届高三物理第二轮复习专题物理实验 第一节《力学实验与创新》教师版Word下载.docx
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力学实验中用到打点计时器的实验有5个，分别是：
用打点计时器测速度、探究小车速度随时间变化的规律、探究加速度与力、质量的关系、探究做功与速度变化的关系及验证机械能守恒定律.
2.纸带数据的处理方法
3.平衡摩擦力的两个实验及方法
探究加速度与力、质量的关系及探究做功与速度变化的关系两个实验均需平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法是垫高有打点计时器的一端，给小车一个初速度，小车能匀速下滑.
4.三个关键点
（1）区分计时点和计数点:
计时点是指打点计时器在纸带上打下的点.计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点.要注意“每五个点取一个计数点”与“每隔四个点取一个计数点”的取点方法是一样的.
（2）涉及打点计时器的实验均是先接通电源.打点稳定后，再释放纸带.
（3）实验数据处理可借助图像，充分利用图像斜率、截距等的物理意义.
【预测练1】某同学在做研究匀变速直线运动实验时，获取了一条纸带的一部分，0，1，2，3，4，5，6，7是计数点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示.由于粗心，该同学忘了测量3，4两个计数点之间的距离.求:
（1）其中6号计数点的瞬时速度的大小v6= m/s.（保留三位有效数字）
（2）利用逐差法处理数据，计算出滑块的加速度a= m/s2.（保留三位有效数字）.
（3）计数点3，4之间的距离是x4= m.（保留三位有效数字）
（1）每相邻两计数点间还有4个点未标出，则周期T=0.02×
5s=0.1s;
时间中点的速度等于该过程中的平均速度，
v6=
10-2m/s≈0.413m/s.
（2）根据匀变速直线运动的推论，结合逐差法，那么滑块的加速度为
a=
≈0.496m/s2.
（3）依据相等时间内，位移之差相等，
即x24-x02=x46-x24;
解得x24=
10-2m=5.28×
10-2m，
因此x34=2.88×
10-2m.
（1）0.413
（2）0.496
（3）2.88（2.87~2.89）×
10-2
【预测练2】某同学用如图1所示的实验装置研究小车在斜面上的运动.
（1）用细绳将沙和沙桶通过滑轮与小车连接，调节斜面的倾角θ，使小车沿斜面向下做匀速直线运动，用天平测出沙和沙桶的总质量m;
（2）保持斜面倾角θ不变，取下沙和沙桶，接通电源，在靠近打点计时器处重新释放小车.
（3）图2是该同学实验中打出的一条纸带的一部分，打点计时器电源的频率为50Hz，相邻两计数点间还有4个点未画出.
设图2中自左到右的六组数据依次表示为x1，x2，x3，…，由于这些数据满足关系式 ，可以判断小车沿斜面向下做 运动.若测得沙和沙桶的总质量为310g，则小车的质量为 kg（结果保留三位有效数字，重力加速度取9.8m/s2）.
（4）在上述实验中，以下说法正确的是 .（填正确答案标号）
A.小车的质量应远大于沙和沙桶的质量
B.连接小车、沙和沙桶的细绳与斜面应保持平行
C.打点计时器的电源应选取220V交流电
D.实验过程需用秒表计时
（3）由纸带数据，可知，x2-x1=x3-x2=x4-x3=1.98cm，即可判定小车做匀加速直线运动;
调节斜面的倾角θ，使小车沿斜面向下做匀速直线运动，保持斜面倾角θ不变，取下沙和沙桶，小车做匀加速直线运动，其加速度大小a=
m/s2=1.98m/s2;
依据牛顿第二定律，则有mg=Ma，
解得M=
kg≈1.53kg;
（4）依据实验原理，本实验不需要小车的质量应远大于沙和沙桶的质量，故A错误;
实验时连接小车、沙和沙桶的细绳与斜面应保持平行，故B正确;
电火花打点计时器的电源应选取220V交流电，故C正确;
实验过程中打点计时器能算出时间，不需用秒表计时，故D错误.
