高中物理力学实验专题

第 1 页 共 13 页 高中物理力学实验专题 高中物理 考试说明 中确定的力学实验有 1 研究匀变速直线运动 2 探究弹力和弹簧伸长的关系 3 验证力的平行四边形定则 4 验证牛顿运动定律 探究动能定理 5 验证机械能守恒定律 其中有四个实验与纸带的处理有关 可见力学实验部分应以纸带的处理 打点 计时器的应用为核心来展开复习 近几年力学实验中与纸带处理相关的实验 力学 创新实验是高考的热点内容 以分组或演示实验为背景 考查对实验方法的领悟情 况 灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势 要求考生掌握 常规实验的数据处理方法 能将课本中分组实验和演示实验的实验原理 实验方法 迁移到新的背景中 深刻理解物理概念和规律 并能灵活运用 要求考生有较强的 创新能力 在复习过程中 应以掌握常规实验原理 实验方法 规范操作程序 数据处理 方法等为本 同时从常规实验中 有意识的 积极的提取 积累一些有价值的方法 逐步过渡到灵活运用学过的实验方法设计新的实验 一 打点计时器系列实验中纸带的处理 1 纸带的选取 一般实验应用点迹清晰 无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带 在 验证机械能守恒定律 实验中还要求纸带包含第一 二点 并且第一 二两点距离 接近 2 0mm 2 根据纸带上点的密集程度选取计数点 打点计时器每打 n 个点取一个计数点 则计数点时间间隔为 n 个打点时间间隔 即 T 0 02n s 一般取 n 5 此时 T 0 10s 3 测量计数点间距离 为了测量 计算的方便和减小偶然误差的考虑 测量距离时不要分段测量 尽 可能一次测量完毕 即测量计数起点到其它各计数点的距离 如图所示 则由图可 得 第 2 页 共 13 页 1 sSI 12 ssSII III S 23 ssSIII 34 ssSIV 45 ssSV 56 ssSVI 4 判定物体运动的性质 若 I S II S III S IV S V S VI S基本相等 则可判定物体在实验误差范围内作匀 速直线运动 设 s1 II S I S s2 II S s3 IV S III S s4 V S IV S s5 VI S V S 若 s1 s2 s3 s4 s5基本相等 则可判定物体在实验误差范围内作匀变速 直线运动 测定第 n 点的瞬时速度 物体作匀变速直线运动时 在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度 即测出第 n 点的相邻的前 后两段相等时间 T 内的距离 由平均速度公式就可求得 如上图中第 4 点的瞬时速度为 T ss T SS v VIV 22 35 4 测定作匀变速直线运动物体的加速度 一般用逐差法求加速度 将如上图所示的连续相等时间间隔 T 内的位移 I S II S III S IV S V S VI S分 成两组 利用 2 aTs 可得 2 1 3T SS a IIV 2 2 3T SS a IIV 2 3 3T SS a IIIVI 再算出 的 1 a 2 a 3 a平均值 即 3 321 aaa a 就是所测定作匀变速直线运动物体的加 速度 若为奇数组数据则将中间一组去掉 然后再将数据分组利用逐差法求解 s6 4 36210 s5 s4 s3 s2 s1 S S S S S S 第 3 页 共 13 页 二 设计性实验的设计思路与典例分析 例题 1 做匀加速直线运动的小车 牵引一条纸带通过打点计时器 交流电源的频 率为 50Hz 由纸带上打出的某一点开始 每 5 个点剪下一段纸带 按图所示 使每 一条纸带下端与 x 轴重合 左边与 y 轴平行 将纸带段粘 贴在直角坐标系中 则小车运动的加速度是 m s2 保留两位有效数字 命题意图 本题考查了匀变速直线运动的纸带处理 同 时还要明确计数点的选取以及相隔时间的计算问题 要求 学生能把常见的纸带数据处理中的数据与图中纸带的长度建立联系 获得相关数据 然后求得实验结果 解析 由题意可得 每段纸带的长度就是相邻相等时间间隔内小车的位移 由图 示数据可得ms 3 105 7 而相隔时间为 T 0 02 5s 0 1s 根据 2 aTs 可 得小车的加速度为 2 75 0 sma 变式题 2006年上海 伽利略通过研究自由落体和物块沿光滑斜面的运动 首次 发现了匀加速运动规律 