專題七第16講力學(xué)實(shí)驗(yàn)

第16講力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求1.會(huì)使用刻度尺、秒表、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器測量有關(guān)數(shù)據(jù)。2.熟悉教材中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程，會(huì)操作有關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、誤差分析，并會(huì)借助基本實(shí)驗(yàn)分析創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?？键c(diǎn)一紙帶類和光電門類實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)處理探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律1.細(xì)繩與長木板平行2.釋放前小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器3.先接通電源，再釋放小車，打點(diǎn)結(jié)束先切斷電源，再取下紙帶4.鉤碼質(zhì)量適當(dāng)1.判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)2.利用一段時(shí)間內(nèi)的平均速度求中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度3.利用逐差法求平均加速度4.作速度—時(shí)間圖像，通過圖像的斜率求加速度探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系1.補(bǔ)償阻力，墊高長木板一端使小車能勻速下滑2.在補(bǔ)償阻力時(shí)，不要把懸掛槽碼的細(xì)繩系在小車上，實(shí)驗(yàn)過程中不用重復(fù)補(bǔ)償阻力3.實(shí)驗(yàn)必須保證的條件：小車質(zhì)量m?槽碼質(zhì)量m′4.釋放前小車要靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，應(yīng)先接通電源，后釋放小車1.利用逐差法或v－t圖像法求a2.作出a－F圖像和a－eq\f(1,m)圖像，確定a與F、m的關(guān)系驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1.豎直安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，以減小摩擦阻力2.選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料3.選取第1、2兩點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶，用mgh＝eq\f(1,2)mv2進(jìn)行驗(yàn)證1.應(yīng)用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)計(jì)算某時(shí)刻的瞬時(shí)速度2.判斷mghAB與eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2是否在誤差允許的范圍內(nèi)相等3.作出eq\f(1,2)v2－h(huán)圖像，求g的大小驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律1.開始前調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平2.用天平測出兩滑塊的質(zhì)量3.用光電門測量碰前和碰后的速度1.滑塊速度的測量：v＝eq\f(Δx,Δt)2.驗(yàn)證的表達(dá)式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′常見的測速方法：紙帶打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速，光電門測速，傳感器測速，動(dòng)能定理計(jì)算法，平拋運(yùn)動(dòng)計(jì)算法等。例1(2023·江蘇省高郵中學(xué)期中)某實(shí)驗(yàn)小組應(yīng)用如圖甲所示裝置“探究加速度與物體受力的關(guān)系”，已知小車的質(zhì)量為M，砝碼及砝碼盤的總質(zhì)量為m，所使用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接的交流電的頻率為50Hz。實(shí)驗(yàn)步驟如下：A．按圖甲所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，其中與定滑輪及彈簧測力計(jì)相連的細(xì)線豎直；B．調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下勻速運(yùn)動(dòng)；C．掛上砝碼盤，接通電源后，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求出小車的加速度；D．改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)步驟C，求得小車在不同合力作用下的加速度。