物理大九 實驗技能與創(chuàng)新 第1講 力學實驗與創(chuàng)新

第1講力學實驗與創(chuàng)新專題九實驗技能與創(chuàng)新高考題型2“紙帶類”實驗高考題型3力學創(chuàng)新實驗高考題型1橡皮條、彈簧、碰撞類實驗高考題精選精練橡皮條、彈簧、碰撞類實驗高考題型1例例1(2017四川成都市第一次診斷)將兩根自然長度相同、勁度系數不同、粗細也不同的彈簧套在一起，看作一根新彈簧，設原粗彈簧(記為A)勁度系數為k1，原細彈簧(記為B)勁度系數為k2、套成的新彈簧(記為C)勁度系數為k3.關于k1、k2、k3的大小關系，同學們做出了如下猜想：甲同學：和電阻并聯相似，可能是乙同學：和電阻串聯相似，可能是k3k1k2丙同學：可能是k3(1)為了驗證猜想，同學們設計了相應的實驗(裝置如圖1).圖1(2)簡要實驗步驟如下，請完成相應填空.a.將彈簧A懸掛在鐵架臺上，用刻度尺測量彈簧A的自然長度L0；b.在彈簧A的下端掛上鉤碼，記下鉤碼的個數n、每個鉤碼的質量m和當 地的重力加速度大小g，并用刻度尺測量彈簧的長度L1；c.由F_計算彈簧的彈力，由xL1L0計算彈簧的伸長量，由k 計算彈簧的勁度系數；d.改變_，重復實驗步驟b、c，并求出彈簧A的勁度系數的平 均值k1；e.僅將彈簧分別換為B、C，重復上述操作步驟，求出彈簧B、C的勁度 系數的平均值k2、k3.比較k1、k2、k3并得出結論.nmg鉤碼的個數解析解析根據共點力平衡可知：Fnmg改變鉤碼的個數，重復實驗答案解析(3)圖2是實驗得到的圖線，由此可以判斷_同學的猜想正確.答案解析圖2乙技巧點撥技巧點撥探究彈力和彈簧伸長量的關系(1)實驗原理要測出每次懸掛重物的重力大小F和彈簧伸長的長度x，建立Fx坐標系，描點作圖探究.(2)操作關鍵實驗中不能掛過多的鉤碼，會使彈簧超過彈性限度.作圖象時，不要連成“折線”，而應盡量讓坐標點落在直線上或均勻分布在兩側.1.(2017全國卷22) 某探究小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗，將畫有坐標軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1 mm)的紙貼在水平桌面上，如圖3(a)所示.將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(位于圖示部分之外)，另一端P位于y軸上的A點時，橡皮筋處于原長.對點拓展練21圖3答案21解析(1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標原點O，此時拉力F的大小可由測力計讀出.測力計的示數如圖(b)所示，F的大小為_N.4.0解析解析由圖(b)可知，F的大小為4.0 N答案21解析(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點；現使用兩個測力計同時拉橡皮筋，再次將P端拉至O點.此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向，由測力計的示數讀出兩個拉力的大小分別為F14.2 N和F25.6 N.()用5 mm長度的線段表示1 N的力，以O為作用點，在圖(a)中畫出力F1、F2的圖示，然后按平行四邊形定則畫出它們的合力F合；圖3答案答案見解析圖21解析解析畫出力F1、F2的圖示，如圖所示答案21解析()F合的大小為_N，F合與拉力F的夾角的正切值為_.若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內，則該實驗驗證了力的平行四邊形定則.4.00.05解析解析用刻度尺量出F合的線段長約為20 mm，所以F合大小為4.0 N，量出合力箭頭處到y(tǒng)軸的距離和所作合力在y軸投影的長度，則F合與拉力F的夾角的正切值為tan 0.05.2.(2017河北唐山市一模)氣墊導軌是一種實驗輔助儀器，利用它可以非常精確地完成多個高中物理實驗，滑塊在導軌上運動時，可認為不受摩擦阻力，現利用氣墊導軌驗證動量守恒定律，實驗裝置如圖4.21圖4(1)對導軌進行調節(jié)平衡，使氣墊導軌和光電門都正常工作，在導軌上只放置滑塊a.