高考物理二輪復習講義：物理實驗-力學探究類實驗

第頁力學探究類實驗本專題主要講述高考中常見的三類探究類力學實驗：探究彈簧彈力與形變量的關系、探究加速度與物體受力、物體質量的關系、探究平拋運動的特點。對這類實驗的考查往往涉及四個方面的內容：（1）掌握實驗原理和實驗操作方法；（2）能對實驗數(shù)據(jù)進行處理；（3）分析和判斷引起實驗誤差的因素，并提出減小誤差的方法；（4）能對實驗原理和方法進行遷移與拓展，設計新的探究實驗。常規(guī)考點有：刻度尺的讀數(shù)，打點計時器的使用，根據(jù)紙帶求瞬時速度或加速度，作圖法處理數(shù)據(jù)，光電門的應用等。探究彈簧彈力與形變量的關系小圓同學用橡皮筋、同種一元硬幣、刻度尺、塑料袋、支架等，設計了如圖（a）所示的實驗裝置，測量冰墩墩玩具的質量。主要實驗步驟如下：（1）查找資料，得知每枚硬幣的質量為6.05g；（2）將硬幣以5枚為一組逐次加入塑料袋，測量每次穩(wěn)定后橡皮筋的長度l，記錄數(shù)據(jù)如下表：序號12345硬幣數(shù)量n/枚510152025長度l/cm10.5112.0213.5415.0516.56（3）根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖（b）上描點，繪制圖線；（4）取出全部硬幣，把冰墩墩玩具放入塑料袋中，穩(wěn)定后橡皮筋長度的示數(shù)如圖（c）所示，此時橡皮筋的長度為________cm；（5）由上述數(shù)據(jù)計算得冰墩墩玩具的質量為________g（計算結果保留3位有效數(shù)字）。某同學用圖a裝置探究兩根相同彈簧甲、乙串聯(lián)后總的勁度系數(shù)與彈簧甲勁度系數(shù)的關系。他先測出不掛鉤碼時彈簧甲的長度和兩彈簧的總長度，再將鉤碼逐個掛在彈簧的下端，記錄數(shù)據(jù)填在下面的表格中。序號123456鉤碼重力F/N0.000.501.001.502.002.50彈簧甲的長度L1/cm1.952.202.452.702.953.20兩彈簧總長度L2/cm4.004.505.005.506.006.50（1）關于本實驗操作，下列說法正確的是_______。A．懸掛鉤碼后立即讀數(shù)B．鉤碼的數(shù)量可以任意增減C．安裝刻度尺時，必須使刻度尺保持豎直狀態(tài)（2）已作出鉤碼重力F與彈簧總長度L2的關系圖像，如圖b中實線所示，由圖像可知兩根彈簧串聯(lián)后總的勁度系數(shù)k為_______N/cm。（3）在圖b的坐標紙上描點作出鉤碼重力F與彈簧甲的長度L1的關系圖像。（4）根據(jù)F－L1圖像可求出一根彈簧的度系數(shù)k′，k和k′的定量關系為_______。（5）本實驗中，彈簧的自重對所測得的勁度系數(shù)_______（選填“有”或“無”）影響。2.(1)某同學在探究“彈力和彈簧伸長的關系”時,安裝好實驗裝置,讓刻度尺零刻度與彈簧上端平齊,在彈簧下端掛1個鉤碼,靜止時彈簧長度為l1,如圖甲所示,圖乙是此時固定在彈簧掛鉤上的指針在刻度尺(分度值是1毫米)上位置的放大圖,示數(shù)l1=cm。在彈簧下端分別掛2個、3個、4個、5個相同鉤碼,靜止時彈簧長度分別是l2、l3、l4、l5。要得到彈簧伸長量x,還需要測量的是。作出F-x圖線,得到彈力與彈簧伸長量的關系。

丙(2)該同學更換彈簧,進行重復實驗。得到如圖丙所示的彈簧彈力F與伸長量x的關系圖線,由此可求出該彈簧的勁度系數(shù)為N/m。圖線不過原點的原因是。

4.如圖所示,打點計時器固定在鐵架臺上,使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落,利用此裝置驗證機械能守恒定律。①對于該實驗,下列操作中對減小實驗誤差有利的是。

A.重物選用質量和密度較大的金屬錘B.兩限位孔在同一豎直面內上下對正C.精確測量出重物的質量D.用手托穩(wěn)重物,接通電源后,撤手釋放重物②某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到50Hz的交流電源上,按正確操作得到了一條完整的紙帶,由于紙帶較長,圖中有部分未畫出,如圖所示。紙帶上各點是打點計時器打出的計時點,其中O點為紙帶上打出的第一個點。重物下落高度應從紙帶上計時點間的距離直接測出,利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有。

