专题13 力学实验(解析版).pdf
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1、20202020 年物理二轮专题过关宝典年物理二轮专题过关宝典专题十三:力学实验专题十三:力学实验【知识回扣】一、运动类实验分析1.基础实验原理及考点实验原理图注意事项平行:细绳、纸带与长木板平行。两先两后:实验时先接通电源,后释放小车;实验后先断开电源,根据纸带计算瞬时速后取下纸带。速度随时纸带选:选择一条点迹清晰的纸间变化的带,舍弃点的密集部分,适当选取规律计数点。动。准确作图:横纵坐标轴选择合适的单位,做一条直线,让尽量多的点落在这条直线上。运动还是匀变速直线运判断运动是匀速直线度和加速度。高频考点平衡:必须平衡摩擦力(改变小车或重物质量,无须重新平衡)加速度与物体质量、物体受力的关系实
2、验条件:重物的总质量远小于小车质量(若使用力传感器,或以小车与重物的系统为研究对象无须满足此要求)。其他:细绳与长木板平行;小车靠近打点计时器的位置释放;实验时先接通电源,后释放小车平衡:须平衡摩擦力。平衡摩擦力的方法、标准及误差分析质量条件(mM)的原理。根据纸带计算速度和加速度。1分析 aF 或 a图M象,并得出结论。平衡摩擦力的方法、做功:橡皮筋做的功是变力做功,判断标准探究动能定理不能具体求解,须用倍增法改变功的大小。小车:靠近打点计时器且接通电源再释放小车;每次小车须由同一位置静止弹出。安装:打点计时器竖直安装;纸带沿竖直方向拉直。验证机械能守恒定律速度:应用 vn重物:选密度大、质
3、量大的金属块,且靠近打点计时器处释放。hn1hn1,不能2T求速度:小车获得速度就是纸带上点距均匀的速度考图象:作 Wv 或Wv2图象,得出结论根据纸带计算物体的下落速度、减少重力势能与增加动能。v2v2考图象:h或22h 图象的斜率判断机械能守恒小球选取、O 点确定问题小球质量的测量和小球平抛运动的水平位移的测量若进一步验证碰撞是用 vn 2ghn或 vngt 计算。安装:斜槽末端切线必须沿水平方向。验证注意选择质量较大的小球为入射动量小球。守恒保证入射小球每次从斜槽上同一定律高度由静止释放。验证的表达 m1OP=m1OM+m2ON弹性碰撞,需满足表达式m1OP2=m1OM2+m2ON22.
4、纸带的三大应用(1)判断物体运动性质1 若 x0,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动。2 若 x 不为零且为定值,则可判定物体在实验误差允许范围内做匀变速直线运动。(2)求解瞬时速度做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。如图所示,求打某一点的瞬时速度,只需在这一点的前后各取相同时间间隔 T 的两段位移 xn和 xn1,则打 n 点时的速度 vn(3)求加速度(1)用“逐 差 法”求 加 速 度:因 为 a1x4x5x6x1x2x3。9T2x4x1x5x2x6x3a1a2a32,a22,a32;所 以 a 3T3T3T3xnxn1。2Tsnsn1(2)利用
5、 vn算出相应时刻点的速度,画出vt 图象,根据图线的斜率计算加速度。2T3.凡是应用打点计时器的实验,都必须先接通电源,等打点稳定后,再释放纸带。4.不同的实验,平衡摩擦力的目的也不相同(1)在探究 a 与 F、m 的定量关系的实验中,平衡摩擦力的目的是为使细线的拉力作为小车的合外力。(2)在探究做功与动能变化的关系时,为了使橡皮筋对小车所做的功为总功,应平衡小车的摩擦力。5.图像法处理实验数据应注意以下几点(1)作图一定要用坐标纸,坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定。(2)要标明轴名、单位,在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值。(3)图上的连线不一定通过所有的数据点,
6、应尽量使数据点合理地分布在线的两侧,且线要细。(4)作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化,即“变曲为直”。(5)注意区别横、纵坐标轴的物理意义、标度及单位。(6)明确图像的斜率、截距的物理意义。二、受力类实验1.基础实验原理及考点实验原理图注意事项高频考点等效思想:同一次实验中橡皮条拉长后的结点 O 位置必须保持不变。力的平行两分力 F1、F2的夹角不要四边形太大或太小定则作图:选定比例要相同;严格按力的图示要求作平行四边形求合力实验中悬挂的钩码不要太多,以免超过弹簧的弹性限探究弹力度。与弹簧伸作图:根据数据做出弹力长的关系与伸长关系或弹力与弹簧长度的关系图像。2.验证力的平行四边形定则的
7、操作关键(1)每次拉伸,结点位置 O 必须保持不变。(2)记下每次各力的大小和方向。(3)画力的图示时应选择适当的标度。【热门考点透析】考点一研究匀变速直线运动的特点两次拉橡皮条时需将结点 O 拉到同一位置。根据分力 F1、F2大小与方向用作图法求合力。能区分合力的理论值与实验值若图像为直线,说明弹簧的弹力与伸长量成正比,图像的斜率表示弹簧的进度系数【基础实验】(2018高考北京卷)用图甲所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。主要实验步骤如下:a安装好实验器材接通电源后,让拖着纸带的小车沿长木板运动,重复几次。b选出一条点迹清晰的纸带,找一个合适的点当作计时起点 O(t0),然后每隔相同