調整調節(jié)旋鈕，輕推滑塊，觀察滑塊通過兩光電門的時間，當_時，說明導軌已經水平.答案21解析滑塊a(的遮光條)通過兩個光電門所用時間相等解析解析如果平衡，滑塊a將在導軌上做勻速運動，因此通過兩個光電門所用的時間相等；(2)使用天平測得滑塊a、b質量分別為ma、mb，然后按如圖所示方式放在氣墊導軌上.使滑塊a獲得向右的速度，滑塊a通過光電門1后與靜止的滑塊b碰撞并粘在一起，遮光條通過光電門1、2的時間分別為t1、t2，則上述物理量間如果滿足關系式_，則證明碰撞過程中兩滑塊的總動量守恒.答案21解析解析解析根據動量守恒定律可知，mav1(mamb)v221根據速度公式可知v1 ，v2 ，代入上式可得應滿足的公式為： .“紙帶類”實驗高考題型2(1)平衡摩擦力時，若所有的操作均正確，打出的紙帶如圖乙所示，應_(填“減小”或“增大”)木板的傾角，反復調節(jié)，直到紙帶上打出的點跡_為止.例例2(2017廣東惠州市第三次調研)在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗時，采用了如圖5甲所示的實驗方案.操作如下：圖5答案解析增大間距相等解析解析根據題圖乙可知，小車做減速運動，說明平衡摩擦力不足，因此需要增大傾角，直到打出點跡均勻為止，即相鄰兩點間距相等；答案(2)已知小車質量為M，盤和砝碼的總質量為m，要使細線的拉力近似等于盤和砝碼的總重力，應該滿足的條件是m_M(填“遠小于”“遠大于”或“等于”).解析遠小于解析解析對整體：mg(Mm)a當Mm時，可以認為小車受到的合力等于盤和砝碼的總重力，故填遠小于.答案(3)圖丙為小車質量一定時，根據實驗數據描繪的小車加速度a的倒數與盤和砝碼的總質量m的倒數之間的實驗關系圖象.若牛頓第二定律成立，則小車的質量M_kg.(g取10 m/s2)解析0.08技巧點撥技巧點撥1.“紙帶類”實驗涉及了力學中的研究速度隨時間變化的規(guī)律、驗證牛頓第二定律、探究動能定理、驗證機械能守恒定律以及驗證動量守恒等5個實驗.2.利用紙帶可以計算計數點的速度和用逐差法計算加速度.3.注意掌握：(1)接通電源、釋放紙帶的先后順序；(2)是否需要平衡摩擦力；(3)是否需要mM；(4)是否需要測量質量等.3.(2017全國卷22)某探究小組為了研究小車在桌面上的直線運動，用自制“滴水計時器”計量時間.實驗前，將該計時器固定在小車旁，如圖6(a)所示.實驗時，保持桌面水平，用手輕推一下小車.在小車運動過程中，滴水計時器等時間間隔地滴下小水滴，圖(b)記錄了桌面上連續(xù)6個水滴的位置.(已知滴水計時器每30 s內共滴下46個小水滴)對點拓展練43圖643(1)由圖(b)可知，小車在桌面上是_(填“從右向左”或“從左向右”)運動的.答案解析從右向左解析解析小車在阻力的作用下，做減速運動，由題圖(b)知，從右向左相鄰水滴間的距離逐漸減小，所以小車在桌面上是從右向左運動.43(2)該小組同學根據圖(b)的數據判斷出小車做勻變速運動.小車運動到圖(b)中A點位置時的速度大小為_ m/s，加速度大小為_ m/s2.(結果均保留兩位有效數字)答案解析0.190.0384.(2017四川綿陽市二診)用如圖7甲所示的裝置驗證機械能守恒定律.已知打點計時器打點頻率f50 Hz.43圖7(1)實驗中得到的一條紙帶如圖乙所示，第一個打點標記為O，選擇點跡清晰且便于測量的連續(xù)5個點，標為A、B、C、D、E，測出A、C、E到O點的距離分別為d19.51 cm、d215.71 cm、d323.47 cm.重物質量為0.5 kg，當地重力加速度g9.80 m/s2.現選取重物在OC段的運動進行數據處理，則OC段重力勢能減少量為_J，動能增加量為_J.(計算結果均保留兩位有效數字)43答案0.770.76(2)如果測得紙帶上第一個和第二個打點間的距離大約是6 mm，出現這種情況可能的原因是_.A.重錘的質量過大B.電源電壓偏大C.先釋放紙帶后接通打點計時器電源D.