，调整视线，直到的像被的像挡住；（C）在观察一侧插上大头针和，并记下和的位置。这位同学在操作中有什么重要疏漏？
答：
（2）以通过P1P2的直线与玻璃砖的交点O为圆心，以某一适当的长度为半径画圆。与OA交于P，与的延长线交于Q，从P和Q分别做过O点的法线的垂线，垂足分别为和，如图所示，用刻度尺量得=45mm，=30mm，则玻璃砖的折射率为 。
【解析】（1）本实验插针时应使挡住、的像，挡住及、的像，这是本实验中必须注意的问题。
（2）为求得玻璃砖的折射率，仍然要从折射定律入手，但由于本题中入射角和折射角并没有明确地给出，故需间接处理。
因为，，而，故=1.5。
【例9】用双缝干涉测光的波长。实验装置如图（甲）所示，已知单缝与双缝间的距离L1=100mm，双缝与屏的距离L2=700mm，双缝间距d=0.25mm。用测量头来测量亮纹中心的距离。测量头由分划板、目镜、手轮等构成，转动手轮，使分划板左右移动，让分划板的中心刻线对准亮纹的中心（如图（乙）所示），记下此时手轮上的读数，转动测量头，使分划板中心刻线对准另一条亮纹的中心，记下此时手轮上的读数。
（1）分划板的中心刻线分别对准第1条和第4条亮纹的中心时，手轮上的读数如图（丙）所示，则对准第1条时读数x1=_______mm、对准第4条时读数x2=_______mm
（2）写出计算波长λ的表达式，λ=_________（用符号表示），λ=_____nm
【解析】（1）本题首先要准确手读出手轮上的读数，答案分别是2.190 mm，7.868 mm；
（2）根据公式，以及，容易得到波长计算式=，代入数值解得=676nm
【专题演练】
1. 如图所示，在用横截面为椭圆形的墨水瓶演示坚硬物体微小弹性形变的演示实验中，能观察到的现象是 （ ）
A．沿椭圆长轴方向压瓶壁，管中水面上升；沿椭圆短轴方向压瓶壁，管中水面下降
B．沿椭圆长轴方向压瓶壁，管中水面下降；沿椭圆短轴方向压瓶壁，管中水面上升
C．沿椭圆长轴或短轴方向压瓶壁，管中水面均上升
D．沿椭圆长轴或短轴方向压瓶壁，管中水面均下降
2．甲、乙、丙三位同学在使用不同的游标卡尺测量同一物体的长度时，测量的结果分别如下：
甲同学：使用游标为50分度的卡尺，读数为12.045cm
乙同学：使用游标为10分度的卡尺，读数为12.04cm
丙同学：使用游标为20分度的卡尺，读数为12.045cm
从这些数据中可以看出读数肯定有错误的是____________同学．
3．某同学做《探究弹力和弹簧伸长的关系》实验。他先测出不挂砝码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，然后在弹簧下端挂上砝码，并逐个增加砝码，测出指针所指的标尺刻度，将所测得的数据已在坐标纸上标，出如图所示。
（1）根据所描的点，在坐标纸上作出弹簧指针所指的标尺刻度与砝码重量的关系曲线．
（3）弹簧的原长是 m。
（2）根据曲线求出该弹簧的劲度系数为 N/m。
4.现要测定一根尼龙丝线承受的最大拉力F，手头只有一个质量为m的砝码（已知F＞mg）和一个米尺．请回答：
（1）画出实验方案的示意图；
（2）其中需测量的物理量是__________；
（3）尼龙丝线承受的最大拉力F的表达式是_________．
5．在城镇管网建设中，我们常能看到如图所示粗大的内壁比较光滑的水泥圆管，某同学想要测量圆管的内半径，但身上只有几颗玻璃弹珠和一块手表，于是他设计一个实验来进行测量，主要步骤及需要测出的量如下： ①把一个弹珠从一个较低的位置由静止释放；②当它第一次经过最低点时开始计时并计作第1次，然后每次经过最低点计一次数，当计下次时用时为t。 由以上数据可求得圆管内半径为
6.某同学在做"利用单摆测重力加速度"实验中，先测得摆线长为97.50cm，摆球直径为2.0cm，然后用秒表记录了单摆振动50次所用的时间（如图），则：
①该摆摆长为 cm，秒表所示读数为 秒。
②（单选题）如果分测得的g值偏小，可能的原因是：（）
A．测摆线长时摆线拉得过紧。
B．摆线上端未牢固地系于悬点，振动中出现松动，使摆线长度增加了。
C．开始计时时，秒表过迟按下。
D．实验中误将49次全振动数为50次
③为了提高实验精度，在实验中可改变几次摆长l，并测出相应的周期T，从而得出一组对应的l与T的数据，再以l为横座标，T2为纵座标将所得数据连成直线，并求得该直线的斜率为K。则重力加速度g= 。（用K表示）
