2018-2019學(xué)度高中創(chuàng)新設(shè)計(jì)物理粵教版2教學(xué)學(xué)案：專項(xiàng)9實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)

2018-2019學(xué)度高中創(chuàng)新設(shè)計(jì)物理粵教版2學(xué)案：專項(xiàng)9實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)1．對(duì)比實(shí)驗(yàn)法：將與平拋運(yùn)動(dòng)的初速度相同的水平勻速直線運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)對(duì)比；將同時(shí)發(fā)生的自由落體和平拋運(yùn)動(dòng)的豎直方向的分運(yùn)動(dòng)對(duì)比．2．軌跡研究法：描寫(xiě)平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，建立起水平、豎直的直角坐標(biāo)系．根據(jù)對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)情況的猜測(cè)，假定物體在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等的一些點(diǎn)的坐標(biāo)，研究物體在豎直方向運(yùn)動(dòng)的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律并驗(yàn)證猜測(cè)．[復(fù)習(xí)過(guò)關(guān)]1．在“研究平拋運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中；(1)小明采用圖1甲所示裝置，小鐵球A、B完全相同，用小錘打擊彈性金屬片，金屬片把球A沿水平方向彈出，同時(shí)B球被松開(kāi)，自由下落，觀察到兩球同時(shí)落地，改變小錘打擊的力度，即改變球A被彈出時(shí)的速度，兩球仍然同時(shí)落地．改變裝置與地面間距離，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，兩球仍然同時(shí)落地，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得到的結(jié)論是________．A．平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)B．平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向的分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)C．平拋運(yùn)動(dòng)可以分解為豎直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)(2)小紅用圖乙所示裝置做實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)完全相同的弧形軌道M、N，分別用于發(fā)射兩個(gè)完全相同的小鐵球P、Q，其中M的末端是水平的，N的末端與光滑水平板相切；兩軌道上端分別裝有電磁鐵C、D，調(diào)節(jié)電磁鐵C、D的高度，使電磁鐵最下端C、D滿足AC＝BD．從而保證小球P、Q在軌道出口處的水平初速度v0相等.現(xiàn)將小球P、Q分別吸在電磁鐵C、D上，然后切斷電磁鐵的電源，使兩小球同時(shí)分別從軌道M、N射出．多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法中正確的是________．A．小球P下落到水平板時(shí)總是正好碰到小球QB．小球P下落到水平板時(shí)總是落在小球Q的右側(cè)C．小球P下落到水平板時(shí)總是落在小球Q的左側(cè)(3)用圖乙所示裝置做實(shí)驗(yàn)，若僅改變弧形軌道M的高度(AC距離保持不變)，重復(fù)(2)中實(shí)驗(yàn)，仍能觀察到相同的現(xiàn)象．根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得到的結(jié)論是________．A．平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)B．平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向的分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)C．平拋運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)圖1解析(1)在打擊金屬片時(shí)，兩小球同時(shí)做平拋運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)．結(jié)果同時(shí)落地，則說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)，故A正確．(2)讓兩小球從相同的弧形軌道上相同高度滾下，從而使兩小球同時(shí)滾離軌道并具有相同的速度．小球P做平拋運(yùn)動(dòng)，小球Q做勻速直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槠綊佭\(yùn)動(dòng)在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則小球P下落到水平板時(shí)總是正好碰到小球Q，故A正確．(3)改變兩小球滾下的高度時(shí)，仍能相碰，則說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)水平方向總是勻速直線運(yùn)動(dòng)．故B正確．2．(1)(多選)在“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)的裝置如圖2甲所示，下列說(shuō)法正確的是________．圖2A．將斜槽的末端切線調(diào)成水平B．將木板校準(zhǔn)到豎直方向，并使木板平面與小球下落的豎直平面平行C．斜槽軌道必須光滑D．每次釋放小球時(shí)的位置越高，實(shí)驗(yàn)效果越好(2)如圖乙實(shí)線為某質(zhì)點(diǎn)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的一部分，AB、BC間水平距離Δs1＝Δs2＝0.4m，高度差Δh1＝0.25m，Δh2＝0.35m．求：(g＝10m/s2)①拋出初速度v0為_(kāi)_______m/s．