打點計時器沒有豎直固定43答案力學創(chuàng)新實驗高考題型3例例3(2017河北邯鄲市模擬) 如圖8甲所示，上表面光滑的楔形木塊A固定在水平放置的壓力傳感器上.某同學將質量不同的小鋼球從斜面頂端由靜止釋放(每次只有一個小球)，記錄小鋼球在斜面上運動時壓力傳感器的示數，并根據實驗數據作出Fm圖線，如圖乙.重力加速度大小取9.8 m/s2，完成下列填空：圖8(1)不同質量的小鋼球在斜面上運動的時間_(填 “相同”或“不相同”)；答案解析相同解析解析根據牛頓第二定律得小鋼球下滑的加速度為：a gsin ，則不同質量的小鋼球在斜面上的運動情況完全相同，所以運動的時間也相同.(2)由圖象知，木塊A的質量M_kg(保留兩位有效數字)；答案解析0.20解析解析當m0時，傳感器的示數即為木塊A的重力，則有：Mg1.97 N，解得：M kg0.20 kg(3)若斜面傾角為，由圖象可知，cos2_(保留兩位有效數字).答案解析0.34(0.320.36均可) 解析解析對小球受力分析，根據平衡條件可知，A對小球的支持力FNmgcos ，根據牛頓第三定律可知，小球對A的壓力為mgcos ，對A受力分析可知，傳感器對A的支持力FMgmgcos cos ，則傳感器的示數為FMgmgcos2則Fm圖象的斜率kgcos2，則有：gcos2 3.3解得：cos20.34.技巧點撥技巧點撥1.力學創(chuàng)新實驗的特點(1)以基本的力學模型為載體，依托運動學規(guī)律和力學定律設計實驗.(2)將實驗的基本方法控制變量法，處理數據的基本方法圖象法、逐差法，融入到實驗的綜合分析之中.2.創(chuàng)新實驗題的解法(1)根據題目情景，提取相應的力學模型，明確實驗的理論依據和實驗目的，設計實驗方案.(2)進行實驗，記錄數據，應用原理公式或圖象法處理實驗數據，結合物體實際受力情況和理論受力情況對結果進行誤差分析.5.(2017福建漳州市聯考)“用DIS研究加速度與力的關系”的實驗裝置如圖9(a)所示.實驗中通過增加鉤碼的數量，多次測量，可得小車運動的加速度a和所受拉力F的關系圖象.他們在軌道水平和傾斜的兩種情況下分別做了實驗，得到了兩條aF圖線，如圖(b)所示.對點拓展練65圖965(1)圖線_是在軌道右側抬高成為斜面情況下得到的；(選填“a”或“b”) 答案解析b解析解析在水平軌道上，由于受到摩擦力，拉力不為零時，加速度仍然為零，可知圖線a是在軌道水平的情況下得到的.當軌道的右側抬高過高時(平衡摩擦力過度)，拉力等于0時，會出現加速度，所以圖線b是在軌道右側抬高成為斜面情況下得到的.65(2)在軌道水平時小車運動的阻力Ff_；答案解析0.5 N解析解析根據牛頓第二定律得，FFfma，a ，圖線的斜率表示質量的倒數；因為F0.5 N時，加速度為零，解得Ff0.5 N.65(3)圖(b)中，拉力F較大時，aF圖線明顯彎曲，產生誤差.為消除此誤差可采取的措施是_.A.調整軌道的傾角，在未掛鉤碼時使小車能在軌道 上勻速運動B.在鉤碼與細繩之間接入一力傳感器，用力傳感器讀數代替鉤碼的重力C.更換實驗中使用的鉤碼規(guī)格，采用質量較小的鉤碼進行上述實驗D.在增加鉤碼數量的同時在小車上增加砝碼，使鉤碼的總質量始終遠小 于小車的總質量答案解析65解析解析隨著鉤碼的數量增大到一定程度時題圖(b)的圖線明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是所掛鉤碼的總質量太大，而我們把鉤碼所受重力作為小車所受的拉力，所以消除此誤差可采取的簡便且有效的措施為測量出小車所受的拉力，即在鉤碼與細繩之間放置一力傳感器，得到力F的數值，再作出小車運動的加速度a和力傳感器讀數F的關系圖象，故選B.(1)用游標卡尺測量出固定于滑塊上的遮光條的寬度d，如圖乙，d_mm.在桌面上合適位置固定好彈簧和光電門，將光電門與數字計時器(圖中未畫出)連接.6.(2017山東德州市模擬)某同學用如圖10甲所示的裝置測量滑塊與水平桌面之間的動摩擦因數，實驗過程如下：答案65解析圖105.70解析解析由題圖乙所示游標卡尺可知，主尺示數為0.5 cm5 mm，游標尺示數為140.05 mm0.70 mm，則遮光條寬度d5 mm0.70 mm5.70 mm；65(2)用滑塊把彈簧壓縮到某一位置，測量出滑塊到光電門的距離x.