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专题17 力学实验力学实验共涉及几个具体的实验操作，主要分布在必修一和必修二。依次为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、验证牛顿第二定律、探究动能定理和验证机械能守恒，这些实验的方案有共性，但数据处理又不尽相同。【备考建议】【经典例题】实验一研究匀变速直线运动基础性实验【典例1】(2018甘肃兰州模拟)(1)打点计时器所用电源为频率50 Hz 的交流电源,实验时释放纸带与接通电源的先后顺序是(2)某同学在使用上述打点计时器测定匀变速直线运动的加速度时,得到了几条较为理想的纸带,他已在每条纸带上按每5个点取一个计数点,并依打点先后顺序编号为0,1,2,3,4,5.由于不小心,几条纸带都被撕断了,如图所示,请根据给出的A,B,C,D四段纸带回答下列问题:在B,C,D三段纸带中,从纸带A上撕下的那段应该是_,打纸带A时,物体的加速度大小是_m/s2.答案:(1)先接通电源后释放纸带(2)根据匀变速直线运动的特点(相邻的时间间隔位移之差相等)得出x45-x34=x34-x23=x23-x12=x12-x01=6 mm,所以属于纸带A的是C图.根据x=aT2得a=0.60 m/s2.创新性实验【典例2】(2017全国卷,22)某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系.使用的器材有:斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器.实验步骤如下:如图(a),将光电门固定在斜面下端附近;将一挡光片安装在滑块上,记下挡光片前端相对于斜面的位置,令滑块从斜面上方由静止开始下滑;当滑块上的挡光片经过光电门时,用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间t;用s表示挡光片沿运动方向的长度如图(b)所示,表示滑块在挡光片遮住光线的t时间内的平均速度大小,求出;将另一挡光片换到滑块上,使滑块上的挡光片前端与中位置相同,令滑块由静止开始下滑,重复步骤,;多次重复步骤;利用实验中得到的数据作出-t图,如图(c)所示.完成下列填空:(1) 用a表示滑块下滑的加速度大小,用vA表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小,则与vA,a和t的关系式为=.(2) 由图(c)可求得vA=_cm/s,a=_cm/s2.(结果保留三位有效数字)【创新/改进点分析】 1.装置创新:更换滑块上的挡光片,通过光电门,且释放滑块时挡光片前端位置相同.2.数据处理方法创新:利用实验数据作-t图像.3.考查点创新:不同挡光片通过光电门的时间t不同,其平均速度不同,推导与t的关系式.【典例3】(2018无锡模拟)在暗室中用如图(甲)所示装置做“测定重力加速度”的实验,实验器材有:支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺丝夹子、接水铝盒、一根荧光刻度的米尺、频闪仪.具体实验步骤如下:在漏斗内盛满清水,旋松螺丝夹子,水滴会以一定的频率一滴滴地落下.用频闪仪发出的白闪光将水滴流照亮,由大到小逐渐调节频闪仪的频率直到第一次看到一串仿佛固定不动的水滴.利用频闪照相获取下落水滴和竖直放置的米尺的照片.由竖直放置的米尺测得各个水滴所对应的刻度.采集数据进行处理.(1) 实验中看到空间有一串仿佛固定不动的水滴时,频闪仪的闪光频率满足的条件是 .(2) 实验中观察到水滴“固定不动”时的闪光频率为30 Hz,某同学读出其中几个比较远的水滴到第一个水滴的距离如图(乙)所示,根据数据测得当地重力加速度g=_ m/s2;第8个水滴此时的速度v8=_m/s.(结果都保留三位有效数字)(3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可) .【创新/改进点分析】 1.装置创新:利用漏斗滴水和闪光仪获取水滴下落信息.2.方法创新:利用依次下落的水滴,通过调节频闪仪的闪光频率,看到水滴位置不动,拍摄此时水滴及竖直放置的米尺照片.3.考查点创新:说出闪光仪的闪光频率满足的条件,已知闪光频率求照片上某点时水滴速度及重力加速度数值.实验二探究弹力和弹簧伸长的关系基础性实验【典例3】(2018安徽舒城检测)在探究“弹力和弹簧伸长的关系”时,小明同学用如图(甲)所示的实验装置进行实验:将该弹簧竖直悬挂,在自由端挂上砝码盘,通过改变盘中砝码的质量,用刻度尺测出弹簧对应的长度,测得实验数据如下:实验次数123456砝码质量m/g0306090120150弹簧的长度x/cm6.007.148.349.4810.6411.79(1)小明同学根据实验数据在坐标纸上用描点法画出x-m图像如图(乙)所示,根据图像他得出结论:弹簧弹力与弹簧伸长量不是正比例关系,而是一次函数关系.他结论错误的原因是 .