專題08 力學(xué)實驗探究（原卷版）

專題08力學(xué)實驗探究【解題技巧】一、研究物理量影響因素類滑動摩擦力、壓強(qiáng)、液體的壓強(qiáng)、動能、重力勢能等影響因素二、研究物理原理類彈簧測力計的原理、杠桿的原理、阿基米德原理、二力平衡原理三、測量物理量類測物體密度、測大氣壓的值、測杠桿、滑輪組和斜面的機(jī)械效率、測功率四、誤差分析1、測量誤差主要分為兩大類：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差（1）系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因：①測量儀器靈敏度和分辨能力較低；②實驗原理和方法不完善等。（2）隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因：①環(huán)境因素的影響；②實驗者自身條件等。2、減小誤差的方法（1）選用精密的測量儀器；（2）完善實驗原理和方法；（3）多次測量取平均值。【例題精析】一．控制變量法與探究性實驗方案1．2013年6月20日，神州十號航天員王亞平在太空授課時提了一個思考題：在太空中，人們常用的桿秤、天平等測量質(zhì)量的儀器都會失效。那么可否利用彈簧的振動快慢來測量物體的質(zhì)量？為了研究彈簧振動快慢與所掛重物質(zhì)量的關(guān)系，某中學(xué)科技小組設(shè)計了一個探究實驗，其步驟如下：步驟1：測出一個鉤碼的質(zhì)量，在某一輕質(zhì)彈簧a下端掛一個鉤碼，上端固定；步驟2：把彈簧拉伸到適當(dāng)距離后放手，讓鉤碼上下振動（如圖1所示）；步驟3：測出振動30次所需的時間t，算出每振動一次所需的時間t30步驟4：增加所掛鉤碼的個數(shù)，重復(fù)步驟2、步驟3；步驟5：將數(shù)據(jù)采用描點法繪制出輕質(zhì)彈簧a每振動一次所需的時間（即振動快慢）與所掛鉤碼質(zhì)量的關(guān)系圖象（見圖2中輕質(zhì)彈簧a曲線）；步驟6：換用一條輕質(zhì)彈簧b，重復(fù)以上實驗，同理繪制出每振動1次所需的時間（即振動快慢）與所掛鉤碼質(zhì)量的關(guān)系圖象（見圖2中輕質(zhì)彈簧b曲線）。根據(jù)以上實驗過程回答如下問題：（1）在該實驗中，主要用到的測量儀器有。（2）忽略空氣阻力，圖1A、O、B三個位置中，位置時鉤碼具有的動能最大。（3）分析圖2，可以得到的初步結(jié)論是。二．探究摩擦力的大小與什么因素有關(guān)的實驗2．如圖1所示，小明在“研究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗中，用彈簧測力計拉著木塊分別在粗糙程度不同的甲、乙水平木板上勻速直線運動，通過改變放在木塊上的砝碼改變壓力，分別測出木塊在甲、乙木板上滑動時的摩擦力，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描點畫出了滑動摩擦力f摩與對應(yīng)壓力f壓關(guān)系的圖象。（1）分析圖象甲或乙可知，木塊對木板的越大，木塊所受的滑動摩擦力也就越大；比較圖象可知，（選填“甲”或“乙：）木板更粗糙。（2）小明在實驗中發(fā)現(xiàn)，拉著木塊運動時很難控制“勻速”，于是他設(shè)計了如圖2所示的裝置，將彈簧測力計固定，改為拉動平板小車，當(dāng)他水平向左拉動平板小車時，木塊所受到的摩擦力的方向為。這樣改進(jìn)后的裝置的優(yōu)點是。3．小明要探究“滑動摩擦力的大小與什么因素有關(guān)”，他猜想影響滑動摩擦力大小的因素可能有：①接觸面所受的壓力大?、诮佑|面的粗糙程度③物體運動的速度。接下來，小明通過如圖甲的實驗操作來驗證他的猜想。（1）如圖甲所示，讓物體沿者木板和毛巾表面做勻速直線運動，記下物體在木板和毛巾上運動時所受的摩擦力大小，并將實驗數(shù)據(jù)繪制成如圖乙的圖象。根據(jù)圖甲和圖乙可知，物體在木板表面運動時受到的滑動摩擦力為N。該實驗得到的實驗結(jié)論是：。（2）小明又以較快的速度水平勻速直線拉動彈簧測力計，發(fā)現(xiàn)和原來較緩慢勻速直線拉動彈簧測力計的示數(shù)一樣，這說明滑動摩擦力的大小與物體運動的快慢。