靜止釋放滑塊，測出滑塊上的遮光條通過光電門所用的時間t，則此時滑塊的速度v_(用題中所給字母表示).答案65解析解析解析滑塊的速度為：v則有：2gxb,2Epa2gx(3)通過在滑塊上增減砝碼來改變滑塊的質量m，仍用滑塊將彈簧壓縮到(2)中的位置，重復(2)的操作，得出一系列滑塊質量m與它通過光電門時的速度v的值.根據這些數值，作出v2 圖象如圖丙所示.已知當地的重力加速度為g.由圖象可知，滑塊與水平桌面之間的動摩擦因數_，彈性勢能Ep_.答案65解析高考題精選精練圖11題組題組1全國卷真題精選全國卷真題精選1.(2016全國卷22)某物理小組對輕彈簧的彈性勢能進行探究，實驗裝置如圖11(a)所示：輕彈簧放置在光滑水平桌面上，彈簧左端固定，右端與一物塊接觸而不連接，紙帶穿過打點計時器并與物塊連接.向左推物塊使彈簧壓縮一段距離，由靜止釋放物塊，通過測量和計算，可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能.1234(1)實驗中涉及到下列操作步驟：把紙帶向左拉直松手釋放物塊接通打點計時器電源向左推物塊使彈簧壓縮，并測量彈簧壓縮量上述步驟正確的操作順序是_(填入代表步驟的序號).答案1234解析解析解析根據該實驗操作過程，正確步驟應為.(2)圖(b)中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不同位置后所得到的實際打點結果.打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz.由M紙帶所給的數據，可求出在該紙帶對應的實驗中物塊脫離彈簧時的速度為_m/s.比較兩紙帶可知，_(填“M”或“L”)紙帶對應的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能大.答案1234解析1.29M解析解析物塊脫離彈簧時速度最大，v m/s1.29 m/s；由動能定理Ek mv2，據紙帶中打點的疏密知M紙帶獲得的最大速度較大，對應的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能較大.12342.(2016全國卷23)某物理課外小組利用圖12中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關系.圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼.本實驗中1234圖12可用的鉤碼共有N5個，每個質量均為0.010 kg.實驗步驟如下：(1)將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑.(2)將n(依次取n1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端，其余Nn個鉤碼仍留在小車內；用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖象，經數據處理后可得到相應的加速度a.1234(3)對應于不同的n的a值見下表.n2時的s-t圖象如圖13所示；由圖13求出此時小車的加速度(保留2位有效數字)，將結果填入下表.1234n12345a/(ms2)0.200.580.781.00圖130.39答案解析解析解析因為小車做初速度為零的勻加速直線運動，將題圖中點(2,0.78)代入s at2可得，a0.39 m/s2.解析解析根據描點法可得如圖所示圖線.(4)利用表中的數據在圖14中補齊數據點，并作出a-n圖象.從圖象可以看出：當物體質量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比.答案1234解析圖14答案答案見解析圖(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質量為_kg(保留2位有效數字，重力加速度取g9.8 ms2).