2019版高考物理二輪復習 專題六 物理實驗 第1講 力學實驗學案.doc
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第1講 力學實驗 網絡構建 [規(guī)律方法] 紙帶的三大應用 (1)由紙帶確定時間 (2)求瞬時速度 如圖所示，打n點時的速度vn＝。 (3)用“逐差法”求加速度 如圖所示，有連續(xù)的偶數段數據： a＝ 讀數類實驗 【典例1】 (2018全國卷Ⅰ，22)如圖1(a)，一彈簧上端固定在支架頂端，下端懸掛一托盤；一標尺由游標和主尺構成，主尺豎直固定在彈簧左邊；托盤上方固定有一能與游標刻度線準確對齊的裝置，簡化為圖中的指針。 現要測量圖(a)中彈簧的勁度系數。當托盤內沒有砝碼時，移動游標，使其零刻度線對準指針，此時標尺讀數為1.950 cm；當托盤內放有質量為0.100 kg的砝碼時，移動游標，再次使其零刻度線對準指針，標尺示數如圖(b)所示，其讀數為________ cm。當地的重力加速度大小為9.80 m/s2，此彈簧的勁度系數為________ N/m(保留3位有效數字)。 圖1 解析 實驗所用的游標卡尺最小分度為0.05 mm，游標卡尺上游標第15條刻度線與主尺刻度線對齊，根據游標卡尺的讀數規(guī)則，題圖(b)所示的游標卡尺讀數為3.7 cm＋150.05 mm＝3.7 cm＋0.075 cm＝3.775 cm。托盤中放有質量為m＝0.100 kg的砝碼時，彈簧受到的拉力F＝mg＝0.1009.8 N＝0.980 N，彈簧伸長量為x＝3.775 cm－1.950 cm＝1.825 cm，根據胡克定律F＝kx，解得此彈簧的勁度系數k＝＝53.7 N/m。 答案 3.775 53.7 【典例2】 某同學用50分度的游標卡尺測量一圓柱體工件的長度，如圖2所示，則工件的長度為________ mm；用螺旋 測微器測量工件的直徑如圖3所示，則工件的直徑為________ mm。 解析 根據游標卡尺讀數規(guī)則可知工件的長度為21 mm＋0.02 mm36＝21.72 mm；根據螺旋測微器讀數規(guī)則可知工件的直徑為4 mm＋0.01 mm30.0＝4.300 mm。 答案 21.72 4.300 測量儀器讀數的兩點注意 (1)需要估讀的儀器(關鍵是確定好最小分度)：刻度尺、螺旋測微器、電表、天平、彈簧測力計。 (2)不需要估讀的儀器：游標卡尺、電阻箱、歐姆表(刻度不均勻，可不估讀或按半刻度估讀)。 1.某同學測定一金屬桿的長度和直徑，示數如圖4甲、乙所示，則該金屬桿的長度和直徑分別為________ cm和________ mm。 圖4 解析 直尺的最小刻度為0.1 cm，因此讀數應為60.08 cm，游標卡尺是50分度，精確到0.02 mm，因此讀數為4.20 mm。 答案 60.08 4.20 2.(1)如圖5甲、乙、丙所示的三把游標卡尺，它們的游標尺分別為9 mm長10等分、19 mm長20等分、49 mm長50等分，它們的讀數依次為________ mm、________ mm、________ mm。 圖5 (2)使用螺旋測微器測量金屬絲的直徑，示數如圖6所示，則金屬絲的直徑是________ mm。 圖6 解析 (1)甲圖讀數：整毫米數是17 mm，不足1毫米數是20.1 mm＝0.2 mm，最后讀數是17 mm＋0.2 mm＝17.2 mm；乙圖讀數：整毫米數是23 mm，不足1毫米數是70.05 mm＝0.35 mm，最后讀數是23 mm＋0.35 mm＝23.35 mm；丙圖讀數：整毫米數是10 mm，不足1毫米數是190.02 mm＝0.38 mm，最后讀數是10 mm＋0.38 mm＝10.38 mm。 (2)固定刻度示數為2.0 mm，不足半毫米的從可動刻度上讀，其示數為15.00.01 mm，最后的讀數是2.0 mm＋15.00.01 mm＝2.150 mm。 答案 (1)17.2 23.35 10.38 (2)2.150 “紙帶類”實驗 【典例】 (2017全國卷Ⅰ，22)某探究小組為了研究小車在桌面上的直線運動，用自制“滴水計時器”計量時間。實驗前，將該計時器固定在小車旁，如圖7(a)所示。實驗時，保持桌面水平，用手輕推一下小車。在小車運動過程中，滴水計時器等時間間隔地滴下小水滴，圖(b)記錄了桌面上連續(xù)6個水滴的位置。(已知滴水計時器每30 s內共滴下46個小水滴) 圖7 (1)由圖(b)可知，小車在桌面上是________(填“從右向左”或“從左向右”)運動的。 (2)該小組同學根據圖(b)的數據判斷出小車做勻變速運動。小車運動到圖(b)中A點位置時的速度大小為________ m/s，加速度大小為________ m/s2。