本章复习与测试优质课教案内容

力学实验与探究教学设计

无极中学 赵志芬

一、教材分析

本节课复习高中阶段需掌握的力学实验。高考除了对教材中原有的学生实验，演示实验进行考查外，还考查学生利用所学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，来完成新的实验设计，设计型实验将逐步取代对教材中原有的单纯学生实验的考查。

力学实验主要有:1、研究匀变速直线运动的规律2、探究弹力和弹簧伸长量的关系3、验证力的平行四边形定则4验证牛顿第二定律5、探究做功和物体速度变化的关系6、探究平抛运动规律7、验证机械能守恒定律

二、应考策略

1、强调基本技能,熟知各种器材的特性；重视实验原理，巧妙变换拓展。源于课本而不拘泥于课本一直是高考命题理念所倡导的，所以熟悉课本实验、抓住实验的灵魂——重。

2、提倡分析讨论，讲究实验的品质。像近年高考中的数据处理，误差分析、改良方案，甚至开放性实验等与课标的一标多本思路是交汇的。

3、知识创新型实验。例如设计型、开放型、探讨型实验等都有不同程度的创新，其中力学设计性实验在近年高考中有加强的趋势,应引起高度重视。

三、三维教学目标

掌握实验原理，理解实验过程，会分析处理实验数据，知道如何减小实验误差，能够根据实验目的进行实验创新。

四、教学重点：掌握基本器材及实验原理

教学难点：实验创新

五、热点实验例析

（一）基本器材

1.打点计时器

打点计时器有两种，使用时注意以下几点：

(1)打点计时器使用的电源是-----电源，电磁打点计时器电压是------，电火花打点计时器电压是------。

(2)使用打点计时器，应先_______，待打点计时器稳定后再释放小车，放开纸带。

(3)实验室使用我国民用电时，电磁打点计时器每隔_____s打一次点，如果每5个计时点取一个计数点，即相邻两个计数点间的时间间隔为____s。当电源频率低于50 Hz时，若仍按照50 Hz计算，则测出的速度值将比真实值偏____(填“大”或“小”)。

2.游标卡尺读数方法

游标尺

精确度

游标尺上第n条刻度线

(mm) 刻度

刻度总长格数

度(mm) 每小格与1 mm相差(mm) 与主尺上的某刻度线对齐时游标卡尺的读数(mm) 主尺上读的毫米数＋10 9 0.1 0.1 0.1n

主尺上读的毫米数＋20 19 0.05 0.05 0.05n

主尺上读的毫米数＋50 49 0.02 0.02 0.02n

注意：

(1)所用游标卡尺的精确度。

(2)游标卡尺不需要估读。

(3)读数时主尺和游标尺所用单位要统一，都用mm，最后根据题目要求转换单位；

深化练习

1.图甲中游标卡尺为50分度游标卡尺，图乙为20分度游标卡尺，图丙为10分度游标卡尺，它们的读数分别为：__________；__________；_________。

3.螺旋测微器读数方法

测量值＝固定刻度值(注意半毫米刻度线是否露出)＋精确度×可动刻度上与固定刻度水平线所对的刻度值(注意刻度值要估读一位)。精确度为0.01 mm。

注意：(1)螺旋测微器读数以“mm”为单位时，小数点后面一定有三位数字。

(2)螺旋测微器需要估读，读数时要估读到0.001 mm。

深化练习：

2.读出下面各螺旋测微器的读数，图甲：________ mm，图乙：_______mm。

（二）基本实验

1、研究匀变速直线运动

（1）判断物体运动状态的方法

沿直线运动的物体在连续相等时间内的位移分别为x1，x2，x3，…，若在误差允许的范围内，Δx＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…，则说明物体做匀变速直线运动。

2.计数点速度的计算方法

x4＋x5如图所示，vD＝。

2T

3.测定匀变速直线运动加速度的方法

(1)逐差法测定加速度：

（x4＋x5＋x6）－（x1＋x2＋x3）a＝。

29T

(2)若纸带上给出的相邻相等时间内的位移共有奇数段，一般去掉中间的一段。

一、实验原理和实验步骤

【例1】 (2015·新课标全国Ⅱ，22，6分)某同学用图(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数。已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示，图中标出了五个连续点之间的距离。

(1)

物块下滑时的加速度a＝ m/s2，打C点时物块的速度v＝ m/s；

(2)已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是 。(填正确答案标号。) A.物块的质量 B.斜面的高度 C.斜面的倾角

二、数据处理和误差分析

【例2】

某同学利用图甲所示的实验装置探究物块在水平桌面上的运动规律。物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)。从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示。打点计时器电源的频率为50 Hz。