（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）（3）在實驗過程中，如果沿豎直方向?qū)⑽矬w截去一半后，測得物體所受的滑動摩擦力大小變?yōu)樵瓉淼囊话?。?jù)此小明得出：滑動摩擦力的大小隨接觸面積減小而減小。你認(rèn)為小明在實驗探究的過程中存在的主要問題是：。4．如圖甲所示，小華同學(xué)用彈簧測力計拉著運動鞋在橡膠墊上沿水平方向運動，測量滑動摩擦力的大小，并探究影響滑動摩擦力大小的因素。（1）她必須拉著運動鞋在水平方向做運動，才能準(zhǔn)確地測量出滑動摩擦力的大小，若此時的測量結(jié)果如圖甲所示，則運動鞋所受的滑動摩擦力為N。（2）小華采用向鞋里放置重物、更換桌面上墊片的材料、改變鞋的運動速度等方法，進(jìn)一步探究影響滑動摩擦力大小的因素，并收集有關(guān)數(shù)據(jù)如下：實驗次數(shù)墊片材料放置重物的個數(shù)運動速度/m?s﹣1彈簧測力計的示數(shù)/N1橡膠墊00.12橡膠墊10.13.03毛巾20.23.24毛巾30.33.4①分析以上實驗數(shù)據(jù)可知，在接觸面的粗糙程度相同時，越大，滑動摩擦力越大。②小華發(fā)現(xiàn)第3、4兩次的實驗測得的滑動摩擦力都比第1、2兩次的大，她認(rèn)為這是因為毛巾表面比橡膠墊粗糙導(dǎo)致的，你認(rèn)為這個結(jié)論是的（選填“可靠”或“不可靠”），理由是。③根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)（選填“能”或“不能”）得出滑動摩擦力的大小與物體的運動速度有關(guān)的結(jié)論。（3）小華在實驗中發(fā)現(xiàn)很難保持好運動鞋運動的速度，于是她又設(shè)計了如圖乙所示的實驗，只需緩慢抽出墊片，當(dāng)運動鞋相對彈簧測力計（選填“運動”或“靜止”）時，讀取彈簧測力計的示數(shù)，測得滑動摩擦力的大小是（選填“不變”或“變化”）的。（4）小華查詢了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)了一種改進(jìn)測量摩擦力的設(shè)計方案，如圖丙所示，請你對此方案進(jìn)行評價，寫出一點即可。（提示：C為彈簧測力計，D為小型電動機(jī)，E為定滑輪。）。三．杠桿的平衡分析法及其應(yīng)用5．桿秤是中國古代沿用至今的常用測量工具，某次綜合實踐活動中，小明所在活動小組用木桿、鐵塊、秤鉤、細(xì)線等制作了一把“桿秤”如圖甲所示。他們在制作過程中學(xué)習(xí)了大量關(guān)于桿秤的知識，并提出了一系列問題。問題一：如何標(biāo)注桿秤的刻度？問題二：桿秤的刻度是均勻的嗎？問題三：如何增大桿秤的量程？…（1）關(guān)于刻度，他們查閱到了如下資料：如圖乙所示為桿秤的示意圖，點O為提紐（相當(dāng)于杠桿的），C為定星點，G0為秤桿、秤鉤的自重，重心在點B處，秤砣重為G1．不掛重物，且秤砣在定星點時，桿秤在水平位置平衡：G1?OC＝G0?OB．當(dāng)在秤鉤上掛一重物Gx，秤砣移到距定星點x處時，桿秤剛好在水平位置平衡：G1（x+OC）＝Gx?OA+G0OB可得；x=GxG1?OA．由上述推導(dǎo)可得，x與Gx成正比，因此桿秤的刻度是（選填“均勻的”或“不均勻的”）；在上述資料中，桿秤每次都需調(diào)節(jié)到水平位置平衡，這樣操作的好處是（2）操作過程中，小明在右側(cè)掛鉤上掛一重物，測得OA為5cm，x為50cm，又已知秤砣質(zhì)量為50g；請通過計算幫助小明標(biāo)注此位置所代表的物體質(zhì)量。（3）小明在調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)，市場上的桿秤往往有A、B是兩個不同量程的提紐（如圖丙所示），秤鉤C處懸掛被測物，提起提紐A或B，在秤桿E上移動秤砣D，達(dá)到平衡后，根據(jù)秤砣的位置可以在秤桿上讀出被測物的質(zhì)量。有關(guān)該桿秤下列判斷中正確的是A．它只能測量比秤砣質(zhì)量大的物體B．用提紐A時比用提紐B時的量程更大C．將秤砣質(zhì)量減少，則該秤的讀數(shù)將偏小D．只有當(dāng)秤桿的粗細(xì)均勻時，桿秤的刻度才是均勻的。6．如圖1所示的實驗裝置可以探究杠桿受兩個阻力（F2、F3）時的平衡條件。在已調(diào)節(jié)好的杠桿兩端掛上不同數(shù)量的鉤碼，并適當(dāng)移動鉤碼的位置，使杠桿水平平衡，記下鉤碼的數(shù)量和位置。