伽利略假设物块沿斜面运动与物 块自由下落遵从同样的法则 他在斜面上用刻度表示物块 滑下的路程 并测出物块通过相应路程的时间 然后用图 题目要求和给题目要求和给 出的条件出的条件 演示和分组实演示和分组实 验的实验原理验的实验原理 物理规律和原物理规律和原 理理 基本仪器的使基本仪器的使 用知识用知识 需测物理量需测物理量 和所需器材和所需器材 实验步骤实验步骤 数据处理数据处理 实验原理实验原理 实验结论及实验结论及 误差分析误差分析 x 0 1 2 3 4 5 6 22 5 30 0 37 5 45 0 52 5 y mm 60 0 ACO DP E B 第 4 页 共 13 页 线表示整个运动过程 如图所示 图中OA表示测得的时间 矩形OAED的面积表示该 时间内物块经过的路程 则图中OD的长度表示 P为DE的中点 连接OP且延长交AE的延长线于B 则AB的长度表示 解析 OA时间段的平均速度 A时刻的瞬时速度 例题 2 2002 年广东 一个有一定厚度的圆盘 可以绕通过中心的水平轴转动 用下面的方法测量它匀速转动时的角速度 实验器材 电磁打点计时器 米尺 纸带 复写纸片 实验步骤 如图所示 将电磁打点计时器固定在桌面上 将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后 固定在待测圆盘的侧面上 使得圆盘转 动时 纸带可以卷在圆盘侧面上 启动控制装置使圆盘转动 同时接通电源 打点计时器开始打点 经过一段时间 停止转动和打点 取下纸带 进行测量 由已知量和测得量表示的角速度的表达式为 式中各 量的意义是 某次实验测得圆盘半径 r 5 50 10 2m 得到的纸带的一段如图所示 求得的角 速度为 命题意图 利用打点计时器求转盘的角速度 这是本题的创新之处 转盘边缘的 线速度与纸带的线速度相等是解决本题的关键 此题的实验器材 和实验步骤题干 中已经给出 不需考生自己设计 对于此类常规试题略加变化的创新题型 能否有 效排除干扰信息 直指问题关键是高考考查能力的一种全新命题方式 本题也可以 在实验器材及实验步骤设计上进行深化考查 从而变成设计性实验 解析 设 T 为电磁打点计时器打点的时间间隔 r 为圆盘的半径 x1 x2分别是 纸带上选定的两点所对应的米尺上的刻度值 n 为选定的两点间的打点数 含两点 则纸带的速度为 由于纸带与圆盘之间不打滑 则圆盘边缘的线速度亦 Tn xx v 1 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 单位 cm 第 5 页 共 13 页 为 由匀速圆周运动的规律有 联立上面两式可得圆盘匀速转动 Tn xx v 1 12 rv 时的角速度为 n 2 3 在图中给出的纸带上任取两点 读 rnT xx 1 12 出其米尺上的刻度值 x1 x2 并将 T 0 02s r 5 50 10 2m 及 n 值代入 可求出 1值 重复上述步骤 求出 2 3 再取其平均值即为 的值得 6 8rads 1 6 75 6 84 均可 变式题 1 2001 年全国 一打点计时器固定在斜面上某处 一小车拖 着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下 如图 1 所示 图 2 是 打出的纸带的一段 已知打点计时器使用的交流电频率为 50Hz 利用图 2 给出的数据可求出小车下滑 的加速度 a 为了求出小车在下滑过程中所受的阻力 还需测量的物理量有 用测得的量及加速度 a 表示小车在下滑过程中所受的阻力计算式为 f 解析 4 00m s2 3 分 3 90 4 10 m s2之间都正确 小车质量 m 斜面上任意两点间距离 l 及这两点的高度差 h ma l h mg 2 2003 年江苏 实验装置如图 1 所示 一木块放在水平长木板上 左侧栓有一细 软线 跨过固定在木板边缘的滑轮与一重物相连 木块右侧与打点计时器的纸带相 连 在重物牵引下 木块在木板上向左运动 重物落地后 木块继续向左做匀减速 运动 图 2 给出了重物落地后 打点计时器在纸带上打出的一些点 试根据给出的 数据 求木块与木板间的摩擦因数 要求写出主要的运算过程 结果保留 2 位有效 数字 打点计时器所用交流电频率为 50Hz 不计纸带与木块间的拉力 取重力加速 度 g 10m s2 打点计时器 图 1 图 2 单位 cm 5 1 2 5 7 4 6 4 1 7 0 5 7 6 8 8 3 3 9 6 1 