②由拋出點(diǎn)到A點(diǎn)的時(shí)間為_(kāi)_______s．解析(1)實(shí)驗(yàn)中必須保證小球做平拋運(yùn)動(dòng)，而平拋運(yùn)動(dòng)要求有水平初速度且只受重力作用，所以斜槽軌道必須要水平，至于是否光滑沒(méi)有影響，只要能拋出就行．為確保有相同的水平初速度，所以要求從同一位置無(wú)初速度釋放，并不是越高越好，故選A、B．(2)平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)，由于Δs1＝Δs2＝0.4m，故A到B和B到C時(shí)間相等；平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)，根據(jù)Δy＝gT2，得到：T＝eq\r(\f(Δy,g))＝eq\r(\f(0.35－0.25,10))s＝0.1s；故平拋的初速度為：v0＝eq\f(Δs,T)＝eq\f(0.4m,0.1s)＝4m/s；B的豎直分速度為：vBy＝eq\f(Δh1＋Δh2,2T)＝eq\f(0.25＋0.35,2×0.1)m/s＝3m/s；故從拋出到B點(diǎn)的時(shí)間為：tB＝eq\f(vBy,g)＝eq\f(3,10)s＝0.3s故從拋出到A點(diǎn)時(shí)間為：tA＝tB－T＝0.3s－0.1s＝0.2s．二、探究功與速度變化的關(guān)系1．在探究功與速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中一定要注意平衡摩擦力．將木板一端墊高，使小車(chē)的重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡．方法是輕推小車(chē)，由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打在紙帶上的點(diǎn)的均勻程度判斷小車(chē)是否做勻速運(yùn)動(dòng)，找到長(zhǎng)木板的一個(gè)合適的傾角．2．在利用橡皮筋探究外力對(duì)物體做功與物體速度變化關(guān)系時(shí)，測(cè)小車(chē)速度應(yīng)選紙帶上的點(diǎn)跡均勻的部分，也就是選小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)的部分．[復(fù)習(xí)過(guò)關(guān)]3．在“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中．(1)如圖3是甲同學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置圖，下列做法能夠?qū)崿F(xiàn)橡皮筋對(duì)小車(chē)做功呈整數(shù)倍變化的是()圖3A．釋放小車(chē)的位置等間距的變化B．橡皮筋兩端固定，使橡皮筋的伸長(zhǎng)量依次加倍C．橡皮筋兩端固定，使橡皮筋的長(zhǎng)度依次加倍D．增加相同橡皮筋的條數(shù)，使小車(chē)每次從同一位置釋放(2)該同學(xué)按照正確的操作在實(shí)驗(yàn)中得到了若干條紙帶，則紙帶上打下的相鄰點(diǎn)間的距離變化情況是()A．一直增大且增量不變 B．先減小后增大C．先增大后減小 D．先增大后均勻不變(3)該實(shí)驗(yàn)可以有不同的設(shè)計(jì)，乙同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案：A．實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，一端系在滑塊上的細(xì)繩通過(guò)轉(zhuǎn)軸光滑的輕質(zhì)定滑輪掛上鉤碼，用墊塊將長(zhǎng)木板固定有定滑輪的一端墊起．調(diào)整長(zhǎng)木板的傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿長(zhǎng)木板向下做勻速直線運(yùn)動(dòng)；B．保持長(zhǎng)木板的傾角不變，取下細(xì)繩和鉤碼，讓滑塊沿長(zhǎng)木板向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)．圖4請(qǐng)回答下列問(wèn)題：①滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，紙帶上打出的點(diǎn)的分布是________；②滑塊在勻加速下滑過(guò)程中所受的合外力大小________鉤碼的重力大小(選填“大于”“等于”或“小于”)．解析(1)橡皮筋的拉力是一個(gè)變力，根據(jù)胡克定律及功的定義得：W＝eq\x\to(F)x＝eq\f(1,2)kx2，所以當(dāng)釋放小車(chē)的位置等間距的變化時(shí)，不能夠?qū)崿F(xiàn)橡皮筋對(duì)小車(chē)做功呈整數(shù)倍變化，故A錯(cuò)誤；當(dāng)橡皮筋的伸長(zhǎng)量按倍數(shù)增加時(shí)，功并不簡(jiǎn)單地按倍數(shù)增加，故B、C錯(cuò)誤；增加相同橡皮筋的條數(shù)，使小車(chē)每次從同一位置釋放，這樣保證了x不變，F(xiàn)呈整數(shù)倍增加，橡皮筋做功呈整數(shù)倍增加，可以把一根橡皮筋做的功記為W，把兩根橡皮筋做的功記為2W，把三根橡皮筋做的功記為3W……，從而回避了直接求功的困難，故D正確．(2)橡皮筋伸長(zhǎng)階段，小車(chē)在橡皮筋的拉力作用下加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)后，小車(chē)由于慣性繼續(xù)前進(jìn)，做勻速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律知點(diǎn)間距先增大后均勻不變，故D正確．(3)①根據(jù)勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律s＝vt知，確定滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)的依據(jù)是，看打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上所打出點(diǎn)的分布應(yīng)該是等間距的．②滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由平衡條件得：除細(xì)繩對(duì)滑塊拉力T之外，滑塊所受其他力的合力F其他與拉力等大反向，而拉力與鉤碼的重力等大反向．當(dāng)保持長(zhǎng)木板的傾角不變，取下細(xì)繩和鉤碼，讓滑塊沿長(zhǎng)木板向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，滑塊所受的合外力為F其他，故滑塊在勻加速下滑過(guò)程中所受的合外力大小等于鉤碼的重力大?。?．