通過改變鉤碼的數(shù)量和位置，按照同樣的方法再做兩次，將實驗得到的數(shù)據(jù)填在表中。表中數(shù)據(jù)是以一個鉤碼的重力為力的單位，以杠桿的每小格為長度的單位。實驗次數(shù)動力F1動力臂L1動力F2動力臂L2動力F3動力臂L3115112222612253371544（1）分析表中的數(shù)據(jù)，可得杠桿的平衡條件是（填寫關(guān)系式）（2）在農(nóng)村還廣泛使用的桿秤就利用了上述原理。圖2是一根桿秤的示意圖。小云設(shè)計了如下測量秤砣質(zhì)量M的實驗方案，請你將②、④兩步補(bǔ)充完整。①用刻度尺測量桿秤上的主要刻度的示數(shù)m到提紐O的距離x，并作出m﹣x關(guān)系圖象，如圖3所示。②用刻度尺測量掛鉤到的距離l；③在m﹣x關(guān)系圖象中任意讀取兩組數(shù)據(jù)x1、m1和x2、m2；④設(shè)桿秤自重G0，重心到提紐的距離l0，據(jù)杠桿平衡條件Mgx1＝m1gl+G0l0以及Mgx2＝m2gl+G0l0兩式相減得M＝（要求用l、x1、x2、m1、m2表示）。四．探究影響浮力大小因素的實驗7．探究浮力大小及影響浮力的因素葉子姐姐在“驗證阿基米德原理”的實驗中，用圖（a）所示的溢水杯和小桶收集被石塊排開的水，她的實驗過程分別如圖（b）、（c）、（d）、（e）所示。①圖（b）所示，是葉子姐姐用彈簧測力計測量石塊的。②上述實驗不重復(fù)操作的合理順序是（選填b、c、d、e）。③若圖中四個測量值F1、F2、F3、F4滿足關(guān)系式，該原理將得到驗證。④以下關(guān)于實驗過程中的操作，會影響驗證結(jié)果的是。A．圖（a）中溢水杯內(nèi)未盛滿水B．圖（d）中小桶內(nèi)有少量水C．圖（c）中石塊未全部浸沒水中⑤石塊從剛接觸水面到全部浸沒水中，水對溢水杯底的壓強(qiáng)（選填“逐漸增大”、“逐漸減小”、“保持不變”）。⑥葉子姐姐還想驗證“浮力的大小與哪些因素”有關(guān)，于是她找來鹽水和酒精，她將測力計下的石塊先后浸沒在鹽水、水和酒精中，發(fā)現(xiàn)彈簧測力計示數(shù)在中最小，圖中能反映石塊在酒精中所受的浮力F浮與V排關(guān)系的圖線是。8．如圖甲是研究彈簧測力計的示數(shù)F與物體A下表面離水面的距離h的關(guān)系實驗裝置。用彈簧測力計提著物體A，使其緩慢浸入水中（水未溢出），根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了彈簧測力計的示數(shù)F與物體A的下表面浸入水中的深度h的關(guān)系圖象（如圖乙）。（1）物體A浸沒在水中之前，彈簧測力計的示數(shù)隨A向下運動距離的增加而減小，說明浮力與（選填“物體體積”或“排開液體體積”）有關(guān)。（2）物體A浸沒在水中后，所受的浮力為N，且保持不變，說明浸沒在水中的物體所受的浮力與它浸沒在水中的深度（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）。若某同學(xué)在使用彈簧測力計時，指針在零刻度線以上，該同學(xué)沒有調(diào)零而直接進(jìn)行測量，這樣計算出的浮力值（選填“偏大”、“不變”或“偏小”）（3）結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，物體A的密度為kg/m3．本實驗中先測金屬圓柱體的重力，再放入水中測浮力。若改變操作先后順序，物體A的密度的測量結(jié)果（選填“偏大”、“不變”或“偏小”或“無法判斷”）（4）圓柱體A的底面積為cm2。（5）如果將盛水的柱形容器換成梯形容器，如圖丁，再將A物體按上述操作進(jìn)行實驗，則物體放入水的過程中水對容器底部的壓強(qiáng)增加量△p隨h的變化圖象是圖丙中的。（選填“A”“B”“C”）。9．為探究“浮在液面上的實心球體露出液面的體積與哪些因素有關(guān)”，某小組同學(xué)提出可能與實心球的密度、實心球的球體體積等因素有關(guān)，于是他們用甲、乙兩種不同物質(zhì)制成了若干個實心球體，放入盛有適量水的量筒中進(jìn)行實驗，并將測量及計算得到的有關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表一中。