浙江省学业水平测试物理复习讲义第10讲 力学实验一.docx

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浙江省学业水平测试物理复习讲义第10讲力学实验一

第10讲　力学实验

（一）

考试内容及要求

知识内容

学考要求

2015.10考题

2016.4考题

2016.10考题

2017.4考题

2017.11考题

2018.4考题

2018.6考题

用打点计时器测

速度

√

探究小车速度随

时间变化的规律

√

17

19

探究加速度与

力、质量的关系

√

17

17

19

探究做功与物体

速度变化的关系

√

17

17

19

验证机械能守恒

定律

√

17

17

19

一、打点计时器测速度　探究小车速度随时间变化的规律

1．两种打点计时器

电磁打点计时器

电火花计时器

结构

图示

工作

电压

6V以下交流电

220V交流电

打点

周期

0.02s

0.02s

实验

误差

振针和纸带接触会影响纸带运动，误差较大

火花放电不会影响纸带运动，误差较小

记录

信息

位置、时刻或位移、时间

2.利用纸带求瞬时速度

若n为纸带上第n个计数点，打点周期为T，则vn＝

.

实验所得纸带如图1所示，计算各测量点的瞬时速度：

图1

v1＝

，v2＝

，v3＝

，……，vn＝

.

3.用图象法研究速度随时间变化的规律

图2

（1）建立v－t坐标系，并描点

（2）画一条线，让这条线通过尽可能多的点，不在线上的点均匀分布在直线的两侧，偏差比较大的点忽略不计，如图2所示．若v－t图象为直线，则说明物体做匀变速直线运动．

4．利用v－t图象的斜率求物体的加速度

物体的加速度a＝

.

例1

　（2017·杭州外国语学校期中）如图3（a）所示为“探究小车速度随时间变化规律”的实验装置．

图3

（1）图（b）为实验中所用打点计时器的学生电源．由学生电源可以判断该同学选用的是图（c）中的________（填“甲”或“乙”）打点计时器．上述图（b）的安装中存在的错误是__________________________________（填一点即可）．

（2）在这一实验中，某同学进行了以下实验步骤，其中有明显错误的步骤是________（填字母）（多选）．

A．将打点计时器固定在木板上，并接好电路

B．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔

C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面吊着适当重的钩码

D．将小车移至靠近定滑轮处

E．先放开纸带，再接通电源

（3）（2017·杭州市五县七校期末）某同学用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定了A、B、C、D、E、F、G共7个计数点，其中相邻计数点间的距离如图4所示，每两个相邻计数点的打点间隔为T＝0.10s.

图4

①根据纸带上各个计数点间的距离，计算出打下B、C、D、E、F五个点时小车的瞬时速度，并将速度值填入下表（数值保留到小数点后第二位），其中vC＝________m/s.

计数点

B

C

D

E

F

速度v（m/s）

0.40

0.56

0.64

0.72

②将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在图5中，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线（取A点所在时刻为t＝0）．

图5

③根据小车的速度－时间关系图线计算出的小车加速度a＝________m/s2.

答案　

（1）乙　接了直流电源（或电压太高，选择了12V挡）　

（2）DE　（3）①0.48　②如图所示　③0.80

解析　

（1）实验中使用学生电源，应是低压，故应使用电磁打点计时器，电磁打点计时器使用4～6V的交流电．

（2）闭合开关前小车应靠近打点计时器，先接通电源，再放开小车，故选D、E.

（3）vC＝

＝

m/s≈0.48m/s，根据各点的速度描点连线得到图象，根据图线求得小车的加速度为a＝

m/s2＝0.80m/s2.

二、探究加速度与力、质量的关系

1．实验装置如图6所示

图6

2．实验原理：

采用控制变量法

探究加速度与力的关系时，应保持小车的质量不变；探究加速度与质量的关系时，应保持小车所受拉力不变，即保持悬挂盘中砝码（或砂）的质量不变．

3．数据处理：

图象法

（1）保持小车质量一定时，作a－F图象，若图象是一条通过原点的直线，则说明a与F成正比，如图7所示．

　　　　　图7　　　　　　图8

（2）保持拉力一定时，作a－

图象，若图象是一条过原点的直线，则说明a与M成反比，如图8所示．

4．注意事项

（1）平衡摩擦力：

适当垫高木板不带定滑轮的一端，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动（即使小车的重力沿斜面方向的分力恰好平衡小车和纸带受到的阻力）．