如圖5所示，某組同學(xué)借用“探究a與F、m之間的關(guān)系”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)思想、原理及操作，進(jìn)行“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)：圖5(1)為達(dá)到平衡阻力的目的，取下細(xì)繩及托盤(pán)，通過(guò)調(diào)整墊片的位置，改變長(zhǎng)木板的傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車(chē)是否做________運(yùn)動(dòng)．(2)連接細(xì)繩及托盤(pán)，放入砝碼，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到如圖6所示的紙帶．紙帶上O為小車(chē)運(yùn)動(dòng)起始時(shí)刻所打的點(diǎn)，選取時(shí)間間隔為0.1s的相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G.實(shí)驗(yàn)時(shí)小車(chē)所受拉力為0.2N，小車(chē)的質(zhì)量為0.2kg．圖6O—BO—CO—DO—EO—FW/J0.04320.05720.07340.0915ΔEk/J0.04300.05700.07340.0907分析上述數(shù)據(jù)可知：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)W＝ΔEk，與理論推導(dǎo)結(jié)果一致．(3)實(shí)驗(yàn)前已測(cè)得托盤(pán)質(zhì)量為7.7×10－3kg，實(shí)驗(yàn)時(shí)該組同學(xué)放入托盤(pán)中的砝碼質(zhì)量應(yīng)為_(kāi)_______kg(g取9.8m/s2(3)0.015解析(1)取下細(xì)繩與托盤(pán)后，當(dāng)摩擦力恰好被平衡時(shí)，小車(chē)與紙帶所受合力為零，獲得初速度后應(yīng)做勻速直線運(yùn)動(dòng)．(2)由題圖可知eq\x\to(OF)＝55.75cm，再結(jié)合veq\f(t,2)＝eq\x\to(v)可得打下計(jì)數(shù)點(diǎn)F時(shí)的瞬時(shí)速度vF＝eq\f(\x\to(OG)－\x\to(OE),2T)＝1.051m/s，故W＝F·eq\x\to(OF)＝0.1115J，ΔEk＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,F)≈0.1105J．(3)根據(jù)牛頓Secord定律有：對(duì)小車(chē)F＝Ma，得a＝1.0m/s2；對(duì)托盤(pán)及砝碼(m＋m0)g－F＝(m＋m0)a，故有m＝eq\f(F,g－a)－m0＝eq\f(0.2,9.8－1.0)kg－7.7×10－3kg≈0.015kg．三、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1．在自由落體運(yùn)動(dòng)中，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式有：(1)mgh＝eq\f(1,2)mv2，利用此式初速度必須為零，即選擇第1、2兩點(diǎn)距離約等于2mm的紙帶，(2)mgh＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)利用此式，選的兩計(jì)數(shù)點(diǎn)初速度可以不為零．2．算速度：某時(shí)刻的瞬時(shí)速度的計(jì)算應(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt來(lái)計(jì)算．3．注意：在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中，由于重物和紙帶下落過(guò)程中要克服阻力做功，故動(dòng)能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)必定稍小于重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝mghn，改進(jìn)辦法是調(diào)整安裝的器材，盡可能地減小阻力．[復(fù)習(xí)過(guò)關(guān)]5．某同學(xué)用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，可以提供輸出電壓為6V的交流電和直流電，交流電的頻率為50Hz.重錘從高處由靜止開(kāi)始下落，重錘拖著的紙帶上打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)測(cè)量并分析，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．圖7(1)他進(jìn)行了下面幾個(gè)操作步驟A．按照?qǐng)D示的裝置安裝器件；B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；C．用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量；D．先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶；E．測(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；F．根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能．其中沒(méi)有必要進(jìn)行的步驟是__________，操作不當(dāng)?shù)牟襟E是__________．(2)這位同學(xué)進(jìn)行正確操作后挑選出一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行了測(cè)量分析，如圖8所示，其中O點(diǎn)為起始點(diǎn)，A、B、C、D、E、F為六個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)．根據(jù)紙帶上的測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)打B點(diǎn)時(shí)重錘的速度為_(kāi)_______m/s.(保留3位有效數(shù)字)圖8(3)他繼續(xù)根據(jù)紙帶算出各點(diǎn)的速度v，量出下落距離h，并以eq\f(v2,2)為縱軸、以h為橫軸畫(huà)出的圖象，應(yīng)是圖中的________．