（3）x2-x1=x3-x2=x4-x3=x5-x4=x6-x5 匀加速直线 1.53 （4）BC
考向二 弹簧类问题
【例2】
用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能.将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在O点;
在O点右侧的B，C位置各安装一个光电门，计时器（图中未画出）与两个光电门相连.先用米尺测得B，C两点间距离s，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A，静止释放，计时器显示遮光片从B到C所用的时间t，用米尺测量A，O之间的距离x.
（1）计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是v= .
（2）为求出弹簧的弹性势能，还需要测量 .（填字母序号）
A.弹簧原长
B.当地重力加速度
C.滑块（含遮光片）的质量
（3）若气垫导轨左端比右端略高，弹性势能的测量值与真实值比较将 （填字母序号）.
A.偏大B.偏小C.相等
（1）滑块离开弹簧后的运动可视为匀速运动，故可以用BC段的平均速度表示离开时的速度，则有v=
;
（2）弹簧的弹性势能等于物体增加的动能，故应求解物体的动能，根据动能表达式可知，应测量滑块的质量，故选C.
（3）若气垫导轨左端比右端略高，导致通过两光电门的时间将减小，那么测得速度偏大，因此弹性势能的测量值也偏大，故选A.
（1）
（2）C （3）A
与弹簧、橡皮条有关实验的基本思路：
在力学实验中用到弹簧或橡皮条的实验有探究弹力与弹簧伸长量的关系、验证力的平行四边形定则、探究动能定理.
1.探究弹力和弹簧伸长量的关系
（1）实验原理
要测出每次悬挂重物的重力大小G和弹簧伸长的长度x，建立G
x坐标系，描点作图探究.
（2）操作关键
①实验中不能挂过多的钩码，使弹簧不超过弹性限度.
②作图像时，不要连成“折线”，而应尽量让坐标点落在直线上或均匀分布在直线的两侧.
2.验证力的平行四边形定则
使一个力的作用效果跟两个力的共同作用效果相同.
①每次拉伸结点位置O必须保持不变.
②记下每次各力的大小和方向.
③画力的图示时应选择适当的标度.3.有关数据处理的三点提醒
（1）刻度尺及弹簧测力计的读数
①以1mm为分度值的刻度尺，要估读到1mm的十分位.
②弹簧测力计读数时要先看量程和分度值，再根据指针所指的位置读出所测力的大小.如分度值为0.1N，则要估读，即有两位小数，如分度值为0.2N，则小数点后只能有一位小数.
（2）F
x和F
l图像的特点
①F
x为一条过原点的直线，而F
l为一条不过原点的倾斜直线.
②F
x图线和F
l图线的斜率均表示弹簧（或橡皮筋）的劲度系数.
③F
l图线在l轴的截距表示弹簧（或橡皮筋）的原长.
④F
l图线发生弯曲的原因是弹簧（或橡皮筋）超出了弹性限度.
（3）在验证力的平行四边形定则的实验中，利用平行四边形定则求得的合力与测得的合力一般不完全重合.
【预测练3】小鲁为研究物体所受空气阻力与物体运动速度的关系，小鲁约爸爸在一个无风的周末开汽车来到郊外一段人车稀少的平直公路上.小鲁打开汽车天窗，将如图（甲）所示装置固定在汽车车顶.
爸爸依次以5m/s，10m/s，15m/s，20m/s的不同速度在平直公路上各匀速行驶一段距离，小鲁依次将汽车不同行驶速度时的弹簧测力计的示数记录在下表中.
汽车速度v/（m·
s-1）
5
10
15
20
弹簧测力计示数F/N
0.20
0.82
3.30
（1）如图（乙）所示，为小鲁同学在车速稳定在15m/s时用手机拍下的测力计照片，此时测力计示数为 N.
（2）实验装置中用小车而不是木块，并将其放在表面平滑的木板上，目的是为了减小 对实验结果的影响.