表一：（ρ乙＜ρ甲＜ρ水）實驗序號12345678物質(zhì)甲乙球體的體積（cm3）1015203010122030球體浸入水中的體積（cm3）8121624561015球體露出水面的體積（cm3）2346561015（1）分析比較實驗序號中的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件，可初步得出：浮在水面上實心球體的體積相同時，球體的越大，露出水面的體積越小。（2）分析比較表中數(shù)據(jù)還可以初步得出的結(jié)論是浮在水面上實心球體的密度相同時，。（3）若用乙物質(zhì)制成體積為15cm3的實心球體，當(dāng)它浮在水面上時露出水面的體積應(yīng)為

cm3，實心球體所受到的浮力為N（g＝10N/kg）。（4）如圖所示為一種自動貯水器的示意圖，若圖中的浮子是用甲物質(zhì)制成的，如果換用乙物質(zhì)制成相同體積的實心球體為浮子，貯水器中的最高水位（選填“升高”或“降低”）。（5）在上述活動的基礎(chǔ)上，小組同學(xué)認(rèn)為還須進(jìn)一步探究所得結(jié)論是否適用其它液體，表二所列三個方案中，符合探究要求的是（選填序號）。表二（ρ酒精＜ρ水＜ρ鹽水）序號方案A仍用上述球體換在鹽水中進(jìn)行實驗B換用柱形物體并在酒精中進(jìn)行實驗C換用其它物質(zhì)的球體仍在水中進(jìn)行實驗10．在“探究浮力的大小跟哪些因素有關(guān)”的實驗時，小麗提出如下猜想：猜想一：浮力的大小跟物體排開液體的體積有關(guān)；猜想二：浮力的大小跟液體的密度有關(guān)；猜想三：浮力的大小跟物體的密度有關(guān)。（1）小麗用重為3.2N的物體A做了如圖1、2、3所示實驗。該實驗驗證了猜想是正確的，可得出：在同種液體中，物體，受到的浮力越大。實驗中，物體浸沒時受到的浮力為N，方向。（2）小麗在驗證猜想二時，根據(jù)測得的實驗數(shù)據(jù)描繪出浮力與液體密度的關(guān)系圖象，如圖4中甲所示。他分析后發(fā)現(xiàn)，由于誤將物體受到的拉力當(dāng)作了浮力，導(dǎo)致圖象甲未經(jīng)過坐標(biāo)原點。由此可以推斷：物體受到的浮力大小與液體密度的關(guān)系圖象應(yīng)是圖4中的

（選填“乙”、“丙”或“丁”）。（3）為驗證猜想三，小麗選用了與物體A密度不同的物體B進(jìn)行實驗。她將物體B逐漸浸入水中，容器中的水面上升至圖示O位置時，彈簧測力計示數(shù)恰好變?yōu)?，如圖所示。取出物體B后，小麗又將物體A緩慢浸入水中，她在水面上升到（選填“O點之上”、“O點”或“O點之下”）位置時，讀取彈簧測力計的示數(shù)，這樣做是為了控制相同，以便判斷浮力的大小與物體密度是否有關(guān)。五．物體的浮沉條件及其應(yīng)用11．小明按照教材中“綜合實踐活動”的要求制作簡易密度計。（1）取一根粗細(xì)均勻的飲料吸管，在其下端塞入適量金屬絲并用石蠟封口。塞入金屬絲的目的是使吸管能在液體中，此時吸管受到的浮力重力（選填“等于”“大于”或“小于”）。（2）將吸管放到水中的情景如圖1所示，測得浸入的長度為H；放到另一液體中的情景如圖2所示，浸入的長度為h。用ρ液、ρ水分別表示液體和水的密度，則ρ液ρ水（選填“＝”“＞”或“＜”），h與ρ水、ρ液及H的關(guān)系式是h＝。（3）小明根據(jù)圖如圖1在吸管上標(biāo)出1.0刻度線（單位g/cm3，下同），再利用上述關(guān)系式進(jìn)行計算，標(biāo)出了0.8、0.9、1.1、1.2的刻度線（圖中未畫出）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1.1刻線是在1.0刻線的（選填“上”或“下”）方。（4）為檢驗刻度誤差，小明取來食油，先用天平和量筒測量其密度，然后再用這個密度計測量。但操作時卻出現(xiàn)了如圖3所示的情形，這讓他很掃興。難道實驗就此終止了嗎，根據(jù)經(jīng)驗或思考，在不更換食油的情況下，你認(rèn)為可以進(jìn)行怎樣的嘗試：。六．杠桿機(jī)械效率的測量實驗12．小明用如圖所示的裝置探究杠桿的機(jī)械效率，O為支點?？傊貫镚的鉤碼懸掛在杠桿上的A點，豎直向上緩慢拉動彈簧測力計，測得鉤碼上升的高度為h，彈簧測力計示數(shù)為F，其移動距離為s。（1）該實驗中做額外功的主要原因是，該杠桿的機(jī)械效率為η＝（用題目中物理量的符號表示）；（2）鉤碼懸掛在A點時，彈簧測力計拉力