8 9 5 10 26 打点计时器纸带 图 1 纸带运动方向 7 72 7 21 6 71 6 25 5 76 5 29 4 81 4 31 图 2 单位 cm 第 6 页 共 13 页 解析 由给出的数据可知 重物落地后 木块在连续相等的时间 T 内的位移分别 是 s1 7 72cm s2 7 21cm s3 6 71cm s4 6 25cm s5 5 76cm s6 5 29cm s7 4 81cm s 8 4 31cm 以 a 表示加速度 根据匀变速直线运动的规律 有 又知 T 0 04s 解得 a 3 0m s2 重物落地后 2 48372615 16T ssssssss a 木块只受摩擦力的作用 根据牛顿第二定律有 mg ma 解得 0 30 3 2005 年上海 科学探究活动通常包括以下环节 提出问题 作出假设 制定计 划 搜集证据 评估交流等 一组同学研究 运动物体所受空气阻力与其运动速度 关系 的探究过程如下 A 有同学认为 运动物体所受空气阻力可能与其运动速度有关 B 他们计划利用一些 小纸杯 作为研究对象 用超声波测距仪等仪器测量 小纸 杯 在空中直线下落时的下落距离 速度随时间变化的规律 以验证假设 C 在相同的实验条件下 同学们首先测量了单只 小纸杯 在空中下落过程中不同 时刻的下落距离 将数据填入下表中 图 a 是对应的位移 时间图线 然后将不同 数量的 小纸杯 叠放在一起从空中下落 分别测出它们的速度 时间图线 如图 b 中图线 1 2 3 4 5 所示 D 同学们对实验数据进行分析 归纳后 证实了他们的假设 回答下列提问 与上述过程中 A C 步骤相应的科学探究环节分别是 图 a 中的 AB 段反映了运动物体在做 运动 表中 X 处的值为 图 b 中各条图线具有共同特点 小纸杯 在下落开始阶段做 运动 第 7 页 共 13 页 最后 小纸杯 做 运动 比较图 b 中的 1 和 5 指出在 1 0 1 5s 时间段内 速度随时间变化关系的差 异 时间 s 下落距离 m 0 00 000 0 40 036 0 80 469 1 20 957 1 61 447 2 0X 解析 作出假设 搜集证据 匀速运动 1 937 加速度逐渐减小的加速 运动 匀速运动 图线 1 反映速度不随时间变化 图线 5 反映速度随时间继续增 大 图线 1 反映纸杯做匀速运动 图线 5 反映纸杯依然做加速度减小的加速运动 力学实验专题训练题力学实验专题训练题 1 6 分 某学生用打点计时器研究小车的匀变速直线运动 他将打点计时器接到 频率为的交流电源上 实验时得到一条纸带 他在纸带上便于测量的地方选Hz50 取第一个计时点 在这个点下标明 A 第六个点下标明 第十一个点B下标 明 第十六个点下标明 第CD二十 一个点下标明 测量时发现E点B 已模糊不清 于是他测得长为 长为 长为 ACcm56 14CDcm15 11DEcm73 13 则打点时小车的瞬时速度大小为 小车运动的sm 加速度大小为 保留三位有效数字 2 sm 解 0 986 2 58 2 6 分 用如图甲所示的实验装置来验证牛顿第二定律 为消除摩擦力的影响 实 1 0 2 0 1 0 s m t s 0 0 5 1 0 1 5 2 0 A B 图 a v m s t s 0 0 5 1 0 1 5 图 b 5 4 3 2 1 第 8 页 共 13 页 验前必须平衡摩擦力 1 某同学平衡摩擦力时这样操作 将小车静止地放在水平长木板上 把木板 不带滑轮的一端慢慢垫高 如图乙 直到小车开始沿木板向下滑动为止 然后不断改变对小车的拉力 F 他得到小车质量保持不变情况下的 a F 图线 应是下图中的 将选项代号的字母填在横线上 2 打点计时器使用的交流电频率 f 50Hz 下图是某同学在正确操作下获得的 一条纸带 A B C D E 每两点之间还有 4 个点没有标出 写出用 s1 s2 s3 s4以及频率 f 来表示小车加速度的计算式 a 根 据纸带所提供的数据 算得小车的加速度大小为 m s2 结果保 留两位小数字 解 1 C 2 0 60 评分标准 每空 2 分 100 2 2143 ssss 3 4 分 在 验证机械能守恒定律 的实验中 打点计时器接在电压为 E 频率为 f 的交流电源上 在实验中打下一条理想纸带 如图所示 选取纸带上打出的连 续 5 个点 A B C D E 测出 A 点距起始点的距离为 S0 点 AC 间的距离为 S1 点 CE 间的距离为 S2 已各重锤的质量为 