2022年力学实验基础知识归纳 .pdf
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1、力学实验基础知识汇编实验实验一: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:验证力的平等四边形定则实验四:验证牛顿运动定律实验五:探究动能定理实验六:验证机械能守恒定律实验七:验证动量守恒定律1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时器、弹簧秤等。2要求认识误差问题在实验中的重要性,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少偶然误差;能在某些实验中分析误差的主要来源;不要求计算误差。3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。间接测量的有效数字运算不做要求。实验一、研究匀变速直线运
2、动1实验目的(1)用打点计时器研究匀变速直线运动,测定匀变速直线运动的加速度。(2)掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法。2实验器材打点计时器、纸带、复写纸片、交流电源、小车、细绳、一端附有滑轮的长木板、刻度尺、钩码、两根导线。3实验装置打点计时器:电火花220v 交流电电磁式 4-6v 低压交流电源本实验:不要求平衡摩擦力,不要求Mm. 要求: 拉小车的绳与木板小车要靠近打点计时器(离定滑轮远些)操作时要先接通电源,再释放小车(不是纸带)4数据处理:(1)判断物体是否做匀变速直线运动根据 “ 相邻的相等时间间隔内的位移之差是一常数” 来判定, 即计算: s2s1、s3 s2、s4s3、 若
3、存在以上差值相等,则物体做匀变速直线运动。(2)各计数点速度的测量方法,物体做匀变速运动时,一段时间内的平均速度等于该段时间内中间时刻的速度,即v1=( s2+s1)/2T, v2=( s3+s2)/2T,v3=( s4+s3)/2T(3)由纸带求匀变速直线运动的加速度方法图像法:如图所示,以v 为纵轴, t 为横轴建立直角坐标系(0 为零时刻 )。在坐标系中描出对应坐标:(t1、v1)、(t2、v2)、(t3、v3) 所对应的各点在图像中用一条直线连接起来,尽量使直线过大多数点,且各点分布在直线上下,直线斜率为加速度。逐差法:根据23362225211423,3,3,TaSSTaSSTaSS
4、aTS则23216543219)()(3TSSSSSSaaaa得精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 17 页习题1.关于打点计时器的使用,下列说法中正确的是() A打点计时器一般使用46 V 的直流电源B安放纸带时,应把纸带放在复写纸的上面C开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器D最好在接通电源的同时,放开小车2.一同学在用打点计时器做“ 研究匀变速直线运动” 的实验时,纸带上打出的点不是圆点,而是如图所示的一些短线,这可能是因为() A打点计时器错接在直流电源上B电源电压不稳定C电源的频率不稳定D打点针压得过紧3.在某次实
5、验中,如果某同学不知道实验所使用的交流电电源的实际频率已超过50 Hz,那么,他计算出来的加速度值与真实值相比是() A偏大B偏小C相等D不能确定4.“ 研究匀变速直线运动” 的实验中, 使用电磁打点计时器(所用交流电的频率为50 Hz),得到如图所示的纸带图中的点为计数点,相邻两计数点间还有四个点未画出来,下列表述正确的是() A实验时应先放开纸带再接通电源B(s6s1)等于 (s2s1)的 6 倍C从纸带可求出计数点B 对应的速率D相邻两个计数点间的时间间隔为0.02 s 6.下图为接在50Hz 低压交流电源上的打点计时器,在纸带做匀加速直线运动时打出的一条纸带,图中所示的是每打5 个点所
6、取的记数点,但第3 个记数点没有画出由图数据可求得:(1)该物体的加速度为m/s2,(2)第 3 个记数点与第2 个记数点的距离约为cm,(3)打第 3 个点时该物体的速度为m/s (结果保留二位小数)7.在 “ 测定匀变速直线运动的加速度” 的实验中,用打点计时器记录纸带运动的时间计时器所用电源的频率为50Hz,图为一次实验得到的一条纸带,纸带上每相邻的两计数点间都有四个点未画出,按时间顺序取0、1、2、3、 4、5 六个计数点,用米尺量出1、2、3、4、5 点到 0 点的距离如图所示(单位: cm) 由纸带数据计算可得计数点4 所代表时刻的即时速度大小v4_m s,小车的加速度大小a_ms