①通过分析纸带数据，可判断物块在相邻计数点 和 之间某时刻开始减速。

②计数点5对应的速度大小为 m/s。(保留三位有效数字) ③物块减速运动过程中加速度的大小为a＝ m/s2，若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数(g为重力加速度)，则计算结果比动摩擦因数的真实值 (填“偏大”或“偏小”)

ag

2、探究弹力和弹簧伸长的关系

【解题方略】

（1）弹簧下端悬挂钩码时会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等，本实验通过计算钩码的重力来测量弹力。

（2）将弹簧一端挂在铁架台上，让其自然下垂，用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0，即原长，此时的l0实际上是弹簧不受拉力时的长度，已经包含了由于弹簧自身重力而带来的伸长。

（3）挂上钩码后，测出对应的弹簧的长度l，则l－l0就是此钩码带来的弹簧的伸长量。

（4）弹簧下端增加钩码时，不要超过弹簧的弹性限度。

一、实验步骤及数据处理

【例1】 [2015福建理综·19(1)，6分]某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验。

①图甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.73 cm；图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度，此时弹簧的伸长量Δl为 cm；

②本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是 ；

(填选项前的字母) A.逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重

B.随意增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重

③图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线OA，造成这种现象的主要原因是 。

3、验证力的平行四边形定则

【解题方略】

（1）本实验采用的方法是等效替代法，即一个力产生的效果与两个力共同产生的效果相同。

（2）用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置O，需要记录：两弹簧测力计的读

数、O点的位置、两细绳套的方向。

（3）只用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮绳，使结点到达同一位置O，记录：弹簧测力计的读数、细绳套的方向。

（4）根据平行四边形定则作出的F1和F2的合力一般不沿橡皮条的方向，但用一个弹簧测力计拉时，拉力的方向一定沿橡皮条的方向。

（5）本实验的误差来源很多，主要误差是读数误差和作图误差，减小误差的方法：

(a)减小读数误差的方法：选择相同的弹簧测力计并调整好零刻度；在弹簧测力计允许的情况下，数据尽量大一些，读数时眼睛一定要正视，要正确读数和记录。

(b)减小作图误差的方法：作图时两力的对边一定平行。两个分力F1、F2间的夹角越大，用平行四边形作出的合力F的误差就越大，所以实验时不要把F1、F2间的夹角取得太大，一般在60°～100°为宜。

一、实验原理和操作步骤

【例1】

某同学为了“验证力的平行四边形定则”，设计了如图甲所示的实验。①将橡皮条的一端固定，另一端用两个弹簧测力计将橡皮条与细绳套的结点拉到某一位置，记录该位置为O；②只用一个弹簧测力计拉橡皮条。回答下列问题：

(1)在实验的过程中，下列说法正确的是 。

A.由以上操作可知橡皮条的拉力为合力，两弹簧测力计的拉力为分力

B.在两次操作的过程中需将橡皮条与细绳套的结点拉到同一位置O C.第一次操作应保持两弹簧测力计的夹角越大越好

D.在实验时应始终保持弹簧测力计与薄木板面相互平行

E.在读数时可以从任意角度观察弹簧测力计的刻度线

(2)根据测量的数据作出第一次操作和第二次操作的力的图示，由平行四边形定则画出第一次操作时两弹簧测力计的拉力的合力F，第二次操作时弹簧测力计的拉力记为F′，如图乙所示，则其中与橡皮条在一条直线上的是 。

4、验证牛顿运动定律

解题方略

（1）质量为m的小车，在水平木板上运动时，受重力mg、弹力FN、绳的拉力T和阻力f，其中f包括小车与板间以及纸带与限位孔间的摩擦，由于阻力无法求出，本实验采用了平衡摩擦力的方法。

（2）平衡摩擦力是使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受到的摩擦阻力。在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着纸带运动。平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量，还是改变小车和砝码的总质量，都不需重新平衡摩擦力。

（3）每条纸带必须在满足小车的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出。只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为与小车受的拉力大小相等。

（4）处理数据时采用图象法。小车质量不变时，画出加速度a与合1外力F的关系图象；合外力一定时，画出加速度a与的关系图象。

m（5）误差分析：

(a)平衡摩擦力后，绳子的拉力应该等于小车受到的合力，而实验中把所挂物体的重力m′g当作小车受到的合力，实际上，重力拉着物体和小车一起匀加速运动，m′g＝(m＋m′)a，而T＝ma，联mm′gm′g立解得T＝＝，绳子的拉力T＜m′g，只有当m′m＋m′m′1＋m≪m时，T≈m′g。本实验存在系统误差，m′比m小得越多，误差越小。

(b)要想消除系统误差，实验中可以选小车和物体整体为研究对象，则物体的重力m′g等于整体受到的合力。

三、实验创新设计

【例1】

“用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图(a)所示，通过改变悬挂的重物，多次测量，可得小车运动的加速度a和所受拉力F的关系图象。他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图(b)所示。