(2)作出的图线与坐标系纵轴有一截距,其物理意义是_,该弹簧的劲度系数k=_N/m.(取g=10 m/s2,保留3位有效数字)(3)请你判断该同学得到的实验结果与考虑砝码盘的质量相比,结果_(填“偏大”“偏小”或“相同”).解析:(1)在x-m图像中,x表示弹簧的长度而不是弹簧的伸长量,故他得出弹簧弹力与弹簧伸长量不是正比例关系而是一次函数关系的错误结论.(2)图线与纵坐标的交点表示未放砝码时弹簧的长度.图线的斜率表示弹簧的劲度系数,k= N/m=25.7 N/m.(3)根据公式F=kx计算出的劲度系数,与是否考虑砝码盘的质量没有关系,故结果相同.创新性实验【典例4】(2018湖南益阳调研)弹簧的弹力与其形变量遵循胡克定律.其实橡皮筋也像弹簧一样,在弹性限度内伸长量x与弹力F成正比,即F=kx,其中k是一个比例系数,类似于弹簧的劲度系数,k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关.理论与实验都表明k= ,其中Y是由材料决定的常数,材料力学中称之为杨氏模量.(1)物理公式能够反映物理量的单位关系,则在国际单位制中,杨氏模量Y的单位应该是_.A.N B.mC.N/m D.N/m2(2)有一段横截面是圆形的橡皮筋,用螺旋测微器测量它的直径如图(甲)所示,则读数为_mm.(3)通过实验测得该橡皮筋的一些数据,并作出了外力F与伸长量x之间的关系图像如图(乙)所示.图像中图线发生弯曲的原因是_.【创新/改进点分析】 1.实验方案的创新:研究橡皮筋的弹力与伸长量x之间的关系.2.设问方式的创新:提出了影响橡皮筋的劲度系数的规律,借此考查单位制和螺旋测微器的读数方法.【典例5】(2017江西南昌一模)某物理实验小组在探究弹簧的劲度系数k与其原长l0的关系实验中,按如图所示安装好实验装置,让刻度尺零刻度与轻质弹簧上端平齐,在弹簧上安装可移动的轻质指针P,实验时的主要步骤是:将指针P移到刻度尺l01=5 cm处,在弹簧挂钩上挂上200 g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来;取下钩码,将指针P移到刻度尺l02=10 cm处,在弹簧挂钩上挂上250 g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来;取下钩码,将指针P移到刻度尺l03=15 cm处,在弹簧挂钩上挂上50 g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来重复进行,每次都将指针P下移5 cm,同时保持挂钩上挂的钩码质量不变.将实验所得数据记录、列表如下:次数弹簧原长l0/cm弹簧长度l/cm钩码质量m/g15.007.23200210.0015.56250315.0016.6750420.0022.2350525.0030.5650根据实验步骤和列表数据,回答下列问题:(1)重力加速度g取10 m/s2.在次数3中,弹簧的原长为15 cm 时,其劲度系数k3=_ N/m.(2)同一根弹簧所取原长越长,弹簧的劲度系数_(弹簧处在弹性限度内).A.不变B.越大C.越小D.无法确定【创新/改进点分析】 1.探究内容创新,探究弹簧劲度系数与长度的关系.2实验方法创新,同一弹簧中取不同长度.3.数据处理的创新,由测量数据寻求弹簧劲度系数随长度的变化规律.实验三验证力的平行四边形定则基础性实验【典例6】(2018大连重点中学联考)在探究求合力的方法时,先将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上带有绳套的两根细绳.实验时,需要两次拉伸橡皮条,一次是通过两细绳用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条.(1)同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益的说法是_(填字母代号).A.两根细绳必须等长B.弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行C.用两弹簧测力计同时拉细绳时,两弹簧测力计示数适当大一些D.拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些(2)当橡皮条的活动端拉到O点时,两根细绳相互垂直,如图所示.这时弹簧测力计a,b的读数分别为_N和_N.(3)在给出的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力,并利用作图法求出合力大小为_N.(3)以方格纸上一个小格的边长作为0.5 N的标度,作出两个拉力的图示,以这两个拉力为邻边作平行四边形,则所夹的对角线就表示合力的大小和方向,如图所示.量出该对角线的长度,结合标度,可得合力大小约为4.70 N.高考创新实验【典例7】(2017上饶检测)某实验小组用一只弹簧测力计和一个量角器等器材做“探究求合力的方法”,设计了如图所示的实验装置,固定在竖直木板上的量角器的直边水平,橡皮条的一端固定于量角器的圆心O的正上方A处,另一端系绳套1和绳套2,主要实验步骤如下:.弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮条,使橡皮条的结点到达O点处,记下弹簧测力计的示数F;.弹簧测力计挂在绳套1上,手拉着绳套2,缓慢拉橡皮条,使橡皮条的结点到达O处,此时绳套1沿0方向,绳套2沿120方向,记下弹簧测力计的示数F1;.根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1=.比较即可初步验证.只改变绳套2的方向,重复上述实验步骤.回答下列问题:(1)完成实验步骤中_;_;(2)将绳套1由0方向缓慢转动到60方向,同时绳套2由120方向缓慢转动到180方向,此过程中保持橡皮条的结点在O处不动,保持绳套1和绳套2的夹角120不变,关于绳套1的拉力大小的变化,下列结论正确的是_.(填选项前的序号)A.逐渐增大 B.先增大后减小C.逐渐减小 D.先减小后增大【创新/改进点分析】 1.实验器材的改进:用一只弹簧测力计和一个量角器.2.实验思路的改进:先利用平行四边形定则计算某一分力的大小,与其测量值比较.3.实验设问的改进:在保证合力不变,两分力夹角不变的条件下改变两分力方向,确定两分力的大小变化情况.【典例8】(2018河北武邑中学质检)某同学用如图所示的实验装置“验证力的平行四边形定则”.弹簧测力计A挂于固定点P,下端用细线挂一重物M,弹簧测力计B的一端用细线系于O点,手持另一端向水平左拉,使结点O静止在某位置.分别读出弹簧测力计A和B的示数,并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和细线的方向.(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N,图中A的示数为_N.(2)下列实验要求不必要的是_(填选项前对应的字母).A.应测量重物M所受的重力B.弹簧测力计应在使用前校零C.细线方向应与木板平面平行D.改变拉力,进行多次实验,每次都要使O点静止在同一位置(3)某次实验中,该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程,请你提出两个解决办法.【创新/改进点分析】 1.实验方案的改进:在合力不变(重物M的重力表示合力)的前提下,改变两分力的大小、方向,验证分力与合力的平行四边形定则.2.实验操作的拓展:改变多次实验结点在同一位置的“思维定势”,即等效替代并不一定结点位置不变.实验四验证牛顿运动定律基础性实验【典例9】(2018安徽合肥质检)某实验小组在做“探究加速度与力、质量的关系”实验中,(1)在闭合开关之前,甲同学将实验器材组装成图(甲)所示.请指出该装置中的错误或不妥之处(只要答出其中的两点即可): .(2)乙同学将上述装置调整正确后进行实验,在实验中得到如图(乙)所示的一条纸带,图中相邻两计数点之间还有四个点没有画出,由图中的数据可算得小车加速度为_m/s2.(保留两位有效数字)(3)丙同学在利用上述调整好的装置进行实验中,保持沙和沙桶的总质量不变,小车自身的质量为M且保持不变,改变小车中砝码的质量m,并测出小车中放不同质量砝码时所对应的加速度a,以m为横坐标,为纵坐标,在坐标纸上作出如图(丙)所示的m关系图线,图中纵轴上的截距为b,则小车受到的拉力大小为.解析:(1)打点计时器应该用交流电源(图中干电池为直流电源);本实验应该将木板的右端垫高,平衡摩擦力;小车离定滑轮太近(离打点计时器较远),小车应靠近打点计时器且打点计时器应距左端较远,这样便于小车运动较长的时间,从而能获取较多数据,准确测量小车的加速度,减小误差.解析:(2)图中相邻两计数点之间的时间间隔为T=0.1 s,根据x=aT2得a=m/s2=0.49 m/s2.解析:(3)根据题意,由牛顿第二定律得F=(M+m)a,则=+m,则m图像中截距b=,则小车受到的拉力大小F=.高考创新实验【典例10】(2018福建龙岩四校联考)甲、乙、丙三个实验小组分别采用如图(甲)、(乙)、(丙)所示的实验装置,验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合力成正比”这一物理规律.已知他们使用的小车完全相同,小车的质量为M,重物的质量为m,试回答下列问题.(1)甲、乙、丙三组实验中,必须平衡小车和长木板之间的摩擦力的实验小组是.(2)实验时,必须满足“M远大于m”的实验小组是.(3)实验时,甲、乙、丙三组同学的操作均完全正确,他们作出的a-F图线如图(丁)中A,B,C所示,则甲、乙、丙三组实验对应的图线依次是.(4)实验时,乙组同学得到的一条纸带如图(戊)所示,从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,打点计时器所用电源的频率为50 Hz,根据所标的测量数据可算得:小车的加速度为_m/s2,打下“2”点时小车的速度为_m/s.