（2）为使拉小车的力近似等于小盘及盘中砝码的总重力，要满足小盘及盘中砝码的总质量远小于小车的质量．

例2

（1）（2017·湖州市期末）图9甲中的器材被称为电火花计时器的是________（选填“A”或“B”），其装置使用的电源是图乙中的________（选填“A”“B”“C”或“D”）．

图9

（2）某实验小组利用如图10所示的装置进行“探究加速度与力、质量的关系”的实验．

图10

①下列操作中，正确的是________（填字母）（多选）．

A．为减小误差，使实验中砝码和桶的总质量远大于小车的质量

B．将轨道的左端垫高，以平衡摩擦力

C．小车靠近打点计时器，先释放小车，再接通电源

D．改变小桶中砝码的质量，可改变拉力的大小

②实验中得到一条如图11所示的纸带．点A、B、C是纸带上3个计数点（每打5个点取一个计数点）．已知打点计时器电源频率为50Hz.从图中读出计数点A、B两点间的距离是________cm.计数点B对应的速度大小是________m/s.该匀变速运动的加速度大小是________m/s2.（计算结果保留两位有效数字）

图11

答案　

（1）B　D　

（2）①BD　②4.80　0.54　1.1

解析　

（1）由题图甲可知A是电磁打点计时器，配低压交流电源，电压6V以下，B是电火花计时器，配220V交流电源．

（2）①探究加速度与力、质量的关系的实验中，为了减小误差使细绳的拉力近似等于砝码和桶的重力，应满足砝码和桶的质量远小于小车的质量，所以A选项错误．为了使小车所受的合力等于细绳的拉力，应平衡摩擦力，把靠近打点计时器一侧木板垫高，使重力沿斜面向下的分力和摩擦力平衡，所以B选项正确．实验时应先接通电源再释放小车，所以C选项错误．改变砝码质量多测一些数据，使实验规律更准确一些，所以D选项正确．

②刻度尺读数保留到0.01cm，由题图可知xAB＝4.80cm，xBC＝5.90cm，每个计数点间的时间间隔为0.1s，B点的瞬时速度等于AC段的平均速度，所以vB＝

≈0.54m/s，根据xBC－xAB＝aT2可求出a＝1.1m/s2.

三、探究做功与物体速度变化的关系

1．实验原理（如图12所示）

图12

方案一：

通过变力做功的探究

原理：

让橡皮筋拉动小车做功使小车的速度增加，使拉小车的橡皮筋的条数由1条变为2条、3条……则橡皮筋对小车做的功为W、2W、3W……通过对打点计时器所打纸带的测量计算出每次脱离橡皮筋后小车的速度，最后分析每次做的功与速度变化的关系．

方案二：

通过恒力做功的探究

原理：

在砝码和小盘总质量m远小于小车质量M的情况下，可认为小车受到的拉力为F＝mg.从纸带上读出位移x，即可以求拉力做的功．

2.数据处理：

以拉力对小车做的功W为纵坐标，小车获得的速度的平方v2为横坐标，作出W－v2图线，如图13，从图线可以得出W与v2的关系，从而判断恒力做功与物体动能改变的关系．

图13

3．注意事项

（1）平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡．

（2）在方案一中测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动的部分．

（3）在方案一中，我们用2根、3根……相同的橡皮筋进行第2次、第3次……实验时，每次实验时使小车从同一位置由静止释放，使橡皮筋伸长的长度保持一致．

（4）橡皮筋应选规格一样的．力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值．

（5）本实验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集，小车受到的外力也可以用拉力传感器采集，也可以把长木板换成气垫导轨．

例3

　（2017·温州市第二学期期末联考）在“探究功与速度变化的关系”实验中，准备了以下器材：

小车、小盘及砝码、细线、刻度尺、一端带定滑轮的长木板、纸带，

（1）还需要用到的实验器材是________（多选）；

（2）下列说法正确的是________．（多选）

A．先接通电源再释放小车

B．在平衡摩擦力操作时，必须让小车在小盘的牵引下拖着纸带匀速下滑

C．小盘与盘中砝码一起提供的拉力是一个变力

D．绘制W－v图象时不一定需要知道功的具体数值

（3）实验中获得的一条纸带如图14所示，每两个相邻计数点之间还有四个点没有画出，交流电源的频率为50Hz，根据纸带求出P点所对应的速度大小为________m/s（保留两位有效数字）．

