专题六力学实验(共15页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上专题六力学实验【专题解读】高考要求6个力学实验实验一：研究匀变速直线运动 实验二：探究弹力和弹簧伸长的关系实验三：探究求合力的方法 实验四：探究加速度与力、质量的关系实验五：探究功与速度变化的关系 实验六：验证机械能守恒定律一、误差和有效数字1.误差测量值与真实值的差异叫做误差。误差可分为系统误差和偶然误差两种。系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。减小偶然误差的方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。2.有效数字带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字。有效数字是指近似数字而言。只能带有一位不可靠数字，不是位数越多越好。凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值（可靠数字）后，再向下估读一位（不可靠数字），这里不受有效数字位数的限制。间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用23位有效数字表示。二、考试大纲规定的学生实验1.长度的测量（游标卡尺和螺旋测微器）游标卡尺10分度的游标卡尺，其读数准确到0.1mm。20分度的游标卡尺。其读数准确到0.05mm。50分度的游标卡尺。其读数可以准确到0.02mm。要知道主要构造的名称：主尺、游标尺、外测量爪、内测量爪、深度尺、紧固螺钉。螺旋测微器固定刻度上的最小刻度为0.5mm（在中线的上侧）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以相邻两条刻线间代表0.01mm。要知道主要构造的名称：以下的-依次是：测砧、测微螺杆、固定刻度、可动刻度、旋钮、微调旋钮和尺架。例1.读出下列游标卡尺测量的读数。例2.读出下列螺旋测微器测量的读数。例3【2012湖北百校联考】某同学想利用DIS测电风扇的转速和叶片长度，他设计的实验装置如图甲所示.该同学先在每一叶片边缘粘上一小条长为L的反光材料，当叶片转到某一位置时，光传感器就可接收到反光材料反射的激光束，并在计箅机屏幕上显示出矩形波，如图乙所示.已知屏幕横向每大格表示的时间为5.00×10-3s.则电风扇匀速转动的周期为_s;若用游标卡尺测得L的长度如图丙所示，则叶片长度为_m.2、研究匀变速直线运动纸带处理。从打点计时器重复打下的多条纸带中选点迹清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，从便于测量的地方取一个开始点O，然后每5个点取一个计数点A、B、C、（或者说每隔4个点取一个记数点），这样做的好处是相邻记数点间的时间间隔是0.1s，便于计算。测出相邻计数点间的距离s1、s2、s3 利用s1、s2、s3 可以计算相邻相等时间内的位移差s2-s1、s3- s2、s4- s3，如果它们在允许的误差范围内相等，则可以判定被测物体的运动是匀变速直线运动。利用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：如利用纸带求被测物体的加速度a。具体来说又有3种方法：t/s0 T 2T 3T 4T 5T 6Tv/(ms-1) “逐差法”：从纸带上得到6个相邻相等时间内的位移，则 利用任意两段相邻记数点间的位移求a：如 利用v-t图象求a：求出A、B、C、D、E、F各点的即时速度，画出如右的v-t图线，图线的斜率就是加速度a。例4【2012湖南四市9校12月联考】某同学在做“研究匀变速直线运动”实验时，从打下的若干纸带中选出了如下图所示的一条纸带，已知打点计时器使用电源频率为50Hz，每两个相邻计数点间有四个点没有画出，则纸带上相邻两个计数点间的时间间隔为 s。如果用S1、S2、S3、S4、S5、S6来表示从O点开始各相邻两个计数点间的距离，用T表示两相邻记数点的时间间隔，则该匀变速直线运动的加速度的表达式为a= （用符号写出表达式，不要求计算）。打F点时物体的速度大小为vF= m/s。（答案均要求保留3位有效数字） 例5：【2012湖北百校联考】物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数。实验装置如右图，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接。打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz。开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点。（1） 下图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分：0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如下图所示。根据图中数据计算的加速度a （保留三位有效数字）。（2）为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有 。（填入所选物理量前的字母）A木板的长度lB木板的质量m1C滑块的质量m2D托盘和砝码的总质量m3E滑块运动的时间t（3）滑块与木板间的动摩擦因数 （用被测物理量的字母表示，重力加速度为g）。