(4)相邻两计数点间时间间隔T=0.1 s,根据x=aT2得,a=0.16 m/s2,由v2=_ =0.36 m/s.【创新/改进点分析】 1.实验方案的创新:乙实验中应用弹簧测力计测绳的拉力,在小车上装滑轮,这样直观得出小车的合力;丙实验中应用力传感器直接得小车的合力.2.设问方式的创新:三种实验方案对比,确定它们对应的a-F图线.【典例11】(2018东北三省四市联考)某同学利用如图(甲) 所示的实验装置探究加速度与力的关系.该同学在气垫导轨上安装了一个光电门B,滑块上固定一遮光条,滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连,传感器下方悬挂钩码,每次滑块都从A处由静止释放.(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d,如图(乙)所示,则d=cm.(2)实验时,将滑块从A位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t,若要得到滑块的加速度,还需要测量的物理量是 .(3)下列不必要的一项实验要求是.A.应将气垫导轨调节水平B.应使细线与气垫导轨平行C.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量D.应使A位置与光电门间的距离适当大些(4)改变钩码质量,测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t,通过描点作出线性图像,研究滑块的加速度与力的关系,处理数据时应作出(填“t2F”“F”或“F”)图像.解析:(1)由图知第15条刻度线与主尺对齐,d=1 mm+150.05 mm=1.75 mm=0.175 cm.(2)滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是遮光条经过光电门的平均速度,若要求得滑块的加速度,还需要测量A位置到光电门的距离L.【创新/改进点分析】 1.实验方案的创新:滑块在水平气垫导轨上加速运动,利用光电门测速度,力传感器直接得到滑块受到的合力.2.数据处理的创新:利用测得的运动状态量,由运动学公式v2=2ax求加速度;再结合牛顿第二定律推导函数关系,从而确定对应的图像.实验五探究动能定理基础性实验【典例12】(2017江苏卷,10)利用如图(甲)所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系.小车的质量为M=200.0 g,钩码的质量为m=10.0 g,打点计时器的电源为50 Hz的交流电.(1)挂钩码前,为了消除摩擦力的影响,应调节木板右侧的高度,直至向左轻推小车观察到 .(2)挂上钩码,按实验要求打出的一条纸带如图(乙)所示.选择某一点为O,依次每隔4个计时点取一个计数点.用刻度尺量出相邻计数点间的距离x,记录在纸带上.计算打出各计数点时小车的速度v,其中打出计数点“1”时小车的速度v1=m/s.(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取g=9.80 m/s2,利用W=mgx算出拉力对小车做的功W.利用Ek= Mv2算出小车动能,并求出动能的变化量Ek.计算结果见下表.W/(10-3J)2.452.923.353.814.26Ek/(10-3J)2.312.733.123.614.00请根据表中的数据,在方格纸上作出Ek-W图像.(4)实验结果表明,Ek总是略小于W.某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的.用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F= N.（4）由于W=mgx,Ek=Fx,则有F=mg=0.019.8 N0.093 N.高考创新实验例析【典例13】(2018辽宁大连模拟)某同学用如图所示的实验装置探究小车动能变化与合外力对它所做功的关系.图中A为小车,连接在小车后面的纸带穿过打点计时器B的限位孔,它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上,C为弹簧测力计,不计绳与滑轮的摩擦.实验时,先接通电源再松开小车,打点计时器在纸带上打下一系列点.(1)该同学在一条比较理想的纸带上,依次选取0,1,2,3,4,5共六个计数点,分别测量后5个计数点与计数点0之间的距离,并计算出它们与0点之间的速度平方差v2(v2=v2- ),填入下表:计数点x/cmv2/(m2s-2)0/11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1959.200.23请以v2为纵坐标,以x为横坐标在方格纸中作出v2-x图像.若测出小车质量为0.2 kg,结合图像可求得小车所受合外力的大小为 N.(2)该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计读数,明显超出实验误差的正常范围.