高考物理考前知识专题15力学实验专题15 力学实验.docx

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高考物理考前知识专题15力学实验专题15力学实验

考题一　“纸带类”实验

新课标《考试大纲》规定的六个力学实验中有四个涉及打点计时器：

研究匀变速直线运动、探究加速度与力、质量的关系、探究做功和物体速度变化的关系和验证机械能守恒定律.这类实验的关键是要掌握纸带的分析处理方法，对于纸带常有以下三大应用：

1.由纸带确定时间

要区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，便于测量和计算.

2.求解瞬时速度

利用做匀变速直线运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度.如图1所示，打n点时的瞬时速度vn＝.

图1

3.用“逐差法”求加速度

如图2所示，a＝.

图2

有些实验用光电门代替打点计时器来完成瞬时速度和加速度的测量，具体做法如下：

（1）求瞬时速度：

把遮光条（宽度为d）通过光电门的时间Δt内的平均速度看做物体经过光电门的瞬时速度，即v＝.

（2）求加速度：

若两个光电门之间的距离为L，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a＝.

例1　图3甲是“研究匀变速直线运动”的实验装置，图乙是该实验中获得的一条纸带.已知所用交流电源的频率为50Hz，A、B、C、D、E、F是纸带上的计数点，相邻计数点间还有四个点没有画出.

图3

（1）实验时由于没有记录CD间的读数，根据图乙中已有的数据估算出CD间的距离约为________cm.

（2）某同学在处理数据时将A点记为t＝0，B点记为t＝0.1s，C点记为t＝0.2s……，将AB间距离记为t＝0.1s时的位移x1＝1.50cm，BC间距离记为t＝0.2s时的位移x2＝1.81cm……，并根据图乙中的数据作出如图丙所示的x－t图象，该图线与纵坐标的交点表示的是______；若该同学根据图象得出x－t图象的斜率为k（m/s），则该纸带运动时的加速度大小是________m/s2（请用斜率k来表示，数值概不给分）.

（3）若将实验中的打点计时器拿掉，改用在水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砂桶，如图丁所示，可以用来验证“牛顿第二定律”，实验时，先测出小车、传感器和挡光板的总质量m，再让小车从靠近光电门1处由静止开始运动，读出小车在两光电门之间的运动时间t.改变小车质量m，测得多组m、t的值，建立坐标系描点作出图线，下列能直观得出“合外力一定时，加速度与质量成反比”的图线是________.

解析　

（1）由Δx＝aT2，即ED－CD＝CD－BC＝aT2，

得CD＝＝2.13cm.

（2）x－t图象与纵坐标的交点为OA的距离；由＝可知，且各段位移的时间均为0.1s，故当纵坐标的位移除以0.1s时，即为各段的平均速度值，则加速度大小a＝＝＝10×＝10k.

（3）小车从靠近光电门1处由静止开始做匀加速运动，位移x＝at2.改变小车质量m，测得多组m、t的值，则加速度a＝，位移不变，故a与t2成反比，m与t2成正比，能直观得出“合外力一定时，加速度与质量成反比”的图线是C.故选C.

答案　

（1）2.13　

（2）OA之间的距离　10k　（3）C

变式训练

1.在用图4所示的装置“验证牛顿第二定律”的实验中，保持小车质量一定时，验证小车加速度a与合力F的关系.

图4

（1）除了电火花计时器、小车、砝码、砝码盘、细线、附有定滑轮的长木板、垫木、导线及开关外，在下列器材中必须使用的有________（选填选项前的字母）.

A.220V、50Hz的交流电源

B.电压可调的直流电源

C.刻度尺

D.秒表

E.天平（附砝码）

（2）为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，以下操作正确的是________.

A.调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行

B.在调整长木板的倾斜度平衡摩擦力时，应当将砝码和砝码盘通过细线挂在小车上

C.在调整长木板的倾斜度平衡摩擦力时，应当将穿过打点计时器的纸带连在小车上

（3）某同学得到了图5所示的一条纸带，由此得到小车加速度的大小a＝________m/s2.

图5

（4）在本实验中认为细线的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力mg，已知三位同学利用实验数据作出的a－F图象如图6中的1、2、3所示.下列分析正确的是________（选填选项前的字母）.

图6

A.出现图线1的原因可能是没有平衡摩擦力

B.出现图线2的原因可能是砝码和砝码盘的质量不合适

C.出现图线3的原因可能是在平衡摩擦力时长木板的倾斜度过大

（5）在本实验中认为细线的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力mg，由此造成的误差是________（选填“系统误差”或“偶然误差”）.设拉力的真实值为F真，小车的质量为M，为了使<5%，应当满足的条件是<________.

答案　

（1）ACE　

（2）AC　（3）15　（4）B　（5）系统误差　5%

解析　

（1）打点计时器接交流电源，处理纸带时要用刻度尺测出计数点间的距离，还要用到天平测砝码和砝码盘的质量，故选A、C、E；

（2）在平衡摩擦力时，不能挂盘；要保证细线和纸带与木板平行，先接通电源，再释放小车，若纸带做匀速直线运动，则纸带上的点间距是均匀的，即说明平衡了摩擦力，故选A、C；

（3）由图知AC＝6.40cm，CE＝8.80cm，CE－AC＝a（2T）2，得a＝＝15m/s2；

（4）出现图线1的原因是平衡摩擦力过大，A错误；出现图线2的原因是砝码和砝码盘的质量没有远小于小车的质量，B正确；出现图线3的原因是平衡摩擦力时长木板的倾斜度过小，使得摩擦力过大，C错误.故选B.