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)過程，回答以下問題：(1)實(shí)驗(yàn)中砝碼和砝碼盤的質(zhì)量________(填“需要”或“不需要”)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。(2)實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶如圖乙所示，由該紙帶可求得“2”點(diǎn)的速度為________m/s，小車的加速度為________m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(3)對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是________。A．小車的加速度與砝碼盤的加速度大小相等B．實(shí)驗(yàn)過程中砝碼盤處于超重狀態(tài)C．與小車相連的細(xì)線與長木板一定要平行D．彈簧測力計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為砝碼和砝碼盤總重力的一半(4)由本實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作出小車的加速度a與彈簧測力計(jì)的示數(shù)F的關(guān)系圖像，與本實(shí)驗(yàn)相符合的是________。例2(2023·江蘇揚(yáng)州市期末)如圖甲所示，某同學(xué)通過調(diào)節(jié)拍攝功能中的感光度和快門時(shí)間，拍攝出質(zhì)量較高的頻閃照片。圖乙是該同學(xué)拍攝的小球自由下落部分運(yùn)動(dòng)過程中的頻閃照片，用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。該同學(xué)以小球釋放點(diǎn)為原點(diǎn)O，并借助照片背景中的刻度尺測量各時(shí)刻的位置坐標(biāo)為x1、x2、x3、x4、x5，刻度尺零刻度與原點(diǎn)O對(duì)齊。已知連拍頻率為f，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，小球質(zhì)量為m。(1)如圖丙所示，從起點(diǎn)O下降到x2位置小球的位移大小為________cm。(2)關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置和操作，以下說法正確的是________。A．刻度尺應(yīng)固定在豎直平面內(nèi)B．選擇體積大的小球C．小球?qū)嶋H下落過程中動(dòng)能增量大于重力勢(shì)能減少量(3)小球在x3位置時(shí)的瞬時(shí)速度v3＝______。(用題中所給的物理量符號(hào)表示)(4)取小球從O到x4的過程研究，則機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為_________________。(用題中所給物理量的符號(hào)表示)(5)該同學(xué)利用測得的數(shù)據(jù)，算出小球經(jīng)過各點(diǎn)的速度v，并作出了如圖丁所示的eq\f(v2,2)－x圖線。測得圖線的斜率k明顯小于g，是由于存在阻力的影響，則小球受到的阻力大小F阻＝________________。例3某同學(xué)用如圖甲所示的裝置做驗(yàn)證動(dòng)量定理的實(shí)驗(yàn)，一細(xì)繩跨過懸掛的光滑定滑輪，兩端分別系有小球A和B，小球A右側(cè)固定一遮光條，遮光條上方某位置固定一光電門，初始時(shí)A、B靜止，細(xì)繩拉緊，然后同時(shí)釋放小球A、B，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間＝9.8m/s2。(1)用游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度如圖乙所示，則遮光條的寬度d＝________mm。(2)測得小球A(含遮光條)、B的質(zhì)量分別為mA＝100g、mB＝150g，則小球A加速上升過程的加速度大小為________m/s2。(3)測得遮光條通過光電門的時(shí)間為Δt＝2.2ms，遮光條從釋放至到達(dá)光電門的時(shí)間為t＝1.06s，該過程兩球的動(dòng)量增加量大小之和為________kg·m/s，B、A球重力的沖量大小之差為____________N·s。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(4)多次測量發(fā)現(xiàn)兩球重力的沖量大小之差總是大于兩球的動(dòng)量增加量大小之和，原因可能是____________________。(寫出一條即可)考點(diǎn)二力學(xué)其他實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)處理探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系1.應(yīng)在彈簧自然下垂時(shí)，測量彈簧原長l02.水平放置時(shí)測原長，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的圖線不過原點(diǎn)的原因是彈簧自身有重力1.作出彈力F隨彈簧伸長量x變化的圖線，斜率表示彈簧的勁度系數(shù)2.超過彈簧的彈性限度，圖線會(huì)發(fā)生彎曲探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律1.正確使用彈簧測力計(jì)2.