图14

（4）完成了该实验的其他正确操作后，绘制了W－v图象，最有可能是下面哪幅图象？

________

答案　

（1）AC　

（2）AD　（3）0.25　（4）C

四、验证机械能守恒定律

1．实验装置图（如图15所示）

图15

2．实验原理

只有重力对物体做功的过程，比较物体重力势能的变化量与动能的变化量，若满足ΔEp＝－ΔEk，则说明机械能守恒．

3．数据处理

（1）方法一：

利用起始点和第n点．

计算ghn和

vn2，如果在实验误差允许范围内ghn＝

vn2，则机械能守恒定律得到验证．

（2）方法二：

任取两点A、B.

从A点到B点，计算ghAB和

vB2－

vA2，如果在实验误差允许范围内ghAB＝

vB2－

vA2，则机械能守恒定律得到验证．

（3）方法三：

图象法（如图16所示）．

图16

以各计数点到第一个点的距离h为横轴，

v2为纵轴，绘出

v2－h图线．若在误差允许范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．

4．注意事项

（1）安装打点计时器时，必须使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力．

（2）实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带．

（3）因通过比较gh与

v2是否相等来验证机械能是否守恒，故不需测重物质量．

（4）速度不能用自由落体运动规律公式计算得到．

5．误差分析

本实验的误差主要是由于纸带测量产生的偶然误差及重物和纸带运动过程中空气阻力和打点计时器摩擦阻力引起的系统误差，使动能的增加量稍小于势能的减少量．

例4

　（2018·嘉兴市第一中学期末）在“验证机械能守恒定律”的实验中：

（1）实验室提供了铁架台、夹子、导线、纸带等器材．为完成此实验，除了所给的器材，图17中还需要选取的实验器材有________（填字母代号）（多选）．

图17

（2）下列方法有助于减小实验误差的是________．

A．在重锤的正下方地面铺海绵

B．必须从纸带上第一个点开始计算验证机械能是否守恒

C．重复多次实验，重物必须从同一位置开始下落

D．重物的密度尽量大一些

（3）完成实验后，小明用刻度尺测量纸带距离时如图18所示，已知打点计时器每0.02s打一个点，则B点对应的速度vB＝________m/s（结果保留三位有效数字）．

图18

若H点对应的速度为vH，重物由B点到H点下落的高度为hBH，重物质量为m，当地重力加速度为g，为得出实验结论完成实验，需要比较mghBH与________的大小关系（用题中字母表示）．

答案　

（1）AEF　

（2）D　（3）1.35　

mvH2－

mvB2

例5

　（2018·台州中学第一次统练）某活动小组利用图19甲装置验证机械能守恒定律，钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB，钢球直径为D.用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度．测出两光电门间的距离为h，当地的重力加速度为g.

图19

（1）用20分度的游标卡尺测量钢球的直径，读数如图乙所示，钢球直径为D＝________cm.

（2）要验证机械能守恒，只要比较________．

A．D2

与gh是否相等

B．D2

与2gh是否相等

C．D2

与gh是否相等

D．D2

与2gh是否相等

（3）钢球通过光电门的平均速度________（选填“＞”或“＜”）钢球球心通过光电门的瞬时速度，由此产生的误差________（选填“能”或“不能”）通过增加实验次数减小．

答案　

（1）0.950　

（2）D　（3）＜　不能

1．（2018·浙江4月学考·17）

（1）用图20所示装置做“探究功与速度变化的关系”实验时，除了图中已给出的实验器材外，还需要的测量工具有________（填字母）；

图20

A．秒表B．天平

C．刻度尺D．弹簧测力计

（2）用图21所示装置做“验证机械能守恒定律”实验时，释放重物前有下列操作．其中正确的是________（填字母）（多选）；

图21

A．将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上

B．手提纸带任意位置

C．使重物靠近打点计时器

答案　

（1）C　

（2）AC

解析　

（1）根据实验原理，只需证明速度的平方和橡皮筋数量成正比即可，故只需刻度尺，所以选C项．

（2）“验证机械能守恒定律”实验，需要保持纸带竖直，需要将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上，重物尽可能靠近打点计时器，这样就可以多打点，在处理纸带时，就增大了纸带有效部分的长度，提高实验准确率，所以A、C正确．