(結果均保留2位有效數字) 解析 (1)小車在阻力的作用下，做減速運動，由圖(b)知，從右向左相鄰水滴間的距離逐漸減小，所以小車在桌面上是從右向左運動。 (2)已知滴水計時器每30 s內共滴下46個小水滴，所以相鄰兩水滴間的時間間隔為Δt＝ s＝ s，所以A點位置的速度為vA＝ m/s＝0.19 m/s。根據逐差法可求加速度大小a＝，解得a＝0.037 m/s2。 答案 (1)從右向左 (2)0.19 0.037 1.如圖8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。 圖8 (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 B.兩限位孔在同一豎直面內上下對齊 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50 Hz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9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________。 圖9 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 (3)該實驗小組想要測量出物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度v和下落高度h。他們利用實驗得到的紙帶，設計了以下四種測量方案。 A.用刻度尺測出重物下落的高度h，并測出下落時間t，通過v＝gt計算出瞬時速度v0 B.用刻度尺測出重物下落的高度h，并通過v＝計算出瞬時速度 C.根據做勻變速直線運動時，紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，計算出該點的瞬時速度，并通過計算得出高度h D.用刻度尺測出重物下落的高度h，根據做勻變速直線運動時，紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，計算出瞬時速度v0 以上方案中只有一種正確，正確的是________。(填入相應的字母) 解析 (1)重物選用質量和密度較大的金屬錘，減小空氣阻力，以減小誤差，故選項A正確；兩限位孔在同一豎直面內上下對齊，減小紙帶和打點計時器之間的阻力，以減小誤差，故選項B正確；驗證機械能守恒定律的原理是：mgh＝mv－mv，重物質量可以消掉，無需精確測量出重物的質量，故選項C錯誤；用手拉穩(wěn)紙帶，而不是托住重物，接通電源后，撒手釋放紙帶，故選項D錯誤。 (2)由EG的長度可求出打F點的速度v2，打O點的速度v1＝0，但求不出OF之間的距離h，故選項A錯誤；由BC和CD的長度可求出打C點的速度v2，打O點的速度v1＝0，有OC之間的距離h，可以來驗證機械能守恒定律，故選項B正確；由BD和EG的長度可分別求出打C點的速度v1和打F點的速度v2，有CF之間的距離h，可以來驗證機械能守恒定律，故選項C正確；AC、BD和EG的長度可分別求出打B、C、F三點的速度，但BC、CF、BF之間的距離都無法求出，無法驗證機械能守恒定律，故選項D錯誤。 (3)不能用自由落體的公式再計算瞬時速度，A、B錯誤；重物下落的高度是用刻度尺測量的，不是計算的，選項C錯誤；D為驗證機械能守恒定律的實驗測量方案，是正確的。 答案 (1)AB (2)BC (3)D 2.在用DIS研究小車加速度與外力的關系時，某實驗小組用如圖10甲所示的實驗裝置進行實驗，重物通過滑輪用細繩拉小車，在小車和重物之間接一個輕質微型力傳感器，位移傳感器(發(fā)射器)隨小車一起沿水平軌道運動，位移傳感器(接收器)固定在軌道一端，滑輪左側細繩與軌道平行，實驗中力傳感器的示數為F，保持小車[包括位移傳感器(發(fā)射器)]的質量不變，改變重物重力重復實驗若干次，得到加速度與外力的關系如圖乙所示。 圖10 (1)圖乙中的a－F圖線不過原點，表明實驗之前缺少的一個必要步驟是____________________________________________________________________?！ ? (2)本實驗是否需要使所掛重物的質量遠小于小車和位移傳感器的總質量？________(填“是”或“否”)，原因是__________________________________ __________________________________________________________________。 (3)若某同學做該實驗時，沒有選用位移傳感器和力傳感器，只是把重物用細繩繞過定滑輪與小車相連，實驗獲得的a－F圖線仍是圖乙。所掛重物越重，細繩拉小車的力將越大，結合會使a－F圖線不斷延伸，如圖丙所示，預測延伸后半部分的圖線將會是________(填“①”“②”或“③”)。 