力学实验探究式实验.docx

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力学实验探究式实验

力学实验

（1）——探究式实验

丢分提示

1．不明确探究式实验的目的。

2．不能理清探究的具体思路。

3．不会应用探究的具体方法。

4．不会分析探究过程中的的误差来源及对结果的影响。

丢分题精析

一．明确探究式实验的目的

【例1】用打点计时器探究小车速度随时间变化关系

在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，如图9所示给出了从0点开始，每5个点取一个计数点的纸带，其中0、1、2、3、4、5、6都为计数点，测得：

x1＝1.40cm，x2＝1.90cm，x3＝2.38cm，x4＝2.88cm，x5＝3.39cm，x6＝3.87cm.那么：

（1）在计时器打出点1、2、3、4、5时，小车的速度分别为：

v1＝________cm/s，v2＝________cm/s，v3＝________cm/s，v4＝________cm/s，v5＝________cm/s.

（2）在平面直角坐标系中作出速度—时间图象．

（3）分析小车运动速度随时间变化的规律．

【解析】

（1）显然，两相邻的计数点之间的时间间隔为T＝0.02×5s＝0.1s．对应各点的速度分别为：

v1＝

＝

cm/s＝16.50cm/s

v2＝

＝

cm/s＝21.40cm/s

v3＝

＝

cm/s＝26.30cm/s

v4＝

＝

cm/s＝31.35cm/s

v5＝

＝

cm/s＝36.30cm/s.

（2）利用描点法作出v－t图象，如下图所示．

（3）小车运动的v－t图象是一条倾斜向上的直线，说明速度随时间均匀增加．

【答案】

（1）16.50　21.40　26.30　31.35　36.30　

（2）见解析图　（3）v随t均匀增加

【点评】由于探究的目的是“小车速度随时间变化关系”，事实上是为了引出“加速度”的定义。

我们只要会依据打点计时器打出的纸带求小车的瞬时速度、弄清速度随时间的变化关系、会求加速度即可。

在力学实验中还有探究加速度与力、质量的关系、弹性势能的表达式、功与速度变化的关系式、弹簧弹力与伸长量的关系、碰撞中的不变量等的实验。

其目的都是依据记录的运动规律来寻找量与量的关系。

二．理清探究的具体思路

【例2】如果提供你天平、气垫导轨、数字计时器及计算机辅助设备，请设计探究功与质量、速度间定量关系的实验方法.

【解析】用气垫导轨和数字计时器，可以测出滑块经过导轨上某位置的速度.

如图所示，滑块在气垫导轨上受重力和支持力两个力的作用，当滑块沿导轨滑行时，滑块重力沿倾斜导轨方向的分力对滑块做功.这一分力为

，

在滑块经过两光电门的过程中，这一分力所做的功为W=F1s=

，

式中m为滑块（连同遮光条）的质量，可用天平测出；h为垫块的高度，l为垫块与导轨接触点到导轨底端的距离，s为两光电门间的距离，均可用刻度尺测出.

以v1、v2分别表示滑块经过光电门G1、G2时的速度，根据固定在滑块上的两遮光条的间距和由数字计时器显示的滑块经过光电门G1、G2的时间，即可算出v1、v2.

由m、v1、v2组成的式子可能为

m（v2-v1）、m（v2-v1）2、m（v22-v12）、m（v2-v1）3、m（v23-v13）…

将实验数据分别代入以上各式，运用计算机辅助设备进行数据处理，即可发现功与质量、速度间的定量关系.

由于待测实验数据较多，物理量之间的关系又较复杂，实验数据要准确测量，同时要把m、h、l、s等量都进行变化.

探究结果表明，功与质量、速度间存在着如下的定量关系：

W=

m（v22-v12）=

.