2．（2018·浙江6月学考·19）

（1）下列实验中，需要平衡摩擦力的是________（填字母）（多选）．

（2）某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，得到一条纸带，如图22所示，在打出的点中依次选取连续的点A、B、C、D、E、F.所用交流电源的频率为50Hz，利用图中刻度尺读取数据并计算出打E点时小车的速度为________m/s（结果保留三位有效数字）．

图22

（3）在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是________．

A．电磁打点计时器接220V交流电源

B．需要用刻度尺测量重物下落的高度

C．需要用秒表测量重物下落的时间

答案　

（1）CD　

（2）0.925　（3）B

解析　

（2）根据题图可知，D点刻度为164.0mm，F点刻度为201.0mm，因此vE＝

＝0.925m/s

（3）“验证机械能守恒定律”实验中，电磁打点计时器需接6V以下交流电源，选项A错误；通过测量下落高度，并计算相应点的速度，可验证机械能是否守恒，选项B正确；打点计时器通过打点记录时间，选项C错误．

3．如图23所示是某次实验中得到的一条纸带．A、B、C、D、E为纸带上连续打出的点，打点计时器所用的电源频率为50Hz.根据图示数据可知________．

图23

A．纸带做匀速运动

B．相邻两点的时间间隔为0.1s

C．A与C之间纸带的平均速度为0.31m/s

D．打B点时纸带的瞬时速度为1.56m/s

答案　D

解析　由题图数据知相邻两点间距离不相等，纸带做变速运动，A错误；相邻两计数点的时间间隔为0.02s，B错误；

AC＝vB＝

m/s＝1.56m/s，C错误，D正确．

4．（2016·浙江10月学考·17）在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中

（1）下列说法中不正确或不必要的是________（填字母）（多选）．

A．长木板的一端必须垫高，使小车在不挂钩码时能在木板上做匀速运动

B．连接钩码和小车的细线应与长木板保持平行

C．小车应靠近打点计时器，先接通电源，后释放小车

D．选择计数点时，必须从纸带上第一个点开始

（2）图24甲是实验中打下的一段纸带，算出计数点2的速度大小为________m/s，并在图乙中标出，其余计数点1、3、4、5对应的小车瞬时速度大小在图中已标出．

（3）作图并求得小车的加速度大小为________m/s2.

图24

答案　

（1）AD　

（2）0.60（0.58～0.61均可）　见解析图　（3）见解析图　1.50（1.43～1.53均可）

解析　

（2）由题图可知x1＝3.80cm，x3＝15.70cm，

所以v2＝

≈0.60m/s

（3）如图所示

a＝

＝

m/s2＝1.50m/s2.

5．（2018·浙江“七彩阳光”联盟期中）用如图25甲所示装置来做“探究加速度与力、质量的关系”的实验．

图25

（1）下列说法中正确的是________．（多选）

A．牵引小车的细线应与长木板保持平行

B．平衡摩擦阻力时，可将空的沙桶用细线连接在小车上

C．实验时，应先放开小车，再接通打点计时器的电源

D．每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦阻力

（2）实验得到如图乙所示的一条纸带，打点计时器所接交流电源的频率为50Hz，从0点开始每隔4点取一个计数点，在纸带上依次标出0、1、2、3、4、…计数点．其中计数点2的速度大小为________m/s（结果保留2位有效数字）．

（3）由图乙中的信息可算出小车的加速度大小为________m/s2（结果保留2位有效数字）

答案　

（1）AD　

（2）0.55（0.54～0.56均可）

（3）0.95（0.9～0.99均可）

解析　

（1）为使细线对小车的拉力作为小车所受的合外力，实验中不仅需要使牵引小车的细线与木板保持平行，还应该平衡摩擦力；平衡摩擦力是利用小车的重力沿斜面方向的分力与摩擦阻力平衡，不应挂沙桶；每次改变小车质量时，其重力沿斜面方向的分力与摩擦阻力仍平衡，所以无需重新平衡摩擦阻力；另外实验时应先接通打点计时器电源，待打点稳定后再放开小车．选项A、D正确．

（2）v2＝

＝

m/s≈0.55m/s

（3）利用逐差法求得小车的加速度a＝

＝

m/s2

＝0.95m/s2

6.（2017·温州中学模拟）某实验小组做“验证机械能守恒定律”实验，如图26.