解析 (1)剛開始力傳感器示數為零，小車保持靜止，說明實驗前小車在軌道上運動時，沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。 (2)不需要使所掛重物的質量遠小于小車和位移傳感器的總質量，因為小車所受合外力可以通過力傳感器直接讀出。 (3)由牛頓第二定律知小車的加速度大小a＝＝mg－，隨著m增大，a－F圖線的斜率k＝變小，故應選①。 答案 (1)平衡摩擦力 (2)否 小車所受合外力可以通過力傳感器直接讀出 (3)① “橡皮條、彈簧、碰撞”類實驗 【典例】 (2017全國卷Ⅲ，22) 某探究小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗，將畫有坐標軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1 mm)的紙貼在水平桌面上，如圖11(a)所示。將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(位于圖示部分之外)，另一端P位于y軸上的A點時，橡皮筋處于原長。 (1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標原點O，此時拉力F的大小可由測力計讀出。測力計的示數如圖(b)所示，F的大小為________N。 (2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點；現使用兩個測力計同時拉橡皮筋，再次將P端拉至O點。此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向，由測力計的示數讀出兩個拉力的大小分別為F1＝4.2 N和F2＝5.6 N。 (ⅰ)用5 mm長度的線段表示1 N的力，以O為作用點，在圖(a)中畫出力F1、F2的圖示，然后按平行四邊形定則畫出它們的合力F合； 圖11 (ⅱ)F合的大小為________N，F合與拉力F的夾角的正切值為________。 若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內，則該實驗驗證了力的平行四邊形定則。 解析 (1)由圖(b)可知，F的大小為4.0 N (2)(ⅰ)畫出力F1、F2的圖示，如圖所示 (ⅱ)用刻度尺量出F合的線段長為20 mm，所以F合大小為4.0 N，F合與拉力F的夾角的正切值為tan α≈0.05。 答案 (1)4.0 N (2)(ⅰ)見解析 (ⅱ)4.0 0.05 1.在“探究彈力和彈簧伸長量的關系” 圖12 的實驗中，某同學先測出不掛鉤碼時彈簧下端指針所指刻度尺刻度，然后將不同數量的相同的鉤碼依次懸掛在豎直彈簧下端，并記錄好相應讀數。 (1)某次測量如圖12所示，指針所指刻度尺讀數為________cm。 (2)該同學在實驗過程中，發(fā)現掛前3個鉤碼時，鉤碼重力與對應的彈簧伸長量基本成正比關系，但當掛上第4個鉤碼時，彈簧突然向下伸長很多，和前3組數據對比，明顯不再成正比關系，產生這種情況的原因是____________________________________________________________________ __________________________________________________________________。 (3)更換新的同種彈簧后進一步探究，在掛上第3個鉤碼后，在彈簧伸長過程中鉤碼的機械能將________，彈簧的彈性勢能將________。(填“增加”“不變”或“減少”) 解析 (1)刻度尺的最小分度值為1 mm，所以讀數為14.16 cm。 (2)鉤碼對彈簧的拉力超過了彈簧的彈性限度，不再滿足胡克定律。 (3)彈簧伸長，在不超過其彈性限度時，其彈性勢能增加，而鉤碼下降，彈力做負功，機械能減少。 答案 (1)14.16(14.13～14.17均可) (2)鉤碼對彈簧的拉力超過了彈簧的彈性限度，不再滿足胡克定律 (3)減少 增加 2.某同學用如圖13所示的裝置通過半徑相同的A、B兩球(mA>mB)的碰撞來驗證動量守恒定律，圖中PQ是斜槽，QR為水平槽。實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下，落到位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡。重復上述操作10次，得到10個落點痕跡。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置G由靜止開始滾下，和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡。重復這種操作10次。圖13中O點 是水平槽末端R在記錄紙上的豎直投影點。B球落點痕跡如圖14所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，米尺的零點與O點對齊。 (1)碰撞后B球的水平射程應取為________ cm； (2)在以下選項，哪些是本次實驗必須進行的測量？________(填選項序號) A.水平槽上未放B球時，測量A球落點位置到O點的距離 B.A球與B球碰撞后，測量A球落點位置到O點的距離 C.測量A球或B球的直徑 D.測量A球和B球的質量(或兩球質量之比) E.測量水平槽面相對于O點的高度 (3)實驗中，關于入射小球在斜槽上釋放點的高低對實驗影響的說法中正確的是( ) A.釋放點越低，小球受阻力越小，入射小球速度越小，誤差越小 B.釋放點越低，兩球碰后水平位移越小，水平位移測量的相對誤差越小，兩球速度的測量越準確 C.釋放點越高，兩球相碰時，相互作用的內力越大，碰撞前后動量之差越小，誤差越小 D.釋放點越高，入射小球對被碰小球的作用力越大，軌道對被碰小球的阻力越小 解析 (1)如題圖所示，用盡可能小的圓把小球落點圈在里面，由此可見圓心的位置是65.7 cm。 (2)小球做平拋運動時飛行時間相同，所以可以用水平位移的大小關系表示速度的大小關系。實驗中要測量的數據有：兩小球的質量m1、m2，三個落點到O點的距離x1、x2、x。所以選項A、B、D正確。 (3)入射小球的釋放點越高，入射小球碰前速度越大，相碰時內力越大，阻力影響越小，可以較好地滿足動量守恒的條件，有利于減小誤差，故選項C正確。 答案 (1)65.7 (2)ABD (3)C 力學創(chuàng)新實驗 1.力學創(chuàng)新型實驗的特點 (1)以基本的力學實驗模型為載體，依托運動學規(guī)律和力學定律設計實驗。 (2)將實驗的基本方法——控制變量法、處理數據的基本方法——圖象法、逐差法融入到實驗的綜合分析之中。 2.創(chuàng)新實驗題的解法 (1)根據題目情境，提取相應的力學實驗模型，明確實驗的理論依據和實驗目的，設計實驗方案。 (2)進行實驗，記錄數據。應用原理公式或圖象法處理實驗數據，結合物體實際受力情況和理論受力情況對結果進行誤差分析。 【典例】 (2018全國卷Ⅱ，23)某同學用圖15(a)所示的裝置測量木塊與木板之間的動摩擦因數?？邕^光滑定滑輪的細線兩端分別與木塊和彈簧秤相連，滑輪和木塊間的細線保持水平，在木塊上方放置砝碼。緩慢向左拉動水平放置的木板，當木塊和砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動時，彈簧秤的示數即為木塊受到的滑動摩擦力的大小。某次實驗所得數據在表中給出，其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數讀出。 砝碼的質量m/kg 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 滑動摩擦力f/N 2.15 2.36 2.55 f4 2.93 圖15 回答下列問題： (1)f4＝________ N； (2)在圖(c)的坐標紙上補齊未畫出的數據點并繪出f－m圖線； (3)f與m、木塊質量M、木板與木塊之間的動摩擦因數μ及重力加速度大小g之間的關系式為f＝____________，f－m圖線(直線)的斜率的表達式為k＝________； (4)取g＝9.80 m/s2，由繪出的f－m圖線求得μ＝________。(保留2位有效數字) 解析 (1)對彈簧秤進行讀數得2.75 N。 (2)在圖象上添加(0.05 kg，2.15 N)、(0.20 kg，2.75 N)這兩個點，畫一條直線，使盡可能多的點落在這條直線上，不在直線上的點大致均勻分布在直線兩側，如答案圖所示。 (3)由實驗原理可得f＝μ(M＋m)g，f－m圖線的斜率為k＝μg。 (4)根據圖象求出k＝3.9 N/kg，代入數據μ＝0.40。 答案 (1)2.75 (2)如圖所示 (3)μ(M＋m)g μg (4)0.40 1.某學習小組利用圖16甲所示的裝置進行“探究合力一定時，加速度與質量的關系”實驗，圖中大的定滑輪可繞水平軸轉動，繞過定滑輪的輕繩兩端分別系有鉤碼和彈簧測力計，彈簧測力計下端掛裝有細砂的小桶。實驗的主要步驟如下： ①用螺旋測微器測量A處金屬片的厚度d，其示數如圖乙所示。 ②用手控制鉤碼不動，讀出彈簧測力計的示數為F0。 圖16 ③釋放鉤碼后，讀出彈簧測力計的示數為F1，記下金屬片通過光電門的遮光時間t1。 ④鉤碼下方再掛一個鉤碼，用手控制鉤碼，調整金屬片的位置仍在A處靜止不動，釋放鉤碼后，讀出彈簧測力計的示數為F2，記下金屬片通過光電門的遮光時間t2。 ⑤重復步驟④，進行多次實驗。 請回答下列問題： (1)d＝________mm。 (2)不需要測量下列哪些物理量，也能完成本實驗：________。 A.金屬片與光電門間的高度差h B.鉤碼的總質量M C.彈簧測力計、金屬片、砂和小桶的總質量m (3)若用F表示鉤碼釋放后彈簧測力計的示數，則能正確反映“合力一定時，加速度與質量的關系”的是________。 解析 (1)d＝2.5 mm＋0.01 mm11.2＝2.612 mm。 (2)用手控制鉤碼不動，讀出彈簧測力計的示數F0＝mg；釋放鉤碼后，F－mg＝ma，v2＝2ah，v＝，解得F－F0＝，即只要驗證(F－F0)與成正比即可，不需要測量h、M、m。 (3)(F－F0)與成正比，只有選項D正確。 答案 (1)2.612 (2)ABC (3)D 2.某學習興趣小組的同學在探究功與速度變化的關系時，設計了如圖17所示的實驗，實驗步驟如下： 圖17 A.將長木板置于水平桌面； B.在一薄木板上標出A、B、C、D、E、F點，使AB＝BC＝CD＝DE＝EF，然后將薄木板傾斜放置于長木板上并固定，形成斜面，斜面的A點與長木板接觸； C.將物塊分別從斜面上B、C、D、E、F各點由靜止釋放，并分別記下物塊在長木板上停止的位置A1、A2、A3、A4、A5； D.用刻度尺測量出各停止的位置點與A點間的距離x1、x2、x3、x4、x5。 (1)本實驗中釋放物塊時是否需要平衡物塊與薄木板之間的摩擦力？________(填“是”或“否”)。 (2)關于本實驗，下列說法正確的是________。 A.實驗中探究的是物塊在斜面上合力做的功與物塊在斜面上運動速度改變的關系 B.實驗中探究的是物塊在水平長木板上合力做的功與物塊在水平長木板上運動速度改變的關系 C.實驗中斜面、水平長木板與物塊間的動摩擦因數必須相同 D.實驗中斜面、水平長木板與物塊間的動摩擦因數不必相同 (3)將測量數據記錄在表格中： 釋放點 B C D E F 滑行距離x/cm 2.98 6.02 9.04 12.02 15.02 由表格中數據得到的結論為___________________________________________。 解析 物塊在固定斜面上下滑時，沿斜面向下受到重力的分力與摩擦力，二者的合力為恒力，下滑距離加倍時，合力做功加倍。物塊在水平長木板上做勻減速運動，直到停止，由v2＝2ax得，v2與x成正比，實驗中探究物塊在斜面上合力做的功與速度變化的關系，可轉變?yōu)樘骄课飰K在斜面上合力做的功與物塊在長木板上滑行距離的關系。 (1)實驗中物塊沿斜面加速下滑受到恒力作用，故不需要平衡摩擦力。 (2)本實驗的目的是探究物塊在斜面上加速運動時合力做功與速度變化的關系，選項A正確；斜面與物塊間的動摩擦因數和水平長木板與物塊間的動摩擦因數不需要相等，選項D正確。 (3)物塊從B點釋放到運動至斜面底端，合力做功為W，則從C、D、E、F點釋放，物塊運動到斜面底端，合力做功為2W、3W、4W、5W，由題表中數據可得物塊從C、D、E、F點釋放后，在水平長木板上滑行的距離為2x1、3x1、4x1、5x1，可見物塊在斜面上下滑時合力做的功與物塊在水平長木板上滑行的距離成正比，由v2＝2ax得，v2與x成正比，則物塊在斜面上下滑時，合力所做的功與物塊在斜面上滑行時速度平方的變化成正比。 答案 (1)否 (2)AD (3)在誤差允許的范圍內，合力所做的功與物塊速度平方的變化成正比 高考實驗題答題策略①——做到一“明”、二“看”、 三“提取” 又快又準破解實驗題 1.明——明確考查的知識范圍 現在的物理實驗題涉及力學、電(場、路)磁(場、感)學等知識。盡管題目千變萬化，但通過仔細審題，都能直接地判斷出命題人想要考查的知識點和意圖。 2.看——看清實驗題圖 實驗題一般配有相應的示意圖、實物圖，目的是告知實驗儀器(或部分)及其組裝情況，讓考生探究考查意圖。認識這些器材在實驗中所起的作用，便能初步勾畫實驗過程。 3.提取——提取信息 試題總是提供諸多信息再現實驗情景，因此，解答時必須捕捉并提取有價值的信息，使問題迎刃而解。一般需要關注如下信息： (1)新的概念、規(guī)律、公式 一些新穎的非常規(guī)實驗題、陌生的新知識(概念公式)應用題、新規(guī)律驗證題，都會為我們提供信息。要在閱讀理解的基礎上提取有用信息為解題服務。 (2)新的表格數據 通過解讀表格，了解實驗測量的物理量，根據表格中的數據，判斷相關物理量之間的關系。如正比例、反比例關系，平方還是開方關系，或者是倒數關系。根據數據描點作圖可以直觀反映實驗的某種規(guī)律。 (3)新的物理圖象 實驗題本身提供物理圖象，但這些圖象平時沒有接觸過，關鍵要明確圖象的物理意義，才能正確分析實驗問題。 