A.OA、AD和EG的長度B.OC、BC和CD的長度C.BD、CF和EG的長度D.AC、BD和EG的長度1．處理數(shù)據(jù)應注意的問題（1）讀數(shù)時，注意儀器精確度和有效數(shù)字位數(shù)。（2）計算時，注意單位換算。（3）建坐標系時，注意兩軸單位長度要適當。（4）描線時，注意作出直線，不能是折線（有些情況需順勢平滑擬合各點）。2．分析誤差（1）系統(tǒng)誤差：主要是彈簧自身重力的影響，使得彈簧不加外力就有形變量，造成F－x圖線不過原點。（2）偶然誤差：彈簧長度的測量造成偶然誤差。3．處理數(shù)據(jù)的常用方法有列表法、圖像法、函數(shù)法，其中用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)可以減小偶然誤差，是物理實驗中常用的方法之一，應用圖像法處理問題時注意：（1）連線時使盡可能多的點在所連的直線上，不在直線上的點要盡量分布在直線的兩側，且到直線的距離大致相等；（2）圖線斜率是縱軸物理量的變化量與橫軸物理量的變化量的比值；（3）要靈活應用數(shù)學知識，通過數(shù)形結合理解圖線斜率和截距的物理意義。探究加速度與物體受力、物體質量的關系某實驗小組利用如圖甲所示的裝置“探究加速度與合外力之間的關系”，進行了如下操作。①把帶定滑輪的長木板放置在水平桌面上，紙帶穿過打點計時器的限位孔固定在小車后端，調整定滑輪的高度使細線與木板平行。接通電源，釋放小車，在沙桶中慢慢加入沙子，直到輕推小車在紙帶上打出一系列間隔相等的點；②在沙桶中放入砝碼，接通電源、釋放小車，用紙帶記錄小車的運動情況，并在紙帶上標出沙桶中砝碼的質量m，通過處理紙帶計算出小車的加速度a；③改變放入沙桶中砝碼的質量m，重復步驟②，得到多組m與小車對應的加速度a；④以砝碼的重力mg為橫坐標，a為縱坐標，在坐標紙上作出a－mg關系圖線。（1）如圖乙所示為某次實驗得到的一條紙帶，在紙帶上連續(xù)選取五個計數(shù)點A、B、C、D、E，相鄰兩個計數(shù)點之間還有四個計時點。已知打點計時器工作的頻率為50Hz，則小車的加速度大小為_______m/s2（結果保留三位有效數(shù)字）。（2）根據(jù)上述操作，理論分析可知砝碼的重力mg與小車受到的合外力F的大小關系為mg_______（填“大于”“等于”或“小于”）F。（3）該實驗小組作出的a－mg關系圖線（如圖丙），你認為最合理的是_______（填正確答案標號）。某同學欲利用如圖1所示的裝置探究質量一定時，加速度與合力的關系，其中A為滑塊，B為電火花計時器，C為力傳感器（可以測量細繩的拉力大?。珼為一端帶有定滑輪的氣墊導軌，E為小桶，小桶系在輕小動滑輪的下端，可裝砂，動滑輪兩側的細繩豎直。主要實驗步驟如下：①正確安裝好實驗器材，氣墊導軌正常工作，接通電火花計時器的電源后由靜止釋放滑塊，滑塊向右運動，讀出力傳感器的示數(shù)，取下紙帶，計算出滑塊的加速度大?。虎谠黾有⊥爸猩暗馁|量，重復步驟①，獲得多組力傳感器的示數(shù)F和滑塊的加速度大小a的數(shù)據(jù)，以a為縱坐標、F為橫坐標，用描點法畫出a－F圖像。（1）在步驟①中，關于氣墊導軌的調節(jié)，下列做法正確的是_______。（填正確答案標號）A．氣墊導軌調成水平B．氣墊導軌左端墊高，平衡摩擦力C．氣墊右端墊高，平衡摩擦力（2）在步驟②中，增減小桶中砂的質量時，小桶與砂的總質量_______（填“一定遠小于”、“一定等于”或“可能大于”）滑塊的質量。（3）按正確操作進行實驗，下列a－F圖像（如圖2）可能正確的是_______。（4）將滑塊從圖示位置由靜止釋放，在滑塊向右運動的過程中，小桶的加速度大小a1與滑塊的加速度大小a2間的關系為a1＝_______。2.某同學想測量滑塊與長木板之間的動摩擦因數(shù)，他設計了如圖甲所示的實驗裝置：將一長木板固定在水平桌面上，右端固定一輕質定滑輪，靠近定滑輪處固定一個光電門，同時他將滑塊上端固定了一個寬度為d的遮光片，滑塊的側面固定另一輕質滑輪，在重物的作用下使滑塊從長木板另一端A處由靜止釋放，經過一段時間滑塊通過B處的光電門。