答案1234解析0.44(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是_(填入正確選項前的標號)A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線，但該直線不過原點C.a-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大答案1234解析解析解析若保持木板水平，則小車運動中受到摩擦力的作用，由牛頓第二定律得，nmg(M5mnm)g(M5m)a，解得：a g，直線的斜率變大.繩的拉力等于摩擦力時，小車才開始運動，圖象不過原點，選項B、C正確.3.(2013新課標全國22)圖15為測量物塊與水平桌面之間動摩擦因數的實驗裝置示意圖.實驗步驟如下：1234圖15用天平測量物塊和遮光片的總質量M，重物的質量m，用游標卡尺測量遮光片的寬度d，用米尺測量兩光電門之間的距離s；調整輕滑輪，使細線水平；讓物塊從光電門A的左側由靜止釋放，用數字毫秒計分別測出遮光片經過光電門A和光電門B所用的時間tA和tB，求出加速度a；多次重復步驟，求a的平均值 ；根據上述實驗數據求出動摩擦因數.回答下列問題：(1)測量d時，某次游標卡尺(主尺的最小分度為1 mm)的示數如圖16所示.其讀數為_ cm.1234答案解析圖16答案答案見解析解析解析d0.9 cm120.05 mm0.960 cm(2)物塊的加速度a可用d、s、tA和tB表示為a_.答案1234解析答案答案見解析解析解析因為vA ，vB ，又由2asvB2vA2，(3)動摩擦因數可用M、m、 和重力加速度g表示為_.答案1234解析答案答案見解析解析解析設細線上的拉力為FT，則mgFTm，FTMgM兩式聯立得(4)如果細線沒有調整到水平，由此引起的誤差屬于_(填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差”).答案1234解析答案答案見解析解析解析由實驗裝置引起的誤差為系統(tǒng)誤差.題組題組2各省市真題精選各省市真題精選4.(2015山東理綜21)某同學通過下述實驗驗證力的平行四邊形定則.實驗步驟：將彈簧秤固定在貼有白紙的豎直木板上，使其軸線沿豎直方向.如圖17甲所示，將環(huán)形橡皮筋一端掛在彈簧秤的秤鉤上，另一端用圓珠筆尖豎直向下拉，直到彈簧秤示數為某一設定值時，將橡皮筋兩端的位置標記為O1、O2，記錄彈簧秤的示數F，測量并記錄O1、O2間的距離(即橡皮筋的長度l).每次將彈簧秤示數改變0.50 N，測出所對應的l，部分數據如下表所示：1234F(N)00.501.001.502.002.50l(cm)l010.9712.0213.0013.9815.05找出中F2.50 N時橡皮筋兩端的位置，重新標記為O、O，橡皮筋的拉力記為FO O.在秤鉤上涂抹少許潤滑油，將橡皮筋搭在秤鉤上，如圖乙所示.用兩圓珠筆尖成適當角度同時拉橡皮筋的兩端，使秤鉤的下端達到O點，將兩筆尖的位置標記為A、B，橡皮筋OA段的拉力記為FOA，OB段的拉力記為FOB.1234圖17解析解析做出F-l圖象，如圖甲所示，求得直線的截距即為l0，可得l010.0 cm完成下列作圖和填空：(1)利用表中數據在圖18中畫出F-l圖線，根據圖線求得l0_cm.答案1234解析圖18答案答案見解析圖甲10.0(9.8、9.9、10.1均正確)(2)測得OA6.00 cm，OB7.60 cm，則FOA的大小為_N.答案1234解析答案答案1.80(1.701.90均正確)解析解析可計算橡皮筋的勁度系數若OA6.00 cm，OB7.60 cm，則橡皮筋的彈力為Fkx50(6.007.6010.00)102 N1.80 N則此時FOAF1.80 N(3)根據給出的標度，在圖19中作出FOA和FOB的合力F的圖示.答案1234解析圖19答案答案見解析圖乙解析解析FOBFOA1.80 N，兩力的合力F如圖乙所示.(4)通過比較F與_的大小和方向，即可得出實驗結論.答案1234解析FOO解析解析FOO的作用效果和FOA、FOB兩個力的作用效果相同，F是FOA、FOB兩個力的合力，所以通過比較F和FOO的大小和方向，可得出實驗結論.