（3）分析上表中的实验数据，则当弹簧测力计的读数稳定在2.40N时，车速为 m/s.（计算结果保留2位有效数字）
（1）根据图（乙）可知，此时测力计的示数为1.80N;
（2）由实验原理可知，研究风速大小与弹簧测力计示数大小关系，因此要减小其他阻力的影响，比如:
木板对其的摩擦力;
（3）小车所受空气阻力等于弹簧测力计的示数，由表格中的数据可知，阻力Ff=kv2，当弹簧测力计读数为2.40N时，力变为5m/s时的12倍，则速度变为原来的2
倍，此时车速v=5×
2
m/s=17m/s.
（1）1.80
（2）摩擦力 （3）17
【预测练4】现提供了如图（甲）所示的实验器材，来探究“合外力做的功与物体速度变化的关系”的实验，由图可知:
（1）平衡摩擦力时，小车是否挂纸带 （填“是”或“否”）;
（2）在某次实验中，得到如图（乙）所示的一条纸带，在A，B，C三个计数点中应该选用 （选填“A”“B”或“C”）点的速度才符合实验要求;
（3）某同学采用如图（甲）所示的装置来做实验，先使小车不连接橡皮筋，发现小车在木板上加速下滑.那么，在橡皮筋弹力的作用下，合外力对小车所做的功 （选填“大于”“小于”或“等于”）橡皮筋弹力所做的功.
（1）小车运动时，受到木板的阻力以及纸带与打点计时器间的摩擦阻力，所以平衡摩擦力时，小车需要挂纸带.
（2）橡皮筋恢复原长后，小车做匀速直线运动，所以选用C点的速度才符合实验要求.
（3）小车不连接橡皮筋，发现小车在木板上加速下滑，可知木板倾斜.平衡摩擦力过了，重力沿斜面向下的分力大于摩擦力，在橡皮筋弹力的作用下，合外力对小车所做的功大于橡皮筋弹力做功.
（1）是
（2）C （3）大于
考向三 力学创新实验
【例3】（2018·
全国Ⅱ卷，23）某同学用图（a）所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数.跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连，滑轮和木块间的细线保持水平，在木块上方放置砝码.缓慢向左拉动水平放置的木板，当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时，弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小.某次实验所得数据在下表中给出，其中f4的值可从图（b）中弹簧秤的示数读出.
砝码的质量
m/kg
0.05
0.10
0.15
0.25
滑动摩擦力
f/N
2.15
2.36
2.55
f4
2.93
回答下列问题:
（1）f4= N;
（2）在图（c）的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f
m图线;
（3）f与m、木块质量M、木板与木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式f= ，f
m图线（直线）的斜率的表达式为k= ;
（4）取g=9.80m/s2，由绘出的f
m图线求得μ= .（保留2位有效数字）
（1）由图（b）可读出弹簧秤的示数f4=2.75N.
（2）根据表中数据描点，拟合一条直线，使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧.
（3）摩擦力表达式f=μ（M+m）g=μg·
m+μMg，其斜率k=μg.
（4）图线的斜率k=
N/kg=3.9N/kg，解得μ=0.40.
（1）2.75
（2）如图所示
（3）μ（M+m）g μg （4）0.40
1.创新性实验仪器
（1）光电计时器:
比较精确的测量物体运动的瞬时速度，取代传统实验中的纸带法.
（2）气垫导轨:
可以减少接触面的摩擦阻力，取代传统实验中利用倾斜长木板平衡摩擦力的方法，不需要再平衡摩擦力.
（3）力传感器:
精确的测力工具，取代弹簧测力计的使用，可以详细的描述力的变化情况，消除误差.
2.实验器材的改进
（1）“研究加速度和力、质量的关系”的实验中，可以用气垫导轨来代替长木板，这样不用再平衡摩擦力了，小车的合外力可以通过力的传感器来得到.
（2）“探究功与速度变化的关系”的实验中，可以利用光电门来进行速度的测量，为了克服摩擦力的影响，可以使用气垫导轨取代长木板.
（3）“验证机械能守恒定律”的实验中，可以利用光电计时器比较精确的测量物体运动的瞬时速度，取代传统实验中的纸带法.