【例】 (2018北京理綜，21)用圖18所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律。 主要實驗步驟如下： a.安裝好實驗器材。接通電源后，讓拖著紙帶的小車沿長木板運動，重復幾次。 b.選出一條點跡清晰的紙帶，找一個合適的點當作計時起點O(t＝0)，然后每隔相同的時間間隔T選取一個計數點，如圖19中A、B、C、D、E、F……所示。 c.通過測量、計算可以得到在打A、B、C、D、E……點時小車的速度，分別記作v1、v2、v3、v4、v5…… d.以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系，在坐標紙上描點，如圖20所示。 結合上述實驗步驟，請你完成下列任務： (1)在下列儀器和器材中，還需要使用的有________和________(填選項前的字母)。 A.電壓合適的50 Hz交流電源 B.電壓可調的直流電源 C.刻度尺 D.秒表 E.天平(含砝碼) (2)在圖20中已標出計數點A、B、D、E對應的坐標點，請在該圖中標出計數點C對應的坐標點，并畫出v－t圖象。 (3)觀察v－t圖象，可以判斷小車做勻變速直線運動，其依據是________________________________________，v－t圖象斜率的物理意義是___________________________________________________________________。 (4)描繪v－t圖象前，還不知道小車是否做勻變速直線運動。用平均速度表示各計數點的瞬時速度，從理論上講，對Δt的要求是________(選填“越小越好”或“與大小無關”)；從實驗的角度看，選取的Δx大小與速度測量的誤差________(選填“有關”或“無關”)。 (5)早在16世紀末，伽利略就猜想落體運動的速度應該是均勻變化的。當時只能靠滴水計時，為此他設計了如圖21所示的“斜面實驗”，反復做了上百次，驗證了他的猜想。請你結合勻變速直線運動的知識，分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的。 解析 (1)打點計時器使用的是低壓交流電源，故選A；打相鄰計數點的時間間隔是已知的，故不需要秒表；計數點間的距離需要用刻度尺測量，故選C；由于不需要知道小車和重物的質量，故不需要天平(含砝碼)。 (2)先標出計數點C對應的坐標點，連線時要讓盡量多的點在一條直線上。 (3)依據v－t圖象是直線(斜率一定)，即小車的速度隨時間均勻變化，判斷出小車做勻變速直線運動；v－t圖象斜率的物理意義是加速度。 (4)表示的是Δt內的平均速度，只有當Δt趨近于零時，才表示瞬時速度。因此若用表示各計數點的瞬時速度，對Δt的要求是越小越好；從實驗的角度看，選取的Δx越大，Δx的測量誤差就越小，算出的速度的誤差就越小，因此從實驗的角度看，選取的Δx大小與速度測量的誤差有關。 (5)如果小球的初速度為0，其速度v∝t，那么它通過的位移x＝t，故推出x∝t2。因此，只要測量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。 答案 (1)A C (2)如圖所示 (3)小車的速度隨時間均勻變化 加速度 (4)越小越好 有關 (5)如果小球的初速度為0，其速度v∝t，那么它通過的位移x∝t2。因此，只要測量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。 課時跟蹤訓練 1.(1)如圖1甲是用游標卡尺測量某金屬圓筒外徑時的示數，可讀出該圓筒外徑為________ cm。 (2)如圖乙是用螺旋測微器測量某金屬棒直徑時的示數，可讀出該金屬棒直徑為________ mm。 圖1 解析 (1)游標卡尺主尺讀數為24 mm，50分度游標卡尺的精確度為0.02 mm，游標尺第49條刻度線與主尺刻度線對齊，所以該圓筒外徑測量值為24 mm＋0.0249 mm＝24.98 mm＝2.498 cm。 (2)螺旋測微器固定刻度部分讀數為2.5 mm，可動刻度部分最小分度值為0.01 mm，可動刻度部分讀數為32.30.01 mm＝0.323 mm，因此金屬棒的直徑測量值為2.823 mm。 答案 (1)2.498 (2)2.823(2.822～2.824均對) 2.一個學習小組利用平拋運動的閃光照片驗證機械能守恒定律，他們利用頻閃照相裝置得到了一個小球做平拋運動的照片，如圖2所示為小球做平拋運動的閃光照片的一部分，圖中背景方格的邊長均為5 cm，閃光頻率為10 Hz，O位置為平拋運動的起點。(所有計算結果均保留3位有效數字) (1)利用閃光照片可以求得小球做平拋運動的初速度大小為________ m/s。 (2)利用閃光照片可以求得小球經過B點時的豎直分速度大小為________ m/s。 (3)若小球的質量為0.1 kg，重力加速度取9.88 m/s2，小球從O點到B點重力勢能的減少量為________ J，動能的增加量為________ J，得出的結論是____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。 圖2 解析 (1)小球在相鄰兩點間運動時間均為0.1 s，水平位移為0.10 m，則由v＝得小球做平拋運動的初速度大小為1.00 m/s； (2)小球在B點處的豎直分速度vBy＝＝2.00 m/s； (3)小球從O點到B點重力勢能減少量為mgyOB＝0.198 J，動能的增加量為mv－mv＝0.200 J，得出的結論是在誤差允許范圍內，小球做平拋運動時重力勢能減少量等于動能的增加量，機械能守恒。 答案 (1)1.00 (2)2.00 (3)0.198 0.200 結論見解析 3.如圖3(a)由小車、斜面及粗糙程度可以改變的水平長直木板構成伽利略理想斜面實驗裝置。實驗時，在水平長直木板旁邊放上刻度尺，小車可以從斜面平穩(wěn)地滑行到水平長直平面。利用該裝置與器材，完成能體現如圖(b)“伽利略理想斜面實驗思想與方法”的實驗推論(設重力加速度為g)。 圖3 (1)請指出，實驗時必須控制的實驗條件__________________________________________________________________ __________________________________________________________________。 (2)請表述，由實驗現象可以得出的實驗推論：___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________。 (3)圖(c)是每隔Δt時間曝光一次得到小車在粗糙水平面上運動過程中的五張照片，測得小車之間的距離分別是s1、s2、s3、s4，由此可估算出小車與水平面間的動摩擦因數μ＝____________(需要用s1、s2、s3、s4、g、Δt字符表示)。 解析 (1)根據伽利略“理想實驗”的內容與原理可知，需要小車到達水平面時的速度是相同的，所以在實驗的過程中要求小車從同一位置靜止釋放。 (2)根據實驗的情況，可以得出的結論為水平面越光滑，小車滑得越遠，當水平面完全光滑時，小車將滑向無窮遠。 (3)小車在水平面內做勻變速直線運動，結合勻變速直線運動的推論，則a＝，根據牛頓第二定律可知a＝＝μg，所以小車與水平面間的動摩擦因數μ＝。 答案 (1)小車從同一位置靜止釋放 (2)水平面越光滑，小車滑得越遠，當水平面完全光滑時，小車將滑向無窮遠 (3) 4.一實驗小組用氣墊導軌驗證滑塊碰撞過程中的動量守恒，實驗裝置如圖4所示。 圖4 (1)實驗前應調節(jié)氣墊導軌底部的調節(jié)旋鈕，使導軌________；充氣后，當滑塊在導軌上能________運動時，說明氣墊導軌已經調節(jié)好。 (2)實驗時，先使滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩，然后釋放滑塊1，滑塊1通過光電門1后與右側固定有彈簧的滑塊2碰撞，碰后滑塊1和滑塊2依次通過光電門2，兩滑塊通過光電門2后依次被制動；實驗中需要測量滑塊1(包括擋光片)的質量m1、滑塊2(包括彈簧和擋光片)的質量m2、滑塊1通過光電門1的擋光時間Δt1、通過光電門2的擋光時間Δt2，還需要測量____________、____________。(寫出物理量及其表示符號) (3)如果表達式____________成立，則說明滑塊碰撞過程中動量守恒。(用物理量的符號表示) 解析 (1)實驗時，應調節(jié)氣墊導軌底部的旋鈕，使導軌水平，當滑塊在導軌上能勻速運動時，說明氣墊導軌已經調節(jié)好。 (2)實驗時，需要測量兩個滑塊的質量以及滑塊1碰前、碰后的速率與滑塊2碰后的速率，所以還需要測量滑塊2通過光電門2的擋光時間Δt3，以及擋光片的寬度d。 (3)碰前動量為m1，碰后動量為m1＋m2，則表達式為m1＝m1＋m2。 答案 (1)水平 勻速 (2)滑塊2通過光電門2的擋光時間Δt3 擋光片的寬度d (3)m1＝m1＋m2 5.某探究小組利用如圖5甲所示的實驗裝置探究加速度與質量的關系。首先平衡小車所受的摩擦力，保持砂和砂桶的質量一定。接通電源，釋放小車。多次改變小車的質量，利用位移傳感器測出對應的位移x并描繪x－t圖象。 (1)圖乙為小車質量M＝0.4 kg時位移傳感器記錄下描繪的x－t圖象。由圖象可知，此時小車的加速度a＝________ m/s2。 (2)該小組根據數據作出了加速度a的倒數和小車質量M的圖象(－M)如圖丙，圖丙中圖線沒有過原點，小組討論后認為圖線確實不應該過原點。