同一次實(shí)驗(yàn)中，橡皮條結(jié)點(diǎn)的位置一定要相同3.細(xì)繩套應(yīng)適當(dāng)長一些，互成角度地拉橡皮條時(shí)，夾角大小應(yīng)適當(dāng)1.按力的圖示作平行四邊形2.求合力大小探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)1.保證斜槽末端水平2.每次讓小球從傾斜軌道的同一位置由靜止釋放3.坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)是小球出槽口時(shí)球心在紙板上的投影點(diǎn)1.用代入法或圖像法判斷運(yùn)動(dòng)軌跡是不是拋物線2.由公式x＝v0t和y＝eq\f(1,2)gt2，求初速度v0＝xeq\r(\f(g,2y))探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系1.彈力大小關(guān)系可以通過標(biāo)尺上刻度讀出，該讀數(shù)顯示了向心力大小關(guān)系2.采用了控制變量法，探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系作出Fn－ω2、Fn－r、Fn－m的圖像，分析向心力與角速度、半徑、質(zhì)量之間的關(guān)系用單擺測量重力加速度的大小1.保證懸點(diǎn)固定2.單擺必須在同一平面內(nèi)振動(dòng)，且擺角小于5°3.擺長l＝懸線長l′＋小球的半徑r4.用T＝eq\f(t,n)計(jì)算單擺的周期1.利用公式g＝eq\f(4π2l,T2)求重力加速度2.可作出l－T2的圖像，利用斜率求重力加速度例4將橡皮條的一端固定在A點(diǎn)，另一端拴上兩根細(xì)繩套，每根細(xì)繩套分別套著一個(gè)量程為5N，最小刻度為0.1N的彈簧測力計(jì)，當(dāng)橡皮條的活動(dòng)端拉到O點(diǎn)時(shí)，兩根細(xì)繩互相垂直，如圖甲所示，這時(shí)彈簧測力計(jì)的讀數(shù)可從圖中讀出。(1)本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了等效替代方法，其等效性是指_____________________________________。(2)由圖甲可讀得兩個(gè)相互垂直的拉力分別為4.00N(向右)和2.50N(向下)。在圖乙中按力的合成實(shí)驗(yàn)的要求畫出這兩個(gè)力及它們的合力。(3)在做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮條的一端固定在木板上，用兩個(gè)彈簧測力計(jì)把橡皮條的另一端拉到某一確定的O點(diǎn)，以下操作中正確的是________。A．同一次實(shí)驗(yàn)過程中，O點(diǎn)位置允許變動(dòng)B．實(shí)驗(yàn)中，彈簧測力計(jì)必須與木板平行，讀數(shù)時(shí)視線要正對(duì)彈簧測力計(jì)刻度C．實(shí)驗(yàn)中，先將其中一個(gè)彈簧測力計(jì)沿某一方向拉到最大量程，然后只需調(diào)節(jié)另一彈簧測力計(jì)拉力的大小和方向，把橡皮條另一端拉到O點(diǎn)D．實(shí)驗(yàn)中，把橡皮條的另一端拉到O點(diǎn)時(shí)，兩彈簧測力計(jì)之間的夾角應(yīng)取90°，以便于算出合力大小(4)完成實(shí)驗(yàn)后，有同學(xué)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測量彈簧測力計(jì)中彈簧的勁度系數(shù)，并繪制了F－x圖像(如圖丙所示)，請(qǐng)根據(jù)圖像求出彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m。例5(2022·福建卷·11)某實(shí)驗(yàn)小組利用圖(a)所示裝置驗(yàn)證小球平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將斜槽固定在貼有復(fù)寫紙和白紙的木板邊緣，調(diào)節(jié)槽口水平并使木板豎直；把小球放在槽口處，用鉛筆記下小球在槽口時(shí)球心在木板上的水平投影點(diǎn)O，建立xOy坐標(biāo)系。然后從斜槽上固定的位置釋放小球，小球落到擋板上并在白紙上留下印跡。上下調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測量各印跡中心點(diǎn)O1、O2、O3…的坐標(biāo)，并填入表格中，計(jì)算對(duì)應(yīng)的x2值。O1O2O3O4O5O6y/cm2.956.529.2713.2016.6119.90x/cm5.958.8110.7412.4914.0515.28x2/cm235.477.6115.3156.0197.4233.5(1)根據(jù)上表數(shù)據(jù)，在圖(b)給出的坐標(biāo)紙上補(bǔ)上O4數(shù)據(jù)點(diǎn)，并繪制“y－x2”圖線。(2)由y－x2圖線可知，小球下落的高度y，與水平距離的平方x2成____________(填“線性”或“非線性”)關(guān)系，由此判斷小球下落的軌跡是拋物線。(3)由y－x2圖線求得斜率k，小球平拋運(yùn)動(dòng)的初速度表達(dá)式為v0＝____________(用斜率k和重力加速度g表示)。(4)該實(shí)驗(yàn)得到的y－x2圖線常不經(jīng)過原點(diǎn)，可能的原因是____________________________。