3.实验情景的创新
（1）分析实验情景，挖掘对应的力学模型，提取对应的物理规律，明确实验理论和实验目的.
（2）理清实验步骤，尤其是影响到实验结论的关键环节，记录数据，建立图像，注意横纵坐标的选取.
（3）根据得到的图像，分析图像的截距和斜率的物理含义，结合物体的运动情况和受力情况进行数据处理，得出结论.
【预测练5】
某同学设计了如图所示的装置去验证小球摆动过程中的机械能守恒，实验中小球到达B点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处的箭头处放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺.该同学方案的优点是只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度h，桌面到地面的高度H及平抛运动的水平位移L即可.
（1）测量A位置到桌面的高度h应从 开始测量（填“球的下边沿”或“球心”）.
（2）实验中改变h多测几次h和L的数值利用作图像的方法去验证.该同学取纵轴表示L，则横轴应表示 .
（3）若所作图像的斜率为k，则满足 关系即可证明小球下摆过程中机械能守恒.
（1）球做平抛运动，根据水平方向匀速直线与竖直方向自由落体，对于竖直方向的高度是球下边沿离开桌面，到下落到地面，因此测量A位置到桌面的高度h应从球下边沿开始测量;
（2）根据球做平抛运动，
则有L=v
而球做圆周运动时，
则有mgh=
mv2
联立解得L=2
·
因此该同学取纵轴表示L，则横轴应表示
.
（3）若所作图像的斜率为k，根据第
（2）问，
则满足k=2
，
即可证明下摆过程中机械能守恒.
（1）球的下边沿
（2）
（3）k=2
【预测练6】
某实验小组利用如图所示的装置进行实验，钩码A和B（均可视为质点）分别系在一条跨过轻质定滑轮的软绳两端，在A的上面套一个比它大一点的环形金属块C（也可视为质点）在距地面为h处有一宽度略大于B的狭缝，钩码B能通过狭缝，在狭缝上放有一个外径略大于缝宽的环形金属块D（也可视为质点），B与D碰撞后粘在一起，摩擦忽略不计.开始时B距离狭缝的高度为h1，放手后，A，B，C从静止开始运动，A，B，C，D的质量相等.（B，D碰撞过程时间很短，忽略不计）
（1）利用计时仪器测得钩码B通过狭缝后上升h2用时t1，则钩码B碰撞后瞬间的速度为 （用题中字母表示）;
（2）若通过此装置验证机械能守恒定律，当地重力加速度为g，若碰前系统的机械能守恒，则需满足的等式为 （用题中字母表示）.
（1）在钩码B上升h2阶段，由于A，B，C，D的质量相等，钩码B做匀速直线运动，
v2=
（2）由题意可知，碰撞过程中，依据动量守恒，则有3mv1=4mv2;
碰撞前，若机械能守恒，则有mgh1=
3m×
解得gh1=
若满足该等式，则证明碰前系统的机械能守恒.