7.某同学用图所示“验证机械能守恒定律”的装置进行实验，得到如图所示的纸带．测出点A、C间的距离为14.77cm，点C、E间的距离为16.33cm，已知当地重力加速度为9.8m/s2，重锤的质量为m=1.0kg，则垂锤在下落过程中受到的平均阻力大小Ff =_____________
②某同学上交的实验报告显示重锤的动能略大于重锤的势能，则出现这一问题的原因可能是_______（填序号）．
? A．重锤的质量测量错误 ?B．该同学自编了实验数据
? C．交流电源的频率不等于50Hz? D．重锤下落时受到的阻力过大
8．在“用油膜法估测分子的大小”的实验中：
(1)关于油膜面积的测量方法，下列做法正确的是
A.油酸酒精溶液滴入水中后，应让油膜尽可能地散开.再用刻度尺去量油膜的面积
B.油酸酒精溶液滴入水中后，应让油膜尽可能地散开，再用刻度尺去量油膜的面积
C.油酸酒精溶液滴入水中后，应立即将油膜的轮廓画在玻璃板上，再利用坐标纸去计算油膜的面积
D.油酸酒精溶液滴入水中后，应让油膜尽可能地散开，再把油膜的轮廓画在玻璃板上，然后用坐标纸去计算油膜的面积
(2)实验中，将1 cm3的油酸溶于酒精，制成200 cm3的油酸酒精溶液，又测得1cm3的油酸酒精溶液有50滴，现将1滴溶液滴到水面上，水面上形成0.2m2的单分子薄层，由此可估算油酸分子的直径d＝ m.
9.如图所示，气垫导轨是常用的一种实验仪器．它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦．我们可以用带竖直挡板C、D的气垫导轨以及滑块A、B来验证动量守恒定律，实验装置如图所示（弹簧的长度忽略不计），采用的实验步骤如下：
(a)用天平分别测出滑块A、B的质量、.
(b)调整气垫导轨，使导轨处于水平．
(c)在滑块A、滑块B间放入一个被压缩的轻弹簧，用电动卡销锁定，静止放置在气垫导轨上．
(d)用刻度尺测出滑块A的左端至板C的距离L1.
(e)按下电钮放开卡销，同时使分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作．当滑块A、B分别碰撞挡板C、D时停止计时，计下滑块A、B分别到达挡板C、D的运动时间t1和t2。
(1)实验中还应测量的物理量是 。
(2)利用上述测量的实验数据，验证动量守恒定律的表达式是 ，由此公式算得的A、B两滑块的动量大小并不完全相等，产生误差的原因是 。
(3)利用上述实验数据能否测出被压缩弹簧的弹性势能的大小？如能，请写出表达式．
10.如图所示，在测玻璃砖的折射率的实验中，多处测得入射角及入射点和出射点处法线间距a，将数据在～坐标系中绘制出相应图像，通过图像，写出计算玻璃砖折射率n的表达方式。
11.如图所示是定量研究光电效应的实验电路图，则
A.如果灵敏电流表读数为零，可能是因为入射光频率过低
B.如果把电源反接，电流表示数肯定为零
C.如果断开电键S，电流表示数一定为零
D.如果电压表示数一直增大，电流表示数肯定也一直增大
【参考答案】
1.B.通过面积的变化进行解答.
2．甲 50分度的游标卡尺的精度为mm=0.02mm，因此，读数的最后一位数字应是“2”的整数倍或“0”．
3.答案：关系曲线如答图；弹簧的原长是0.15m；劲度系数为25～26 N/m
4.（1）实验方案的示意图如图所示．（2）需要测量的量是：尼龙丝的长L和刚好拉断时两悬点间的距离l．（3）尼龙丝能承受的最大拉力的表达式是.
5.由于，则弹珠做简谐运动的周期为，又，
故有.
6.答案：98.5，99.8，B，。
7.答案：①0.05N；②BC.
8.（1）D，(2)5.0×10-10（或5×10-10）
9.答案：(l)B的右端至D板的距离
(2) 测量时间、距离等存在误差，由于阻力、气垫导轨不水平等造成误差．
(3)能，
10.【解析】 设光线由空气进入玻璃的折射角为，则根据折射定律，
由几何关系得=
由以上二式消去，得，即
所以作出～的图线其斜率k=，因此n=
11. A.www.
E
D
C
B
A
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