与真实值相比，测量的动摩擦因数 （填“偏大”或“偏小”）。写出支持你的看法的一个论据： 。3、探究弹力和弹簧伸长的关系(1)实验原理弹簧受到拉力会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等，弹簧的伸长越大，弹力也就越大。(2)实验装置（3）实验步骤例6：为了测量某一弹簧的劲度系数，将该弹簧竖直悬挂起来，在自由端挂上不同质量的砝码。实验册除了砝码的质量m与弹簧长度l的相应数据，七对应点已在图上标出。（g=9.8m/s2)（1）作出m-l的关系图线；（2）弹簧的劲度系数为 N/m.4、探究求合力的方法AOBabc原理是两只弹簧秤成角度拉橡皮条AB和一只弹簧秤拉橡皮条AB的效果相同，这个效果就是指橡皮条的形变量（大小和方向）相同。在画力的图示时，必须有箭头、标度、刻度。实验往往有一定的偶然误差，只要用平行四边形定则求得的合力F和一只弹簧秤的拉力F / 的图示大小和方向在误差允许的范围内相同就可以了。注意事项:用弹簧秤测拉力时，应使拉力沿弹簧秤的轴线方向，橡皮条、弹簧秤和细绳套应位于与纸面平行的同一平面内。同一次实验中，橡皮条拉长后的结点位置O必须保持不变。例7：橡皮筋的一端固定在A点，另一端栓上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5N、最小刻度为0.1N的弹簧测力计，沿着两个不同的方向拉弹簧测力计。当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图所示。这时弹簧测力计的读数可从图中读出。由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为_N和_N。（只须读到0.1N）在右图的方格纸中按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。例8【2012河南郑州第一次质量检测】某同学利用如图所示的装置探究共点力合成的规律，图中GE是橡皮条，甲图表示用两个互成角度的拉力牵拉橡皮条，乙图表示用一个拉力牵拉橡皮条，下列说法正确的是 （ ）A、甲图中两个拉力的方向必须相互垂直B、 甲、乙两图中，橡皮条拉伸方向必须水平C 、甲、乙两图中必须将橡皮条拉到相同位置OD、甲图实验完成后，可更换橡皮条，继续进行乙图实验5、探究加速度与力、质量的关系打点计时器图1了解该实验的系统误差的来源。用砂和砂桶的总重量代替小车受到的拉力。由牛顿第二定律可知，由于砂桶也在做匀加速运动，因此砂和砂桶的总重量肯定大于小车受到的实际拉力。可以推导出结论：只有在小车的总质量M远大于砂和砂桶的总质量m时，才能使该系统误差足够小。没有考虑摩擦阻力的作用。应该用平衡摩擦力的方法来消除这个系统误差。为研究a、F、m三者的关系，要利用“控制变量法”，分别研究a与F、 a与m的关系。用图象法验证aF、 am-1（后者必须用a-m-1图象，不能用a-m图象）例9【2012江西模拟】某实验小组利用如下图所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系。（1）实验前用刻度尺测出两个光电门中心之间的距离s，并测得遮光条的宽度d。该实验小组在做实验时，将滑块从图所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间t1，遮光条通过光电门2的时间t2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1= ，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2= ，则滑块的加速度的表达式a= 。（以上表达式均用直接测量的物理量的字母表示）。（2）在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量做了6组实验，得到如下表所示的实验数据。实验次数123456质量m(g)250300350400500800加速度a( m/s2 )2.021.651.431.251.000.63通过计算分析上表数据后，得出的结论是在合外力不变的情况下，物体运动的加速度跟物体的质量成反比，如果想通过图象法进一步确认自己的结论，须建立 （填am或a）坐标系，根据实验数据描点作图，如果图线是一条 ，就可确认上述结论。例10、【2012福建省六校联考】如图所示，为“探究加速度与力、质量的关系”实验装置图。图中A为小车，B为砝码及砝码盘，C为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电火花打点计时器相连，计时器接50Hz交流电。小车A的质量为m1，砝码及砝码盘B的质量为m2。（1）下列说法正确的是 。A每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力B实验时应先释放小车后接通电源C本实验m2应远大于m1A B 纸带 Ca 0 F 乙丙甲D在用图象探究加速度与质量关系时，应作a-图象（2）实验时，某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的a- F图像，可能是图中的图线 _ 。(选填“甲”、“ 乙”、“ 丙”)（3）如图所示为某次实验得到的纸带，纸带中相邻计数点间的距离已标出，相邻计数点间还有四个点没有画出。