8、的时间间隔 T选取一个计数点,如图乙中 A、B、C、D、E、F所示。c通过测量、计算可以得到在打 A、B、C、D、E点时小车的速度,分别记作 v1、v2、v3、v4、v5d以速度 v 为纵轴、时间 t 为横轴建立直角坐标系,在坐标纸上描点,如图丙所示。结合上述实验步骤,请你完成下列任务:(1)在下列仪器和器材中,还需要使用的有_和_(填选项前的字母)。A电压合适的 50 Hz 交流电源B电压可调的直流电源C刻度尺D秒表 E天平(含砝码)(2)在图丙中已标出计数点 A、B、D、E 对应的坐标点,请在该图中标出计数点 C 对应的坐标点,并画出 vt 图象。(3)观察 vt 图象,可以判断小车做匀变
9、速直线运动,其依据是_vt 图象斜率的物理意义是_。(4)描绘 vt 图象前,还不知道小车是否做匀变速直线运动用平均速度x表示各计数点的瞬时速度,从理论上t讲,对 t 的要求是_(选填“越小越好”或“与大小无关”);从实验的角度看,选取的 x 大小与速度测量的误差_(选填“有关”或“无关”)。(5)早在 16 世纪末,伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的当时只能靠滴水计时,为此他设计了如图丁所示的“斜面实验”,反复做了上百次,验证了他的猜想请你结合匀变速直线运动的知识,分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的。【答案】(1)AC(2)如图所示(3)小车的速度随时
10、间均匀变化加速度(4)越小越好有关(5)如果小球的初速度为 0,其速度 vt,那么它通过的位移 xt2.因此,只要测量小球通过不同位移所用的时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。【解析】(1)打点计时器使用的是低压交流电源,故选 A;打相邻计数点的时间间隔是已知的,故不需要秒表;计数点间的距离需要用刻度尺测量,故选 C;由于不需要知道小车和重物的质量,故不需要天平(含砝码)。(2)先标出计数点 C 对应的坐标点,连线时要让尽量多的点在一条直线上。(3)依据vt图象是直线(斜率一定),即小车的速度随时间均匀变化,判断出小车做匀变速直线运动;vt图象斜率的物理意义是加速度。xxx(4)表示
11、的是 t 内的平均速度,只有当 t 趋近于零时,才表示瞬时速度因此若用表示各计数点的瞬时ttt速度,对 t 的要求是越小越好;从实验的角度看,选取的 x 越大,x 的测量误差就越小,算出的速度的误差就越小,因此从实验的角度看,选取的 x 大小与速度测量的误差有关。(5)如果小球的初速度为 0,其速度 vt,那么它通过的位移 x0vt,故推出 xt2.因此,只要测量小球通过不2同位移所用的时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。【实验创新】某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动,用自制“滴水计时器”计量时间。实验前,将该计时器固定在小车旁,如图(a)所示实验时,保持桌面水平,用手轻推一下
12、小车在小车运动过程中,滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴,图(b)记录了桌面上连续 6 个水滴的位置。(已知滴水计时器每 30 s 内共滴下 46 个小水滴)(1)由图(b)可知,小车在桌面上是_(填“从右向左”或“从左向右”)运动的。(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动小车运动到图(b)中 A 点位置时的速度大小为_m/s,加速度大小为_ m/s2.(结果均保留两位有效数字)【答案】(1)从右向左(2)0.190.038【解析】(1)小车在阻力的作用下,做减速运动,由题图(b)知,从右向左相邻水滴间的距离逐渐减小,所以小车在桌面上是从右向左运动。(2)已知滴水计时器每 30
13、 s 内共滴下 46 个小水滴,所以相邻两水滴间的时间间隔为 T的 速 度 为vA302ss,所以 A 点位置4530.1170.133(x5x4)(x2x1)m/s0.19m/s.根 据 逐 差 法 可 求 加 速 度a 26T2230.1000.0830.1500.133m/s20.038 m/s2,故加速度的大小为 0.038 m/s2。2263【增分攻略】1.光电门代替纸带求速度、加速度d(1)计算速度:如果挡光片的宽度为d,挡光时间为 t,则物体经过光电门时的瞬时速度v。t2v2v21(2)计算加速度:利用两光电门的距离L 及 a计算加速度。2L2.频闪照相代替打点计时器打纸带。频闪