（5）小车在做匀加速直线运动时，砝码和砝码盘也在做匀加速直线运动，细线的拉力F一定小于砝码和砝码盘的总重力mg，此误差不可避免，为系统误差；小车与砝码和砝码盘都在做加速度为a的匀加速直线运动，对砝码和砝码盘有mg—F真＝ma，对小车有F真＝Ma，代入<5%，得<5%.

2.如图7甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验.有一直径为d、质量为m的金属小球由A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为H（H≫d），光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g.则：

图7

（1）如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径d＝________mm.

（2）多次改变高度H，重复上述实验，作出随H的变化图象如图丙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足以下表达式：

____________________时，可判断小球下落过程中机械能守恒.

（3）实验中发现动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp，增加下落高度后，则ΔEp－ΔEk将__________（选填“增加”“减小”或“不变”）.

答案　

（1）7.25　

（2）2gH0t＝d2　（3）增大

解析　

（1）游标卡尺的读数为：

d＝（0.7×10＋5×0.05）mm＝7.25mm；

（2）若减小的重力势能等于增加的动能时，可以认为机械能守恒；

有：

mgH＝mv2，即2gH0＝（）2，

得：

2gH0t＝d2；

（3）由于在该过程中有阻力做功，且高度越高，阻力做功越多，故增加下落高度后，则ΔEp－ΔEk将增大.

3.某实验小组用图8甲实验装置探究合力做功与动能变化的关系.铁架台竖直固定放置在水平桌面上，将长木板倾斜放置，一端固定在水平桌面边缘P处，另一位置放置在铁架台的铁杆上，忽略铁杆粗细，木板与铁杆接触处记为Q,P处放置一光电门.实验步骤是：

图8

①用游标卡尺测出滑块的挡光片宽度l，用天平测出滑块的质量m；

②平衡摩擦力：

以木板放置在水平桌面上的P处为轴，调节长木板在铁架台上的放置位置，使滑块恰好沿木板向下做匀速运动.在铁架台竖直杆上记下此位置Q1，用刻度尺测出Q1到水平桌面的高度H；

③保持P位置不变，长木板一端放置在铁架台竖直杆Q2上.用刻度尺量出Q1Q2的距离h1，将滑块从木板上的Q2位置由静止释放，由光电门计时器读出滑块的挡光时间t1；

④保持P位置不变，重新调节长木板一端在铁架台上的放置位置，重复步骤③数次.

Ⅰ.滑块沿长木板由Q2运动到P的过程中，用测量的物理量回答下列问题（已知重力加速度为g）：

（1）滑块动能的变化量ΔEk＝________，

（2）滑块克服摩擦力做的功Wf＝________，（3）合力对滑块做的功W合＝________.

Ⅱ.某学生以铁架台竖直杆上的放置位置到Q1的距离h为横坐标，以滑块通过光电门的挡光时间的平方倒数为纵坐标，根据测量数据在坐标系中描点画出如图乙所示直线，若图线过原点，且图线斜率k＝________，则能证明合外力做的功等于物体动能增量.

答案　Ⅰ.

（1）　

（2）mgH　（3）mgh1　Ⅱ.

解析　

（1）由于挡光片宽度很小，滑块通过光电门的速度v＝，滑块动能的变化量ΔEk＝mv2－0＝

（2）从Q1释放匀速下滑时，由动能定理有：

mgH－μmglcosθ＝0，且lcosθ＝x，得：

μmgx＝mgH，从Q2释放时，设长木板的倾角为α，Q2P长度为L′，则克服摩擦力做功为Wf＝μmgL′cosα，且L′cosα＝x，故Wf＝mgH.

（3）合力做的功W合＝mg（H＋h1）－Wf＝mgh1.

Ⅱ.由动能定理：

W合＝ΔEk，有mgh＝，

整理得：

＝h，故图线斜率k＝.

考题二　“橡皮条”“弹簧”类实验

1.注意橡皮条、弹簧本身的特点，力的特点是不能突变，能的特点是弹簧拉伸和压缩相同的量势能相等，在实验中也会用到.

2.弹簧弹性势能表达式不需推导和应用，但还是要知道，在验证性实验中常用到其结论.

例2　某物理兴趣小组的同学在研究弹簧弹力的时候，测得弹力的大小F和弹簧长度l的关系如图9所示，则由图线可知：

图9

图10

（1）弹簧的劲度系数为________N/m.

（2）为了用弹簧测定两木块A和B间的动摩擦因数μ，两位同学分别设计了如图10所示的甲、乙两种方案.

①为了用某一弹簧测力计的示数表示A和B之间的滑动摩擦力的大小，你认为方案________更合理.

②若A和B的重力分别为10.0N和20.0N.当A被拉动时，弹簧测力计a的示数为6.0N，b的示数为11.0N，c的示数为4.0N，则A和B间的动摩擦因数为______.

解析　

（1）由图知，当F＝0时l0＝20cm，即弹簧的原长，当F0＝60N时l＝40cm，则Δl＝l－l0＝0.2m；由胡克定律得k＝＝N/m＝300N/m；

（2）①乙方案：

因在拉着物体A运动的过程中，拉A的弹簧测力计在不断地运动，示数可能会变化，读数不准；甲方案：

弹簧测力计a是不动的，指针稳定便于读数，故甲方案更合理；

②由于弹簧测力计a示数为6.0N，故A、B间的动摩擦因数μ＝＝＝0.30.

答案　

（1）300　

（2）①甲　②0.30

变式训练

4.某同学用如图11甲所示的实验装置来验证“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点的位置和拉线的方向.

图11

（1）本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图乙中的示数为________N.

（2）下列的实验要求中不必要是________.（填写选项前对应的字母，下同）

A.细线应尽可能长一些

B.应测量重物M所受的重力

C.细线AO与BO之间的夹角应尽可能大于90°

D.改变拉力的大小与方向，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置

（3）图丙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示，下列说法正确的是______.

A.图中的