7、2 (结果保留三位有效数字)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 17 页实验二:探究弹力和弹簧伸长的关系一、 实验目的探索弹力与弹簧伸长的定量关系,并学习其中的科学方法。二、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。这样弹力的大小可以通过测定外力而得出 (可以用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力);弹簧的伸长可用直尺测出。多测几组数据,用列表或作图的方法探索出弹力和弹簧伸长的定量关系。三、实验器材轻弹簧、钩码(一盒) 、刻度尺、铁架台、三角板、重垂线、坐标纸。【要点精解】一、 实验步骤1将铁架台放于桌面上,将
8、弹簧的一端固定于铁架台的横梁上,在靠近弹簧处将刻度尺固定于铁架台上,并用重垂线检查刻度尺是否垂直。2待 弹簧静止 后,记下弹簧的原长(自然长度)l03 在弹簧下端挂上钩码,待钩码静止 后, 记下 弹簧的的长度l 及钩砝的个数 , 算出伸长量x=l-l0,并改变钩码个数,多次测量。数据记录表如下:数据记录:(弹簧原长l0= cm)1 2 3 4 5 6 7 F/N l/cm x/cm 4根据测量数据画出F-x 图像。 (以 F 为纵轴,以x 为横轴)5探索结论:按照F-x 图中各点的分布与走向,尝试做出一条平滑的曲线(包括直线)。所画的点不一定正好在这条曲线上,但要注意使曲线两侧的点数大致相同。
9、尝试写出曲线所代表的函数,首先尝试 F-x 是否为一次函数,如果不行则考虑二次函数在实验误差范围内,应得出弹力的大小与弹簧的伸长量成正比,即F=kx,其中 k 的单位由F和 x 的单位决定。二、 注意事项1强调实验的探索性,即实验前并不知道弹力和弹簧的伸长有什么关系。2实验中悬挂钩码时注意不要太多,以免弹簧被过分拉伸,超过弹簧的弹性限度。3要使用轻质弹簧,为了减小误差,要尽量多测几组数据。4根据 F-x 图线,尝试做出一条平滑曲线时要注意:如果有一两个点远偏离绝大多数点所决定的曲线,就要考虑将这些点删除掉。三、练习【例 1】几个同学合作如图甲所示装置探究“ 弹力和弹簧伸长的关系” ,弹簧的上端
10、与标尺的零刻度对齐, 他先读出不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,然后在弹簧下端挂上钩码,并逐个增加钩码,依次读出指针所指的标尺刻度,所得数据列表如下:(弹簧始终未超过弹性限度,重力加速度g=9.8m/s2)钩码质量m/g0306090120150标尺刻度x/10-2m6.007.158.349.4810.6411.79根据所测数据,在图乙所示的坐标纸上作出弹簧指针所指的标尺刻度x 与钩精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 17 页码质量 m 的关系曲线。作出的图线与轴交点的纵坐标值的物理意义是;这种规格弹簧的劲度系数k=
11、N/m(保留三位有效数字) 。解析: 作图时注意坐标轴的物理量、单位、单位标度等。答案: 弹簧的自然长度(原长)为6cm 26.0 【例 2】下表是某同学为探索弹簧的弹力和伸长的关系所测的几组数据。弹力 F/N 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 伸长 x/cm 2.30 5.08 6.89 9.80 12.40 (1)请你在图中的坐标纸上作出F-x 图线。(2)写出曲线所代表的函数式。(3)解释函数表达式中常量的物理意义。(4)若弹簧的原长为40cm,并且以弹簧的总长为自变量,请你写出它的函数式。解析: (1)根据表中数据描点,按照图中各点的分布与走向,应作出一条直线,使直线两侧的点数大
12、致相同。这样可以减少偶然误差,如图所示。(2)设直线斜率为k,由数学知识知,F=kx+C 。在直线上取较远的两点(可以减小误差),如点 (9.80, 2.0) 与 (2.61, 0.5) , 并代入上式得k=0.2N/cm , C=0.04N , 所以函数表达式为: F= (0.2x+0.04)N。(3)由 F=kx+C 知,当 x=0 时, F=C,因此,式中常数C 表示弹簧的重力为0.04N。若忽略弹簧的重力,则F=kx。因此,式中常数k=F/x 表示使弹簧形变单位长度时弹簧的弹力,即劲度系数。(4)设弹簧的总长为L,则F=kx+C=k(Lx-40)+C=(0.2lLx-7.96)N。思考
13、:若作出的直线不过原点,原因是:。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 17 页实验三:验证力的平等四边形定则1实验目的、原理实验目的:验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则,原理:利用等效法两个力共同作用使橡皮条伸长到结点0,一个力作用也使橡皮条伸长到结点0,这一个力就是前两个力的合力2实验器材方木板、白纸、弹簧秤(两只 )、橡皮条、细绳套(两个 )、三角板、刻度尺、图钉若干3实验步骤(1)用图钉把白纸固定在水平桌面的方木板上(2)用图钉把橡皮条的一端固定在A 点,橡皮条的另一端拴上两个细绳套(3)用两只弹簧秤分别钩住细