(4)他進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)存在較大誤差，為此對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，用如圖9所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律：通過(guò)電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)光電門(mén)B時(shí)，通過(guò)與之相連的毫秒計(jì)時(shí)器(圖中未畫(huà)出)記錄擋光時(shí)間t，用毫米刻度尺測(cè)出AB之間的距離h，用游標(biāo)卡尺測(cè)得小鐵球的直徑d.重力加速度為g.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)整光電門(mén)位置使小球下落過(guò)程中球心通過(guò)光電門(mén)中的激光束，則小鐵球通過(guò)光電門(mén)時(shí)的瞬時(shí)速度v＝________.如果d、t、h、g存在關(guān)系式________，就可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．圖9(5)比較兩個(gè)方案，改進(jìn)后的方案相比原方案的最主要的優(yōu)點(diǎn)是：________．(5)消除了紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦影響，提高了測(cè)量的精確度，減小了實(shí)驗(yàn)誤差6．現(xiàn)要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示，水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過(guò)輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連；遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直；導(dǎo)軌上的B點(diǎn)有一光電門(mén)，可以測(cè)量遮光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的擋光時(shí)間t.用d表示A點(diǎn)到導(dǎo)軌底端C點(diǎn)的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A、B兩點(diǎn)間的距離，將遮光片通過(guò)光電門(mén)的平均速度看做滑塊通過(guò)B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度．用g表示重力加速度．完成下列填空和作圖：圖10(1)若將滑塊自A點(diǎn)由靜止釋放，則在滑塊從A運(yùn)動(dòng)至B的過(guò)程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量可表示為_(kāi)_______，動(dòng)能的增加量可表示為_(kāi)_______.若在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒，eq\f(1,t2)與s的關(guān)系式為eq\f(1,t2)＝____________．(2)多次改變光電門(mén)的位置，每次均令滑塊自同一點(diǎn)(A點(diǎn))下滑，測(cè)量相應(yīng)的s與t值．結(jié)果如下表所示：12345s(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.43eq\f(1,t2)(104s－2)1.481.952.412.923.39以s為橫坐標(biāo)，eq\f(1,t2)為縱坐標(biāo)，在對(duì)應(yīng)圖11所示坐標(biāo)紙中描出第1個(gè)和第5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(其余3個(gè)點(diǎn)已作出)；根據(jù)5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作直線，求得該直線的斜率k＝______________×104m－1·s－2(保留3位有效數(shù)字)．圖11由測(cè)得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出eq\f(1,t2)－s直線的斜率k0，將k和k0進(jìn)行比較，若其差值在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．(2)見(jiàn)解析圖2.43(2.30～2.60均可)解析(1)當(dāng)M沿斜面向下運(yùn)動(dòng)距離s時(shí)，下落的高度為h′，則eq\f(h,d)＝eq\f(h′,s)，所以h′＝eq\f(h,d)s.所以系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝Mgh′－mgs＝(eq\f(Mgh,d)－mg)s，動(dòng)能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)(M＋m)v2，v＝eq\f(b,t)，所以ΔEk＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\f(b2,t2)，根據(jù)機(jī)械能守恒，有ΔEp＝ΔEk，即eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(Mgh,d)－mg))s＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\f(b2,t2)，所以eq\f(1,t2)＝eq\f(2Mgh－mgd,M＋mb2d)s．(2)如圖所示，eq\f(1,t2)－s圖象是一條傾斜直線，直線的斜率k≈2.43×104m－1·s－2．7．某同學(xué)根據(jù)機(jī)械能守恒定律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究彈簧的彈性勢(shì)能與壓縮量的關(guān)系．圖12(1)如圖12甲，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺(tái)，在上端的托盤(pán)中依次增加砝碼，測(cè)量相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表，由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝__N/m.(g取9.80m/s2)砝碼質(zhì)量/g50100150