由此可求得小车的加速度大小 _ m/s2。（结果保留二位有效数字）单位：cm2.402.893.39例11、【2012江苏模拟】某实验小组在实验室做“验证牛顿运动定律”实验：（1）甲同学在物体所受合外力不变时，改变物体的质量，得到数据如下表所示实验次数物体质量m(kg)物体的加速度a(m/s2)物体质量的倒数1/m(1/kg)10.200.785.0020.400.382.5030.600.251.6740.800.201.2551.000.161.00 根据表中的数据，在图1所示的坐标中描出相应的实验数据点，并作出图象 图1 图2由图象，你得出的结论为 物体受到的合力大约为 （结果保留两位有效数字）(2)乙同学在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变对小车的拉力，由实验数据作出的aF图象如图2所示，则该图象中图线不过原点的原因是： ，小车的质量为 kg。（保留两位有效数字）6、探究功与速度变化的关系该实验是新增实验，值得注意的是该实验具有探究性质。在课本必修2（P64）有该实验的描述，其原理与（验证机械能守恒定律）相似。是否还有其它实验方法，可能是高考命题的一个方向。但不管如何，始终把握住动能定理（1）实验原理合外力做功动能的变化动能速度（2）实验装置（如图所示）思考1：探究过程中，如何获得橡皮筋做功？是否需要测出橡皮筋做功的具体数值？注意：为了使弹力功的大小与橡皮筋的条数成正比，因此，每次拉长橡皮筋的长度应该相等。思考2：小车获得的速度怎样计算？思考3：实验完毕后用什么方法分析橡皮筋对小车作的功和小车速度的关系？思考4：小车在木板上运动时会受到阻力，可以采用什么方法进行补偿？可使木板略微倾斜，平衡摩擦力，作为补偿：轻推一下小车，观察小车是否做匀速直线运动思考5：纸带上的点距并不都是均匀的，应该采用那些点距来计算小车的速度？为什么？例12【2012安徽联考】为了“探究动能改变与合外力做功”的关系，某同学设计了如下实验方案：A.第一步他把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，把质量为的滑块通过细绳与质量为的带夹重锤相连，然后跨过定滑轮，重锤夹后连一纸带，穿过打点计时器，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板匀速运动如图甲所示B.第二步保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处，取下细绳和钩码，将滑块与纸带相连，使其穿过打点计时器，然后接通电源释放滑块，使之从静止开始加速运动，打出纸带，如图乙所示打出的纸带如下图：试回答下列问题：已知相邻计数的时间间隔为，根据纸带求滑块速度，当打点计时器打点时滑块速度_，打点计时器打点时滑块速度_已知重锤质量，当地的重加速度，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块_（写出物理名称及符号），合外力对滑块做功的表达式_测出滑块运动段、合外力对滑块所做的功和速度，以为纵轴，以为横轴建坐标系，描点作出图象，可知它是一条过坐标原点的倾斜直线，若直线斜率为，则滑块质量_例13【2012四川期末】“探究动能定理”的实验装置如下图所示，当小车在两条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W0。当用2条、3条、4条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0，每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出。关于该实验，下列说法正确的是 （ ）A某同学在一次实验中，得到一条记录纸带，纸带上打出的点，两端密、中间疏，出现这种情况的原因，可能是木板倾角过大B当小车速度达到最大时，小车在两个铁钉的连线处C应选择纸带上点距均匀的一段计算小车的最大速度D应选择纸带上第一点到最后一点的一段计算小车的最大速度例14【2012湖南联考】某兴趣小组在做“探究动能定理”的实验前，提出了以下几种猜想：Wv，Wv2，W。他们的实验装置如下图所示，PQ为一块倾斜放置的木板，在Q处固定一个速度传感器，物块从斜面上某处由静止释放，物块到达Q点的速度大小由速度传感器测得。为探究动能定理，本实验还需测量的物理量是 ；根据实验所测数据，为了直观地通过图象得到实验结论，应绘制 图象。6.验证机械能守恒定律本实验要求验证自由下落过程中机械能守恒，图示纸带的左端是用夹子夹重物的一端。先接通电源后松开纸带，让重锤自由下落要多做几次实验，选点迹清楚，且第一、二两点间距离接近2mm的纸带进行测量。用刻度尺量出从0点到1、2、3、4、5各点的距离h1、h2、h3、h4、h5，利用“匀变速直线运动中间时刻的即时速度等于该段位移内的平均速度”，算出2、3、4各点对应的即时速度v2、v3、v4，验证与2、3、4各点对应的重力势能减少量mgh和动能增加量是否相等。由于摩擦和空气阻力的影响，本实验的系统误差总是使本实验不需要在打下的点中取计数点。也不需要测重物的质量。例15 【2012安徽期中】实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如下图a所示，某组同学在一次实验中，选择DIS以图象方式显示实验的结果，所显示的图象如下图b所示。