你认为主要原因是_,实验操作中改进的措施是_.(2)主要原因是长木板对小车存在摩擦力;应将木板左端垫高,以平衡摩擦力,减小误差.【创新/改进点分析】 1.实验原理的创新:可用弹簧测力计直接测绳拉力大小,故不必满足小车质量远大于悬挂物的质量.2.数据处理的改进:利用图像的斜率求相关物理量.【典例14】(2018广州模拟)用如图(甲)所示的实验装置完成“探究动能定理”实验.请补充完整下列实验步骤的相关内容:(1)用天平测量小车和遮光片的总质量M、砝码盘的质量m0;用游标卡尺测量遮光片的宽度d,游标卡尺的示数如图(乙)所示,其读数为_cm;按图(甲)所示安装好实验装置,用米尺测量两光电门之间的距离s;(2)在砝码盘中放入适量砝码;适当调节长木板的倾角,直到轻推小车,遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等;(3)取下细线和砝码盘,记下_(填写相应物理量及其符号);(4)让小车从靠近滑轮处由静止释放,用数字毫秒计时器分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间tA和tB;(5)步骤(4)中,小车从光电门A下滑至光电门B过程合外力做的总功W合=_,小车动能变化量Ek=_(用上述步骤中的物理量表示,重力加速度为g),比较W合和Ek的值,找出两者之间的关系;(6)重新挂上细线和砝码盘,改变砝码盘中砝码质量,重复(2)(5)步骤.(7)本实验中,以下操作或要求是为了减小实验误差的是.A.尽量减小两光电门间的距离sB.调整滑轮,使细线与长木板平行C.砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量(5)小车从光电门A下滑至光电门B过程中合外力做的总功W合=(m+m0)gs,小车动能变化量Ek=M()2-M()2,比较W合和Ek的值,找出两者之间的关系.【创新/改进点分析】 1.实验器材的改进:利用光电门测量小车的速度更准确.2.实验原理的创新:通过调节长木板的倾角及砝码盘中放适量砝码,使小车在斜面上匀速运动,用砝码和砝码盘的总重力当做小车运动的合外力.实验六验证机械能守恒定律基础性实验.【典例15】(2017天津卷,9)如图所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律.(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是.A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.两限位孔在同一竖直面内上下对正C.精确测量出重物的质量D.用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画出,如图所示.纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带上打出的第一个点.重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出,利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有_.A.OA,AD和EG的长度B.OC,BC和CD的长度C.BD,CF和EG的长度D.AC,BD和EG的长度高考创新实验【典例16】(2018辽宁沈阳模拟)某同学利用图示装置,验证以下两个规律:两物块通过不可伸长的细绳相连接,沿绳分速度相等;系统机械能守恒.P,Q,R是三个完全相同的物块,P,Q用细绳连接,放在水平气垫桌上,物块R与轻滑轮连接,放在正中间,a,b,c是三个光电门,调整三个光电门的位置,能实现同时遮光,整个装置无初速度释放.(1)为了能完成实验,除了记录P,Q,R上三个遮光片的遮光时间t1,t2,t3外.还必须测量的物理量有_.A.P,Q,R的质量MB.两个定滑轮的距离dC.R的遮光片到c的距离HD.遮光片的宽度x(2)根据装置可以分析出P,Q的速度大小相等,验证表达式为.(3)若要验证物块R与物块P的沿绳分速度相等,则验证表达式为.(4)若已知当地重力加速度g,则验证系统机械能守恒的表达式为.解析:(1)验证系统机械能守恒,表达式是MgH=M+M+M,可知质量M可以约去,对实验结果不会有影响,因此不需要测量P,Q,R的质量M,选项A错误;根据验证的表达式可知,与两个定滑轮的距离d无关,选项B错误;根据验证的表达式可知,需要测量R的遮光片到c的距离H,这样才能计算出系统减少的重力势能,选项C正确;根据验证的表达式可知,要测量P,Q,R三个物块遮光片通过光电门的速度,因此需要测量遮光片的宽度x,速度v=,选项D正确.【创新/改进点分析】 实验方案创新:利用三个物块运动中的Ep减=Ek增验证,需用三个光电门测出三个物块的速度.23
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