14、绳套,互成角度地拉橡皮条,将结点拉到某一位置O,记录 两弹簧秤的读数 ,用铅笔描下0 点位置 及此时 两条细绳套的方向(4)用铅笔和刻度尺从0 点沿两条细绳方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧秤的读数F1和 F2的图示,以Fl、F2为邻边用铅笔及刻度尺作平行四边形,两邻边所夹的对角线即为合力 F 的图示 (5)只用一只弹簧秤钩住细绳套,把橡皮条的结点拉到同一位置 0记下此时 弹簧秤的示数F,及细绳的方向,用刻度尺按同样的标度作出F,的图示(6)比较 F 与 F 的大小和方向(7)改变 F1、F2的大小和夹角,重复做两次实验,得出结论4注意事项(1)在本实验中,以橡皮条的伸长(结点到达某一位置
15、)来衡量力的作用效果,因此,在同一次实验中应使两种情况下结点达到同一位置(2)实验前,首先检查弹簧秤的零点是否正确实验中,弹簧秤必须保持与木板平行,使用时不能超过弹性限度,读数时应估读到最小刻度的下一位(3)画力的图示时,标度的选取应恰当,要严格按几何作图法求合力习题:1.在互成角度的两个共点力的合成实验中,其中有三个实验步骤:(1)在水平放置的木板上垫一张白纸,把橡皮条的一端固定在木板上,另一端拴两根细线,通过细线同时用两个测力计互成角度地拉橡皮条,使它与细线的结点到达某一位置0 点,在白纸上记下。点和两测力计的读数F1和 F2;(2)在纸上根据Fl和 F2的大小,应用平行四边形定则作图求出
16、合力F;(3)只用一只测力计通过细绳拉橡皮条,使它的伸长量与用两测力计同时拉时相等,记下此时测力计的读数F 和细绳的方向以上三个步骤中均有错误或疏漏,请指出:(1)中是 _ (2)中是 _ (3)中是 _ 2.在本实验中,橡皮条的一端固定在木板上,用两个弹簧秤把橡皮条的另一端拉到某一位置O 点,以下操作中错误的是A同一次实验过程中,O 点位置发生改变精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页B在实验中,弹簧秤必须保持与木板平行,读数时视线要正对弹簧秤刻度C实验中,先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大量程,然后只需调节另一弹
17、簧秤拉力的大小和方向,把橡皮条的结点拉到O 点D实验中,把橡皮条的结点拉到O 点时,两弹簧之间的夹角应取90 不变,以便于算出合力的大小3.在互成角度的两个共点力的合成的实验中,假如Fl的大小及方向固定不变,那么为了使橡皮条仍然伸长到0 点,对 F2来说,下面几种说法中正确的是( ) AF2有多个方向BF2的方向和大小可以有多个值CF2的方向和大小是惟一确定值DF2的方向是惟一的,但大小可以有多个值4.某小组做本实验时得出如图所示的图(F与 A、O 共线),其中 A 为固定橡皮条的图钉, O 为橡皮条与细绳套的结点,图中 _是 F1与 F2合力的真实值,_是 F1与 F2合力的实验值,需要进行
18、比较的是_和_。通过本实验可以验证_。5.做本实验时,其中的三个实验步骤是:(1)在水平放置的木板上垫一张白张,把橡皮条的一端固定在板上,另一端拴两根细线,通过细线同时用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条,使它与细线的结点达到某一位置 O 点,在白纸上记下O 点和两弹簧秤的读数F1和 F2。(2)在纸上根据F1和 F2的大小,应用平行四边形定则作图求出合力F 的大小。(3)只用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条,使它的伸长量与两个弹簧秤拉时相同,记下此时弹簧秤的读数 F和细绳的方向。以上三个步骤中均有错误或疏漏,指出错在哪里?在( 1)中是 _。在( 2)中是 _。在( 3)中是 _。6.在 “ 验证力的平
19、行四边形定则” 的实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳,细绳的另一端都有绳套实验中需用两个弹簧测力计分别勾住绳套,并互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长,结点到达一位置O. (1)某同学在做该实验时认为:A拉橡皮条的绳细一些且长一些,实验效果较好B拉橡皮条时,弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行C橡皮条弹性要好,拉结点到达某一位置O 时,拉力要适当大些D拉力 F1和 F2的夹角越大越好其中正确的是 _(填入相应的字母)(2)若两个弹簧测力计的读数均为4 N, 且两弹簧测力计拉力的方向相互垂直,则_(选填“ 能” 或“ 不能 ”)用一个量程为5 N 的弹簧测力