請用所學知識分析，圖丙中c＝________，利用題中信息求出實驗中砂和砂桶的質量m＝________ kg。(結果保留1位有效數字，當地重力加速度g＝10 m/s2) 圖5 解析 (1)釋放后小車做初速度為零的勻加速直線運動，x＝(0.74－0.10) m＝0.64 m，t＝(2.2－1.4) s＝0.8 s，由x＝ at2，可得a＝2 m/s2。 (2)a和M的關系反映小車與砂和砂桶的運動，即mg－F′＝ma，F＝Ma，F′＝F，得＝＋M，則c＝＝0.1 s2/m；由題圖丙可求斜率＝1 s2m－1kg－1，則m＝0.1 kg。 答案 (1)2 (2)0.1 s2/m 0.1 6.實驗小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗，發(fā)現實驗用的橡皮筋老化，經實驗小組討論，采用如下的實驗方案。 圖6 (1)先用一個彈簧測力計測量鉤碼的重力，如圖6所示，則鉤碼的重力為________ N。 (2)把三根較長的細線l1、l2、l3一端連接在一起，結點記為O，細線l3另一端系在鉤碼上，用兩個彈簧測力計分別勾住細線l1、l2的另一端，其中彈簧測力計A懸掛于固定點P(P點釘在固定的豎直木板上)，手持另一彈簧測力計B緩慢地向左拉，使結點O靜止在某位置，如圖7所示。分別讀出彈簧測力計A和B的示數，并在貼于豎直木板的白紙上記錄_________________________________________。 圖7 (3)在白紙上按一定標度作出彈簧測力計拉力F1、F2的圖示和l3上拉力F的圖示，根據平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′的圖示，若________________，則力的平行四邊形定則得到驗證。 (4)實驗小組對他們的實驗方案有以下幾點認識，其中正確的是________。 A.進行多次實驗時，每次都要使O點靜止在同一位置 B.進行多次實驗時，每次都要使彈簧測力計B保持水平狀態(tài) C.在實驗中，彈簧測力計必須保持與木板平行，讀數時視線要正對彈簧測力計的刻度線 D.在同一次實驗中，畫力的圖示選定的標度要相同，并且要恰當選定標度，使力的圖示稍大一些 解析 (1)由題圖甲可知，彈簧測力計的分度值為0.2 N，其示數為3.6 N。 (2)本實驗驗證力的平行四邊形定則的實驗原理：拉力F1、F2合力的理論值與細線l3的拉力的實際值對比，合力的理論值和l3的拉力是作用在同一點，要使用作圖法，所以需要記錄結點O的位置、兩彈簧測力計拉力的方向和細線l3拉力的方向。 (3)對比F1、F2的合力F′的圖示和l3上拉力F的圖示，如果在誤差允許的范圍內F′大小與F相等，方向相反，則力的平行四邊形定則得到驗證。 (4)改變拉力的大小，進行多次實驗時，只要系統處于平衡狀態(tài)，兩彈簧測力計拉力的合力F′與F(等于物體的重力)等大反向即可，因此結點O不需要每次實驗都靜止在同一位置，選項A錯誤；進行多次實驗時，只要兩彈簧測力計間的夾角合適即可，彈簧測力計B不需要每次都保持水平狀態(tài)，選項B錯誤；在實驗中，彈簧測力計必須保持與木板平行，讀數時視線要正對彈簧測力計的刻度線，才能準確讀數和記錄拉力的方向，選項C正確；在同一次實驗中，畫力的圖示必須選定相同的標度，才可以比較F′與F，并且要恰當選定標度，使力的圖示稍大一些以減少作圖帶來的誤差，選項D正確。 答案 (1)3.6 (2)結點O的位置、兩彈簧測力計拉力的方向及細線l3拉力的方向 (3)在誤差允許的范圍內F′與F大小相等，方向相反 (4)CD 7.某研究學習小組的同學欲以圖8所示裝置中的小車為對象探究動能定理。 圖8 (1)下列器材中一定需要的有________。 A.天平 B.刻度尺 C.6 V直流電源 D.秒表 (2)實驗時為了保證質量為M的小車受到的合力與砂和砂桶的總重力大小基本相等，砂和砂桶的總質量m應滿足的實驗條件是________________，實驗時首先要做的步驟是________________。 (3)在(2)的基礎上，某同學測得小車的質量M，往砂桶中裝入適量的細砂，測得砂和砂桶的總質量m。讓砂桶帶動小車加速運動，用打點計時器記錄小車的運動情況，在打點計時器打出的紙帶上取兩點，測出這兩點的間距L和打這兩點時小車的速度大小v1與v2(v1
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- 2019版高考物理二輪復習 專題六 物理實驗 第1講 力學實驗學案 2019 高考 物理 二輪 復習 專題 實驗 力學
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