（2）gh1=
【预测练7】某同学利用下列器材，设计实验来验证力的平行四边形定则。
实验器材：
三根完全相同的轻质弹簧（每根弹簧两端均接有适当长度的细绳套），几个小重物，一把刻度尺，一块三角板，一支铅笔，一张白纸，几枚钉子。
实验步骤：
①用两枚钉子将白纸（白纸的上边沿被折叠几次）钉在竖直墙壁上，将两根弹簧一端的细绳套分别挂在两枚钉子上，另一端的细绳套与第三根弹簧一端的细绳套连接。
待装置静止后，用刻度尺测出第三根弹簧两端之间的长度，记为L0；
②在第三根弹簧的另一个细绳套下面挂一重物，待装置静止后，用铅笔在白纸上记下结点的位置O和三根弹簧的方向，用刻度尺测出第一、二、三根弹簧的长度L1、L2、L3；
③取下器材，将白纸平放在桌面上，用铅笔和刻度尺从O点沿着三根弹簧的方向画直线，按照一定的标度做出三根弹簧对结点O的拉力F1、F2、F3的图示。
用平行四边形定则求出F1、F2的合力F；
④测量发现F与F3在同一条直线上，大小接近相等，则验证了平行四边形定则，结论成立。
（1）三根弹簧对结点O的拉力之比F1：
F2：
F3=__________。
（2）若钉子位置固定，利用上述器材，改变条件再次验证，可采用的方法是________。
（3）分析本实验的误差来源可能是__________。
（写出其中一点即可）
（1）（L1–L0）:
（L2–L0）:
（L3–L0）
（2）可换不同重量的小物体进行再实验（3）①弹簧自身重量对实验影响较大；
②记录O、L0、L1、L2、L3及弹簧方向时产生误差（或白纸未被完全固定等）
（1）根据胡克定律得，第一、二、三根弹簧的拉力分别为F1=k（L1–L0）、F2=k（L2–L0）、F3=k（L3–L0），k为弹簧的劲度系数，则三根弹簧对结点O的拉力之比为（L1–L0）:
（L3–L0）；
（2）可以采用的办法是换不同重量的小重物，重复进行实验；
（3）本实验在竖直平面进行，实验的误差来源可能有：
未考虑弹簧自身的重量、记录O、L0、L1、L2、L3及弹簧的方向时产生误差（或白纸未被完全固定等）。
【预测练8】为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图所示的实验装置：
（1）以下实验操作正确的是____。
A．将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动
B．调节滑轮的高度，使细线与木板平行
C．先接通电源后释放小车
D．实验中小车的加速度越大越好
（2）在实验中，得到一条如图所示的纸带，已知相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1s，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分别为3.09cm、3.43cm、3.77cm、4.10cm、4.44cm、4.77cm，则小车的加速度a＝________m/s2（结果保留两位有效数字）。
（3）有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力F的关系，他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条a—F图线，如图所示。
图线________是在轨道倾斜情况下得到的（填“①”或“②”）；
小车及车中砝码的总质量m＝________kg。
（1）BC
（2）0.34（3）①0.5
（1）平衡摩擦力就是让小车在无拉力的作用下做匀速直线运动，让重力沿斜面的分力等于小车受到的摩擦力。
所以平衡摩擦力时应为：
将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动，故A错误；
为了使绳子拉力代替小车受到的合力，需要调节滑轮的高度，使细线与木板平行，故B正确；
使用打点计时器时，先接通电源后释放小车，故C正确；
试验中小车的加速度不是越大越好，加速度太大，纸带打的点太少，不利于测量，故D错误。
故选BC。
（2）由匀变速运动的规律得：
s4﹣s1=3aT2
s5﹣s2=3aT2
s6﹣s3=3aT2
联立得：
（s4+s5+s6）﹣（s1+s2+s3）=9aT2
解得：
=0.33m/s2，
（3）由图象可知，当F=0时，a≠0．也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度，该同学实验操作中平衡摩擦力过大，即倾角过大，平衡摩擦力时木板的右端垫得过高。
所以图线①是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的。
根据F=ma得a﹣F图象的斜率k=
，由a﹣F图象得图象斜率k=2，所以m=0.5kg。
【预测练9】如图为用拉力传感器和速度传感器探究“加速度与物体受力的关系”实验装置。
用拉力传感器记录小车受到拉力的大小，在长木板上相距L＝48.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器，分别记录小车到达A、B时的速率。
（1）下表中记录了实验测得的几组数据，
是两个速度传感器记录速率的平方差，则加速度的表达式a＝________，请将表中第3次的实验数据填写完整（结果保留三位有效数字）；
（2）由表中数据，在下图坐标纸上作出a－F关系图线；
（3）对比实验结果与理论计算得到的关系图线（图中已画出理论图线），造成上述偏差的原因是______________________________________。
（1）
2.44
（2）如图所示（3）没有完全平衡摩擦力或拉力传感器读数偏大
（1）根据匀变速直线运动的位移与速度公式：
，可以求出：
，代入数据解得：
。
（2）根据表中数据，得出图象如图所示：
（3）对比图象可知，实际图象没有过原点而是和横坐标有交点，造成原因为没有完全平衡摩擦力或拉力传感器读数偏大。
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