三．探究性实验中的主要探究方法

【例3】某同学利用如图装置来探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系。

（1）他先保持砂和砂桶质量不变，改变小车的质量m，分别得到小车的加速度a与质量m及对应的质量倒数1/m，数据如表。

实验次数

1

2

3

4

5

6

7

8

小车加速度a/m·s-2

1.90

1.72

1.49

1.25

1.00

0.75

0.50

0.30

小车的质量m/kg

0.25

0.29

0.33

0.40

0.50

0.71

1.00

1.67

质量的倒数

/kg-1

4.00

3.45

3.03

2.50

2.00

1.41

1.00

0.60

请在坐标纸中画出a-

图线，并根据图线求出小车加速度a与质量倒数

之间

的关系式为___________。

（2）再保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量,求出砂和砂桶的重力作为小车所受合力F，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F的变化图线如图所示。

该图线不经过原点的主要原因是_______________________________________

__________________。

【解析】解答本题应把握以下两点：

（1）正确作出a-

图线，分析a与

的关系式。

（2）正确分析a-F图象截距的物理意义。

（1）根据表格用描点法作图，如图所示，

由图分析可知：

a=

（m/s2）

（2）图线a-F表明对小车施加一个较小的力，小车也没有加速度，说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，即长木板不带定滑轮的一端没有垫木块或垫得不够高。

【答案】

（1）图见解析a=

（m/s2）

（2）没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足

【点评】探究性实验的主要方法有：

控制变量法、图像法、分析法、经验公式法等。

本题用的是图像法。

四．会分析探究过程中的的误差来源及对结果的影响

【例4】因为手边没有天平，小王同学思考如何利用一已知劲度系数为k的弹簧和长度测量工具来粗测一小球的质量．他从资料上查得弹簧的弹性势能Ep＝

kx2（其中x为弹簧形变量）后，设计了如下实验：

将弹簧一端固定在水平桌面上，另一端紧靠小球，弹簧为原长时小球恰好在桌边，然后用小球压缩弹簧并测得压缩量x，释放小球，小球飞出后落在水平地面上，测出桌高h以及小球落地点到桌面边缘的水平距离s．

（1）小球质量的表达式为______________________．

（2）如果桌面摩擦是本次实验误差的主要因素，那么小球质量的测量值将__________

（填偏大”、“偏小”或“准确”）．

【答案】

丢分题精练

1.（2012·廊坊高一检测）在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时（）

A.应使砂子和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量，以减小实验误差

B.可以用天平测出小桶和砂的总质量m1、小车和砝码的总质量m2,根据公式

求出小车的加速度

C.处理实验数据时采用描点法画图象，是为了减小误差

D.处理实验数据时采用a-

图象，是为了便于根据图线直观地判断a与m的关系

1.【解析】选A、C、D。

实验中应满足A所述的条件，故A正确。

实验中加速度应根据纸带计算得出，故B错误。

画图象时偏离较远的点已舍弃，误差较小，故C正确。

采用a-

图象，图象为直线，更直观，容易得出a、m的关系，故D对。

2.（2012·衡水高一检测）如图所示，在探究加速度与力、质量的关系实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有（）

A.当m1＝m2、F1＝2F2时，x1＝2x2

B.当m1＝m2、F1＝2F2时，x2＝2x1

C.当m1＝2m2时，x1＝2x2

D.当m1＝2m2、F1＝F2时，x2＝2x1

2.【解析】选A。

题中m1和m2是车中砝码的质量，不能认为是小车的质量。

本题中只说明了两小车是相同的，并没有告诉小车的质量是多少。

当m1＝m2时，两车加砝码后质量仍相等，若F1＝2F2，则a1＝2a2，由x＝

at2得x1＝2x2，A对。

若m1＝2m2时，无法确定两车加砝码后的质量关系，两小车的加速度关系也就不明确，自然无法判定两车的位移关系。

3.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，研究作用力一定，加速度与质量的关系时，下列说法中错误的是（）

A.平衡摩擦力时，应将装砂的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上

B.每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力

C.实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源

D.在小车中增减砝码，应使小车和砝码的质量远大于砂和小桶的总质量

3.【解析】选A、C。

平衡摩擦力时不应挂砂桶，只需将小车放在长木板上连接纸带，使长木板无定滑轮的一端垫高，当小车刚好能匀速运动时，即平衡了摩擦力，A选项错误；当改变小车质量时，沿斜面向下的分力、摩擦力都跟质量成正比改变，一次平衡后，就不用再平衡了，B选项正确；实验时应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再放开小车，才能打出完整的纸带，C选项错误；在小车中增减砝码时，必须保证小车和砝码的总质量远大于小桶和砂的总质量，才能使小车受到的牵引力近似等于砂和桶的重力，因此D选项正确。

【总结提升】探究“加速度与力、质量的关系”实验中的“五点注意”