图象的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能EP、动能EK或机械能E，图b的图象中，表示小球的重力势能EP、动能EK或机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是 （ ） A乙、丙、甲B乙、甲、丙C甲、乙、丙D丙、甲、乙例16【2012广东潮州期末】 用自由落体法进行“验证机械能守恒定律”的实验 实验完毕后选出一条纸带如图所示，其中O点为电磁打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50Hz的交流电。用刻度尺测得OA=12.41cm，OB=18.60cm，OC=27.21cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重物的质量为1.00kg，取g=9.80m/s2。甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重物的重力势能比开始下落时减少了_J；此时重物的动能比开始下落时增加了_J。(结果均保留三位有效数字)。实验中产生系统误差的原因是_ 12.41cmOBAC18. 60cm2721cmhO 乙同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，以h为横轴，以为纵轴画出了如图的图线。图线未过原点O的原因是_。例17 【2012四川模拟】（1）某学习小组在“研究匀变速直线运动”的实验中，用如下图所示的气垫导轨装置来测小车的加速度，由导轨标尺可以测出两个光电门之间的距离L，窄遮光板的宽度为d，窄遮光板依次通过两个光电门的时间分别为t1、t2，则滑块的加速度可以表示为a= （用题中所给物理量表示）。（2）该学习小组在测出滑块的加速度后，经分析讨论，由于滑块在气垫导轨上运动时空气阻力很小，可用上述实验装置来验证机械能守恒定律，为此还需测量的物理量是 ，机械能守恒的表达式为 。答案：例1 略例2 略例3例4 0.1 1.60例5（1）0.495至0.497m/s2 之间均可 （2）CD（3） 偏大 存在纸带与限位孔之间的阻力等【解析】（1）由逐差法，则a=0.495m/s2。(2)由牛顿第二定律，则需要测定滑块的质量m2和托盘和砝码的总质量m3，则选CD。（3）由（2）中等式可得=，因存在纸带与限位孔之间的阻力等，测量的动摩擦因数偏大。例6 略 例7 略 例8 C 例9 （1）v1= v2=于 （2）a通过原点的直线【解析】（1）瞬时速度等于极短时间内的平均速度，则v1=，v2=；由运动学公式，则。图象法研究两个物理量的关系，图象画出来尽可能是线性关系，应画a图，所以a图在理论上是一条通过原点的直线。例10 （1）D （2）丙 （3）0.49或0.50【解析】每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力；实验时应先接通电源后释放小车；本实验m2应远小于m1，选项ABC错误。由牛顿第二定律可知，在用图象探究加速度与质量关系时，应作a-图象，选项D正确。如果遗漏了平衡摩擦力这一步骤，加了较小的力，小车仍静止，他测量得到的a- F图像为丙。由x=aT2可得小车的加速度大小为0.50m/s2例11 （1）a图象如下图所示 在物体受外力不变时，物体的加速度与质量成反比 0.15N至0.16N之间均对 （2）木板倾角过大（或平衡摩擦力太过） 1.9至2.1之间均对 【解析】（1）由牛顿第二定律F=ma得，即图线的斜率等于小车所受的合外力，大小为。(2)由图象可得拉力等于零时，加速度不等于零，故木板倾角过大（或平衡摩擦力太过）；由牛顿第二定律F=ma得，即图线的斜率等于小车质量的倒数，小车质量大小为。例12 下滑的位移 【解析】时间中点的瞬时速度：；因整个系统在图甲中速度运动，撤去重锤后，滑块下滑的所受到的合外力就是重锤的重力，由动能定理，只要知道滑块下滑的位移就可得合个力所做的功，并合力功为由动能定理可得，若描点作出图象，是一条过坐标原点的倾斜直线，直线斜率为，滑块质量例13 C【解析】木板倾角过大时，相邻两点之间的间隔会越来越大，选项A错误；当橡皮筋处于原长时，小车达到最大速度，而不是小车在两铁钉的连线处，选项B错误；本实验平衡阻力后，橡皮筋做功结束后，小车做匀速直线运动，选项C正确、选项D错误。例14 物块初始位置到测速器的距离L L-v2【解析】物块在斜面上所受合力F不变，由得，可见本实验还需测量的物理量是物块初始位置到测速器的距离L，由于L与v2成正比，所以应绘制L-v2图象。例15 A【解析】小球在静止释放后，重力在做正功，重力势能EP不断减少，动能EK不断增加，通过观察图象b特点易知：丙表示重力势能EP，乙表示动能EK，甲表示机械能E。例16】1.82 1.80，纸带通过打点计时器受摩擦阻力、空气阻力l 先释放重物，再接通计时器电源【解析】mgh=1.00×9.80×18.6×10-2=1.82，vB=AC/0.04=(27.21-12.41)×10-2×/0.08=0.60(m/s)，Ek=1.80，纸带通过打点计时器受摩擦阻力、空气阻力 先释放重物，再接通计时器电源(“打下第一个点时重物已经有速度”也对)例17 （1） （2）滑块的质量M和沙桶的质量m 【解析】（1）由，得。（2）滑块和沙桶组成的系统机械能守恒，为此还需用天平测出滑块的质量M和沙桶的质量m，系统机械能守恒的表达式为。专心-专注-专业