20、计测量出它们的合力,理由是 _F1 F2 FFO精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 17 页实验四:验证牛顿运动定律一、实验目的1学会用控制变量法研究物理规律;2验证牛顿第二定律;3掌握利用图象处理数据的方法二、实验原理与方法1验证牛顿运动定律的实验依据是牛顿运动定律,即FMa,当研究对象有两个以上的参量发生变化时, 设法控制某些参量使之不变,而研究另外两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量法本实验中有力F、质量 M 和加速度a 三个变量,研究加速度a 与 F 及 M 的关系时,先控制质量 M 不变,讨论加速度a 与力 F
21、的关系;然后再控制力F 不变,讨论加速度a 与质量 M 的关系2实验中需要测量的物理量和测量方法是:小车及砝码的总质量M;用天平测出小车受到的拉力F 认为等于托盘和砝码的总重力mg小车的加速度a 利用纸带根据s= aT2计算三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、重物、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、砝码四、实验步骤及数据处理1用天平测出小车和砝码的总质量M,小盘和砝码的总质量m,把数值记录下来2按如图所示把实验器材安装好,只是不把悬挂小盘的细绳系在车上,即不给小车加牵引力3平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板反复移动木板的
22、位置,直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态 这时, 小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡4把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘,先接通电源再放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列的点,打完点后切断电源,取下纸带,在纸带上标上纸带号码5保持小车和砝码的质量不变,在小盘里放入适量的砝码,把小盘和砝码的总质量m记录下来,重复步骤4在小桶内再放入适量砝码,记录下小盘和砝码的总质量m ,再重复步骤46重复步骤5 两次,得到三条纸带7在每条纸带上都选取一段比较理想的部分,标明计数点,测量计数点间的距离,算出每条纸带上的加速度的值8用纵坐标表示加速度a,横坐标表
23、示作用力F,作用力的大小F 等于小盘和砝码的总重力,根据实验结果在坐标平面上画出相应的点,如果这些点是在一条过原点的直线上,便证明了加速度与作用力成正比9保持小盘和砝码的质量不变,在小车上加砝码,重复上面的实验,用纵坐标表示加速度a,横坐标表示小车和砝码总质量的倒数,根据实验结果在坐标平面上画出相应的点如果这些点是在一条过原点的直线上,就证明了加速度与质量成反比交流与思考 :若由实验结果画出的小车运动的a-F 图线是一条并不过原点的直线,说明实验中存在什么问题?图线的斜率有何物理意义?实验中并不画出a-M 图线,而是画出Ma1图线,这包含了哪些物理思想方法?提示 :a-F 图线是一条并不过原点
24、的直线,说明F 并不是小车受到的合外力若图线在F 轴上有截距, 说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足;若图线在a 轴正向有截距, 说明平衡摩擦力过度,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 17 页此时图线的斜率表示M1由牛顿第二定律可知,a 与 M 成反比,所以a-M 图线并不是直线为了减小实验误差,也为了将曲线转化为便于研究的直线,画出Ma1图线,这包含了物理学中化曲为直的思想方法,此时图线的斜率表示F五、注意事项1一定要做好平衡摩擦力的工作,也就是调出一个合适的斜面,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力在平
25、衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,但要让小车拖着打点的纸带运动2实验步骤2、3 不需要重复,即整个实验平衡了摩擦力后,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,都不需要重新平衡摩擦力3每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总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小车受到的拉力4改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,再放开小车,且应在小车到达滑轮前按住小车5作图象时,要使尽可能多的点分布在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧 . 6作图时两轴标度比例
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