（1）平衡摩擦力时不要挂重物，平衡摩擦力后，都不需要再重新平衡摩擦力。

（2）平衡摩擦力后，实验必须满足在小车和小车上所加砝码的总质量远大于钩码和小盘的总质量的条件下进行。

（3）每次实验开始时，小车尽量靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车。

（4）求取各纸带的加速度a，此加速度为平均加速度。

（5）作图象时，要使尽可能多的点在直线上，不在直线上的点均匀地分布在直线两侧，离直线远的点舍掉。

3．关于弹力做功与弹性势能变化的关系，我们在进行猜想时，可以参考对重力做功与重力势能变化的关系的讨论，则下面的猜想有道理的是（　　）

A．弹力做功将引起弹性势能的变化，当弹力做正功时，弹性势能将增加

B．弹力做功将引起弹性势能的变化，当弹力做正功时，弹性势能将减少

C．弹力做功将引起弹性势能的变化，当弹力做负功时，弹性势能将增加

D．弹力做功将引起弹性势能的变化，当弹力做负功时，弹性势能将减少

解析：

弹力做功将引起弹性势能变化，弹力做正功时，弹性势能减少，弹力做负功时，弹性势能增加，故B、C正确，A、D错误。

答案：

BC

9．一小球在桌面上从静止开始做加速运动，现用高速摄影机在同一底片上多次曝光，记录下小球每次曝光的位置，并将小球的位置编号．如图7所示，1位置恰为小球刚开始运动的瞬间，作为零时刻．摄影机连续两次曝光的时间间隔均为0.5s，小球从1位置到6位置的运动过程中经过各位置的速度分别为v1＝0，v2＝0.06m/s，v3＝__________m/s，v4＝0.18m/s，v5＝________m/s.在如图8所示坐标系中作出小球的速度—时间图象（保留描点痕迹）．

图79．0.12　0.24　见解析图

解析　如题图所示，x2＋x3＝0.12m，则

v3＝

＝

m/s＝0.12m/s

又x4＋x5＝0.24m，则

v5＝

＝

m/s＝0.24m/s.

其v－t图象如下图所示．

7．如图2－1－9所示为用打点计时器记录小车运动情况的装置，开始时小车在水平玻璃板上匀速运动，后来在薄布面上做匀减速运动，所打出的纸带如图2－1－10所示（附有刻度尺），纸带上相邻两点对应的时间间隔为0.02s。

图2－1－9

图2－1－10

从纸带上记录的点迹情况可知，A、E两点迹之间的距离为__________cm，小车在玻璃板上做匀速运动的速度大小为________m/s；小车在布面上运动的加速度大小为________m/s2.

解析：

A、E两点的刻度分别为xA＝13.20cm，xE＝6.00cm，AE＝xA－xE＝7.20cm（7.19～7.21cm），匀速运动的速度为v＝

＝0.90m/s（0.89m/s～0.91m/s）。

F点以后做减速运动，相邻T内的位移差为Δx＝0.2cm。

由Δx＝aT2得：

a＝

＝

m/s2＝5.0m/s2（4.9m/s2～5.1m/s2）。

答案：

7.19～7.21　0.89～0.91　4.9～5.1

6（2013山东省日照市一

模）某同学在研究“对不同物体做相同功情况下，物体质量与速度的关系”时，提出了以下四种猜想：

A．

B．

C．

D.

为验证猜想的正确性，该同学用如图所示的装置进行实验：

将长木板平放在水平桌面上，木块固定在长木板一端，打点计时器固定在木块上，木块右侧固定一轻弹簧，用连接纸带的小车压缩弹簧至长木板的虚线处由静止释放，打点计时器在纸带上打下一系列点，选取点迹均匀的一部分纸带，计算出小车匀速运动的速度

，测出小车的质量

；然后在小车上加砝码，再次压缩弹簧至木板虚线处由静止释放小车，计算出小车和砝码匀速运动的速度

，测出小

车和砝码的总质量

：

再在小车上加砝码，重复以上操作，分别测出

、

……。

①每次实验中，都将小车压缩弹簧至长木板的虚线处由静止释放，目的是_____________；若要消除每次实验中小车和纸带受到的阻力对小车运动的影响，应进行的实验操作是______________________________________________。

②某次实验采集的五组数据如下表：

由表格数据直观判断，明显不正确的两个猜想是A、B、C、D中的__________；若对某个猜想进行数据处理并作图，画出了如图所示的图象，则图中的横坐标应是_____________。

7．（6分）（2013

参考答案与点拨