A、B之間的距離L=40cm。不計滑輪質量及其與繩子之間的摩擦。(1)該實驗_____________(填“需要”或“不需要”)保證重物質量遠小于滑塊及遮光片的總質量；(2)在某次實驗中，測得光電門遮光時間為t，此時力傳感器示數(shù)為F。則遮光片通過光電門時的平均速度v=____________(用給定字母表示)；比遮光片的中心通過光電門的速度__________(選填“偏大”、“偏小”或“相等”)；(3)由(2)可以得到一組數(shù)據(jù)(v2,F)；然后多次改變所掛重物的質量進行實驗，每次實驗時，滑塊都從長木板的A處由靜止釋放，得到多組數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，作出滑塊的速度平方與力傳感器示數(shù)F的關系圖像如圖乙所示，g=10m/3.小明同學用如圖所示的裝置驗證系統(tǒng)機械能守恒定律。大小和質量均相同的兩小球P、Q分別固定在輕桿兩端，輕桿可繞固定于三分之一位置O處的光滑水平軸在豎直面內轉動，O點正下方有一光電計時器，調節(jié)實驗裝置，使小球P通過計時器時其球心恰好與光電門等高。測得小球的直徑為d，兩球球心間的距離為L，重力加速度為g?，F(xiàn)將輕桿拉至水平位置并由靜止釋放，當P球第一次通過光電門時，計時器顯示的遮光時間為Δt。回答下列問題：(1)小球P經過光電門時系統(tǒng)重力勢能的減小量ΔEp=___________，系統(tǒng)動能的增加量為(2)該同學在實驗過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)動能的增加量略大于重力勢能的減小量，請你幫他分析一下原因(寫出一條即可)__________________________________。1．當忘記平衡摩擦力或平衡摩擦力不足時，可能會出現(xiàn)圖甲的情況；當平衡摩擦力時，木板傾角過大，即平衡摩擦力過度時，可能會出現(xiàn)圖乙的情況。2．實驗中要求小車的質量M和小盤及砝碼的總質量m滿足M?m的條件，一般M是m的幾十倍，并且M比m大得越多誤差越小。若繩子的拉力可以通過傳感器測出，則不需要滿足此條件。若該實驗條件不滿足，可能會出現(xiàn)圖丙、丁所示的情況。圖丙中，因為F＝mg，當m增大到不滿足M?m時，實驗會出現(xiàn)較大誤差，圖像發(fā)生彎曲；圖丁中，逐漸增大，M逐漸減小，當M減小到不滿足M?m時，實驗會出現(xiàn)較大誤差，圖像會發(fā)生彎曲。3．在研究不同的實驗裝置問題時，要根據(jù)實際情況列牛頓第二定律方程，理解各物理量的物理意義，尋求符合問題需要的函數(shù)關系表達式。探究平拋運動的特點在“研究平拋運動”實驗中，以小鋼球離開軌道末端時球心位置為坐標原點O，建立水平與豎直坐標軸。讓小球從斜槽上離水平桌面高為h處靜止釋放，使其水平拋出，通過多次描點可繪出小球做平拋運動時球心的軌跡，如圖所示。在軌跡上取一點A，讀取其坐標（x0，y0）。（1）下列說法正確的是_______。A．實驗所用斜槽應盡量光滑B．畫軌跡時應把所有描出的點用平滑的曲線連接起來C．求平拋運動初速度時應讀取軌跡上離原點較遠的點的數(shù)據(jù)（2）根據(jù)題目所給信息，小球做平拋運動的初速度大小v0＝_______。'A． B． C． D．（3）在本實驗中要求小球多次從斜槽上同一位置由靜止釋放的理由是_______。某同學利用圖（a）所示裝置研究平拋運動的規(guī)律。實驗時該同學使用頻閃儀和照相機對做平拋運動的小球進行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖（b）所示（圖中未包括小球剛離開軌道的影像）。圖中的背景是放在豎直平面內的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個方格的邊長為5cm。該同學在實驗中測得的小球影像的高度差已經在圖（b）中標