图26

（1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________．（多选）

A．低压交流电源

B．刻度尺

C．天平（含砝码）

（2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图27所示的一条纸带．在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.已知当地重力加速度为g，打点计时器的打点周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________.

图27

（3）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________．

A．利用公式v＝gt计算重物速度

B．利用公式v＝

计算重物速度

C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响

D．没有采用多次实验取平均值的方法

（4）某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2－h图象，并作如下判断：

若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒．请你分析论证该同学的判断依据是否正确____________________________________________________．

答案　

（1）AB　

（2）mghB　

　（3）C　（4）不正确，还需要进一步判断图象的斜率是否接近2g

1．利用如图1装置可以做许多实验，如：

①“用打点计时器测速度”；②“探究小车速度随时间变化的规律”；③“探究加速度与力、质量的关系”；④“探究功与速度变化的关系”．其中需要倾斜木板以平衡小车所受阻力的实验是（　　）

图1

A．①②B．②③

C．③④D．①④

答案　C

解析　由实验原理可知，实验③和④中必须消除阻力的影响，因此需要倾斜木板，用重力沿木板向下的分力来平衡小车所受的阻力，故C正确．

2．小黄用如图2所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验．关于该实验，下列说法正确的是（　　）

图2

A．重物的质量一定是越大越好

B．必须用停表测出重物下落的时间

C．把停表测得的时间代入v＝gt，计算重物的速度

D．释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带竖直

答案　D

解析　为了减小阻力的影响，重物选择质量大一些、体积小一些的，但不是质量越大越好，故A错误；利用打点计时器可以测量重物下落的时间，不需要用停表测量，故B错误；该实验是验证机械能守恒定律，做自由落体运动的重物只受重力，机械能守恒，如果把重物的运动看成自由落体运动，再运用自由落体运动的规律求解速度，那么就不需要验证了，故C错误；释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带竖直，从而减小纸带与限位孔之间的摩擦，故D正确．

3．如图3所示是“探究加速度与力、质量的关系”实验装置示意图．同一实验小组中的四位同学利用同一条纸带求小车运动的加速度，分别作出了如图所示的四幅图象，其中最规范的是________．

图3

答案　C

4．（2017·浙江11月学考·17）在做“探究加速度与力、质量的关系”实验中，

（1）下列仪器需要用到的是________（多选）．

（2）下列说法正确的是________（多选）．

A．先释放纸带再接通电源

B．拉小车的细线应尽可能与长木板平行

C．纸带与小车相连端的点迹较疏

D．轻推小车，拖着纸带的小车能够匀速下滑，说明摩擦力已被平衡

（3）如图4所示是实验时打出的一条纸带，A、B、C、D…为每隔4个点取的计数点，据此纸带可知小车在D点的速度大小为________m/s（小数点后保留两位，电源频率为50Hz）．

图4

答案　

（1）AD　

（2）BD　（3）0.21（0.20～0.22均可）

5.（2017·杭州市质量检测）气垫导轨是一种重要的实验仪器，如图5所示．气垫导轨上滑块经过光电门时，其上的遮光条将光遮住，电子计时器可自动记录遮光时间Δt.

图5

（1）若测得遮光条的宽度为Δx，用

近似代表滑块通过光电门时的瞬时速度，为使

更接近瞬时速度，正确的措施是________（填字母）．

A．换用宽度更窄的遮光条

B．提高测量遮光条宽度的精确度

C．使滑块的释放点更靠近光电门

D．增大气垫导轨与水平面的夹角

（2）用气垫导轨进行实验时，经常需要使导轨保持水平．检验气垫导轨是否水平的方法之一是轻推一下滑块，使其先后滑过光电门1和光电门2，如图6所示，其上的遮光条将光遮住，电子计时器可自动记录滑块先后经过光电门1、2时的遮光时间Δt1和Δt2，比较Δt1和Δt2即可判断导轨是否水平．为使这种检验更精准，正确的措施是________（填字母）．

图6

A．换用质量更大的滑块

B．换用宽度Δx更小的遮光条

C．提高测量遮光