(1)图线 是在轨道左侧抬高成为斜面情况下得到的(选填“①”或“②”) (2)由图(b)可知滑块和位移传感器发射部分的总质量M＝ kg；滑块和轨道间的动摩擦因数μ＝ 。(g取10 m/s2) (3)王铭同学做实验时，下列说法正确的是 A.重物质量应远小于滑块和位移传感器发射部分的总质量M B.重物的质量可以不必远小于滑块和位移传感器发射部分的总质量M C.力传感器的拉力大小等于重物的重力大小

5、探究动能定理

【解题方略】

1.实验中通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍的增加，力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体值。

2.测小车速度时，应选纸带上点迹均匀的部分，也就是选小车做匀速直线运动时打在纸带上的点。

3.探究弹力做功与速度变化的关系时，根据实验数据，不好直接得出功与速度变化的函数关系，为了直观、更容易得出实验结论，采用图象法，即首先画W－v图象、再画W－v2图象、W－v3图象，看哪一个图象是直线。

二、实验操作与误差分析

【例2】 (2016·四川广安、眉山、遂宁三市一诊)某兴趣小组利用如图所示的装置来“探究合外力的功与物体动能变化的关系”。他们

通过改变光电门的位置和悬挂物的质量进行多次实验，采集多组数据。已知将此装置平衡摩擦力后，小车总是由同一位置自由释放，小车上方固定一宽度为d的挡光板。

①下列关于操作中的说法，正确的是 。

A.调整轨道的倾角至合适位置的标志是：悬挂物连带小车在轨道上匀速运动

B.实验时，使悬挂物的质量远小于小车的质量，就可以近似认为悬挂物的重力等于小车所受拉力

C.实验时，务必先接通光电门，待其正常工作后，再释放小车

D.多次实验时，一定要让小车由静止释放

②本小组同学在实验中有不同操作和数据处理方式，你认为合理的说法是 。

A.甲同学把小车的末速度(v)作为横坐标，拉力对小车做的功(W)作为纵坐标，人为画出该图线后再分析得出结论

B.乙同学保持悬挂物的质量不变,以小车的位移(x)作为纵坐标，以小车的末速度的平方(v2)作为横坐标,人为作出图线后能得出结论

C.丙同学保持小车的位移不变,以悬挂物的质量(m′)为纵坐标，以小1车的末速度的倒数()作为横坐标,人为作出图线后能得出结论

vD.丁同学保持小车的位移不变，以悬挂物的质量(m′)为纵坐标，以1小车和悬挂物的获得的总动能[(m＋m′)v2]作为横坐标，人为作出2图线后能得出结论

③戊同学对实验数据进行分析。他把小车和悬挂物作为研究对象，悬挂物的重力作为合力，计算出的结果始终是：悬挂物重力做的功小于小车和悬挂物整体动能的增量，即没能得到“合力对物体做的功等于物体动能的增量”，你认为导致此结果的主要原因是

小结：

一、三种重要仪器

二、典型实验的注意事项

三、重要思维 确定物理表达式

作业

实验的创新设计

为测定木块与桌面之间的动摩擦因数，小亮设计了如图所示的装置进行实验。实验中，当木块A位于水平桌面上的O点时，重物B刚

好接触地面。将A拉到P点，待B稳定后静止释放，A最终滑到Q点。分别测量OP、OQ的长度h和s。改变h，重复上述实验，分别记录几组实验数据。

(1)实验开始时，发现A释放后会撞到滑轮。请提出两个解决方法。

(2)请根据下表的实验数据作出s－h关系的图象。

h/cm s/cm

20.0 19.5 30.0 28.5 40.0 39.0 50.0 48.0 60.0 56.5

(3)实验测得A、B的质量分别为m＝0.40 kg、M＝0.50 kg。根据s－h图象可计算出A木块与桌面间的动摩擦因数μ＝ 。(结果保留一位有效数字) (4)实验中，滑轮轴的摩擦会导致μ的测量结果 (填“偏大”或“偏小”)。

1(3)在B下落至刚要落地时，据动能定理有Mgh－μmgh＝(M＋m)v2，21在B落地后，A运动到Q，据动能定理有－μmgs＝0－mv2，解得μ2Mh5h＝。将M＝0.50 kg，m＝0.40 kg代入，得μ＝（M＋m）s＋mh9s＋4h＝s9×＋45s，从s－h图象得斜率k＝0.93，即＝0.93，代入上式得hhμ＝0.4。

(4)滑轮轴的摩擦会导致s偏小，从而使μ的测量结果偏大。

答案

(1)减小B的质量；增加细线的长度(或增大A的质量；降低B的起始高度) 课后反思：在掌握基本知识和技能的基础上，尽可能多引导学生总结经验，加强创新能力的培养。

板书设计

一、三种重要仪器

二、典型实验的注意事项

三、重要思维 确定物理表达式