14、技术是在同一张底片上间隔相等的时间多次曝光获得物体的位置,也就是在同一相片上显示一个物体在不同时刻的位置。3.用滴水针头代替打点计时器打纸带考点二验证牛顿运动定律【基础实验】(2019安徽定远重点中学高三二模)某同学利用如图甲所示的装置探究物体的加速度 a 与所受合力 F的关系。(1)打点计时器使用的电源是_(选填选项前的字母)。A交流电源B直流电源(2)他用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,目的是平衡摩擦力。具体操作是:把木板垫高后,小车放在木板上,在不挂小桶且计时器 _(填“打点”或“不打点”)的情况下,轻推一下小车,若小车拖着纸带做匀速运动,表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。实验时保持
15、小桶和砝码的总质量远小于小车的质量,其目的是_(选填选项前的字母)。A小车所受的拉力近似等于小车所受的合力B小车所受的拉力近似等于小桶和砝码的总重力C保证小车运动的加速度不超过当地重力加速度(3)图乙是实验中得到的一条纸带,A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点,相邻的两个计数点之间还有四个点未画出。相邻的计数点之间的距离分别为:xAB4.22 cm、xBC4.65 cm、xCD5.08 cm、xDE5.49 cm、xEF5.91 cm、xFG6.34 cm。已知打点计时器的工作频率为 50 Hz,则小车的加速度 a_ m/s2(结果保留两位有效数字)。(4)另一位同学也利用图甲所示的装
16、置做实验。他保持小桶和砝码的质量不变,改变放在小车中砝码的质量m,1测出对应的加速度 a。假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响。他没有测量小车的质量,而是以为纵坐a1标,m 为横坐标,画出-m 图象。从理论上分析,下列图象正确的是_。a【答案】(1)A(2)打点B(3)0.42(4)B【解析】(1)打点计时器接交流电源,故选 A。(2)在平衡摩擦力时,小车后面要挂上纸带并接通打点计时器,当纸带上的点距均匀时,则说明小车匀速运动,即平衡了摩擦力。本实验中用小桶及砝码带动小车运动,只有当小桶及砝码的质量远小于小车质量时,即系统加速度较小时,小桶及砝码的重力才近似等于绳的拉力,故 B 正确。5(
17、3)相邻的两个计数点之间还有四个点未画出,则相邻计数点之间的时间间隔为 t 0.1 s,根据 xat2,得:faxDExEFxFGxABxBCxCD,代入数据解得:a0.42 m/s2。9t2(4)设小车的质量为 M,所受的合外力为 F,F 由小桶与砝码的重力提供,大小不变,则根据牛顿第二定律得:F111(Mm)a,变形得:m M,图象为一条倾斜的直线,当 m0 时,图象有正的纵截距,故选 B。aFF【实验创新】(2019高考全国卷,T22)如图(a),某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验所用器材有:铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率 50 Hz 的交流电源、纸带等回答下
18、列问题:(1)铁块与木板间动摩擦因数 _(用木板与水平面的夹角、重力加速度 g 和铁块下滑的加速度 a 表示)。(2)某次实验时,调整木板与水平面的夹角使 30.接通电源,开启打点计时器,释放铁块,铁块从静止开始沿木板滑下多次重复后选择点迹清晰的一条纸带,如图(b)所示图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4 个点未画出)重力加速度为 9.80 m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为_(结果保留 2 位小数)。【答案】(1)gsin a(2)0.35gcos【解析】(1)铁块受重力、木板弹力及摩擦力作用,由牛顿第二定律得mgsin FNma 且 FNmgcos 解以上两式得 gsi
19、n a。gcos x5x6x7x1x2x376.3931.8320.90102 m/s21.97 m/s2代入 2212T120.1(2)由逐差法求铁块加速度:agsin a,得 0.35.gcos 考点三验证动能定理【基础实验】(2020四川省内江市高三一模)如图甲,是“探究功与速度变化的关系”的实验装置,当质量为0.1kg的小车,完全相同的橡皮筋进行第在 1 条橡皮筋作用下弹出时,橡皮筋对小车做的功记为W;当用 2 条、3 条实验时,由于每次实验中橡皮筋的拉伸长度相同,因此第2 次、第 3 次实验中,橡2 次、第 3 次皮筋对小车做的功分别为2W、3W,每次实验中小车获得的最大速度可由打点
20、计时器所打出的纸带求出。则:(1)关于该实验,下列说法中正确的是_(填选项序号字母)。A必须平衡摩擦力B打点计时器可以用干电池供电C每次实验,小车必须从同一位置由静止释放D可以选用规格不相同的橡皮筋(2)图乙为某次用 1 条橡皮筋实验打出的纸带,测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB 1.60cm,BC 1.62cm,CD 1.64cm,DE 1.64cm,则小车获得的最大速度为_m/s。如果用2 条橡皮筋做实验,那么,在理论上,小车获得的最大动能为_J(结果保留两位有效数字)。【答案】(1).AC(2).0.82(3).0.067【解析】(1)1A为了保证小车的动能都是橡皮筋做功的
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