例6(2023·江蘇蘇州市期末)某同學(xué)用圖a所示裝置測定重力加速度，并驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。小球上安裝有擋光部件，光電門安裝在小球平衡位置正下方。(1)用螺旋測微器測量擋光部件的擋光寬度d，其讀數(shù)如圖b，則d＝________mm。(2)讓單擺做簡諧運(yùn)動(dòng)并開啟傳感器的計(jì)數(shù)模式，當(dāng)光電門第一次被遮擋時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為1并同時(shí)開始計(jì)時(shí)，以后光電門被遮擋一次計(jì)數(shù)增加1。若計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N時(shí)，單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，則該單擺的周期T＝________。(3)擺線長度大約80cm，該同學(xué)只有一把量程為30cm的刻度尺，于是他在細(xì)線上標(biāo)記一點(diǎn)A，使得懸點(diǎn)O到A點(diǎn)間的細(xì)線長度為30cm，如圖c。保持A點(diǎn)以下的細(xì)線長度不變，通過改變OA間細(xì)線長度l以改變擺長，并測出單擺做簡諧運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的周期T。測量多組數(shù)據(jù)后繪制T2－l圖像，求得圖像斜率為k1，可得當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝________。(4)該同學(xué)用此裝置繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖d，將小球拉到一定位置由靜止釋放，釋放位置距最低點(diǎn)高度為h，開啟傳感器計(jì)時(shí)模式，測得小球擺下后第一次擋光時(shí)間為Δt，改變不同高度h并測量不同擋光時(shí)間Δt，測量多組數(shù)據(jù)后繪制Δt2－eq\f(1,h)圖像，發(fā)現(xiàn)圖像是過原點(diǎn)的直線并求得圖像斜率k2，比較k2的值與__________________(寫出含有d、k1的表達(dá)式)，若二者在誤差范圍內(nèi)相等，則驗(yàn)證機(jī)械能是守恒的。(5)對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，下列說法中正確的兩項(xiàng)為________。A．安裝在小球下面的擋光部件選用擋光小圓柱比擋光小薄片好B．只考慮擋光位置在小球下方所引起的系統(tǒng)誤差，k1的測量值與理論值相比偏大C．只考慮擋光位置在小球下方所引起的系統(tǒng)誤差，k2的測量值與理論值相比偏小D．驗(yàn)證機(jī)械能守恒時(shí)細(xì)線偏離平衡位置的最大角度必須小于5°1．某同學(xué)用如圖甲所示裝置研究“向心力與線速度的關(guān)系”。半徑為R的四分之一圓弧軌道固定在水平桌面上，軌道最低點(diǎn)安裝一個(gè)壓力傳感器，傳感器上表面與圓弧軌道平滑連接，表面切線水平(壓力傳感器的上表面可看成圓弧軌道的最低點(diǎn))，光電門固定在圓弧軌道最低點(diǎn)，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，小球的質(zhì)量為m、半徑為r。(1)將小球從圓弧軌道上的某一位置由靜止釋放，小球經(jīng)過圓弧軌道最低點(diǎn)時(shí)，壓力傳感器的示數(shù)為F1，則小球經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小Fn＝________，小球擋光時(shí)間為t1，則小球經(jīng)過圓弧軌道最低點(diǎn)時(shí)的速度v1＝________。(2)讓小球從圓弧軌道上的不同位置由靜止釋放，記錄小球經(jīng)過壓力傳感器表面時(shí)壓力傳感器的示數(shù)F及小球的擋光時(shí)間t，作F－eq\f(1,t2)圖像，圖像是一條傾斜的直線，如圖乙中實(shí)線所示，在誤差允許的范圍內(nèi)，當(dāng)圖像與縱軸的截距等于________，圖像的斜率等于________時(shí)，表明小球質(zhì)量一定，軌道半徑一定，向心力與速度的平方成正比。(3)若換用質(zhì)量也為m但半徑稍大的小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不考慮其他影響，所得圖線應(yīng)是圖乙中的虛線________(選填“1”“2”“3”或“4”)。2．(2023·江蘇無錫市期末)某同學(xué)利用“聲音圖像”軟件測量物塊與長木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ。實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，長木板固定在水平桌面上，物塊置于長木板上且兩端分別通過跨過定滑輪的細(xì)線與小球A、B相連，實(shí)驗(yàn)前分別測量出小球A、B底部到地面的高度hA、hB(hB>hA)。打開軟件，燒斷一側(cè)細(xì)線，記錄下小球與地面兩次碰撞聲的時(shí)間圖像(兩小球落地后均不反彈)。(1)由圖甲可知，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)燒斷物塊________(選填“左側(cè)”或“右側(cè)”)的細(xì)線。(2)燒斷細(xì)線前，用分度值為1cm的刻度尺