m 当地的重力加速度为 g 则 从起始点 O 到打下 C 点的过程中 重锤重力势能的减少量为 EP 重锤动能的增加量为 EK 根据题中提供的条件 可求出重锤实际下落的加速度 a 它和 当地的重力加速度 g 进行比较 则 ag 填大于 等于 小于 解 mg S0 S1 1 分 1 分 1 分 32 22 21 fssm 4 2 12 fss 第 9 页 共 13 页 小于 1 分 4 3 分 在用图示装置做 探究动能定理 的实验时 下列说法正确的是 填字母代号 A 通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值 B 通过改变橡皮筋的长度来改变拉力做功的数值 C 通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度 D 通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度 解 A C 3 分 5 1 甲 乙 丙 丁四位同学分别使用不同精度的游标卡 尺和螺旋测微器测量同一个物体的长度 测量的结果如下 甲同学 使用游标为 50 分度的卡尺 读数为 12 045cm 乙同学 使用游标为 20 分度的卡尺 读数为 12 045cm 丙同学 使用游标为 10 分度的卡尺 读数为 12 04cm 丁同学 使用精度为 0 01mm 的螺旋测微器 读数为 12 040mm 从这些实验数据中可以看出读数肯定有错误的是 同学 2 图中螺旋测微器的读数为 mm 解 1 甲 2 13 872 13 874 每空 2 分 6 一轻弹簧其弹力与弹簧伸长后的实际长度的关系为 F 200 x 40 式中各物理量均 取国际单位制单位 则弹簧的劲度系数为 弹簧的原长为 解 200N m 0 2m 每空 2 分 7 如图所示 某同学在做 研究匀变速直线运动 实验中 由打点计时器得到表示小 车运动过程的一条清晰纸带 纸带上两相邻计数点间的时间间隔为 T 0 10s 其中 S1 7 05cm S2 7 68cm S3 8 31cm S4 8 95cm S5 9 58cm S6 10 20cm 则打 A 点时小车瞬时速度的大小是 m s 小车运动的加速度大小是 m s2 计算 结果保留两位有效数字 解 0 86 0 63 每空 2 分 8 5 分 一游标卡尺的主尺最小分度为 1 毫米 游标上有 10 个小等分间隔 现用此 卡尺来测量工件的直径 如图所示 该工件的直径为 毫米 第 10 页 共 13 页 解 29 8 5 分 9 6 分 如图所示 甲图中仪器的读数为 mm 乙图中仪器的读数为 cm 解 10 501 10 500 10 502 10 155 10 4 分 图 a 所示螺旋测微器的读数为 mm 图 b 所示游标卡尺 的读数为 cm 解 1 3 700 0 62 每格 2 分 11 4 分 小华在竖直悬挂的弹簧下端加挂钩码 测量一轻弹簧的劲度系数 根据所 测实验数据 在弹力 F 跟弹簧长度 L 关系的坐标系中描点如图所示 全过程未超过弹 簧的弹性限度 1 请根据已描出的点作出 F L 图象 2 由图象知弹簧的劲度系数 K N m 解 11 1 如图 2 分 2 23 26 2 分 12 6 分 如图 a 所示 在 用 DIS 系统测量小车加速度 的实验中 将长为 1m 的水平 轨道一端垫高 1Ocm 形成斜面 从斜面顶端由静止释放质量为 0 5kg 的小车后 得 到图 b 所示的 v t 图象 小车与轨道末端碰撞后立刻停下 若 g 取 1Om s2 则小车 在下滑过程中 1 加速度大小为 m s2 a 0 510 01 b cm 第 11 页 共 13 页 2 受到的平均阻力大小为 N 解 12 1 0 5 2 0 25 每空 3 分 13 1 甲 乙 丙 丁四位同学分别使用不同精度的游标卡尺和螺旋测微器测量 同一物体的长度 测量的结 果如下 甲同学 使用游标为 50 分度的卡尺 读数为 12 045cm 乙同学 使用游标为 20 分度的卡尺 读数为 12 045cm 丙同学 使用游标为 10 分度的卡尺 读数为 12 04cm 顶同学 使用精度为 0 01mm 的螺旋测微器 读数为 12 040mm 从这些实验数据中可以看出读数肯定有错误的是 同学 2 图中螺旋测微器的读数为 mm 解 14 1 甲 2 13 872 13 874 每空 2 分 14 如图所示 某同学在做 研究云变速直线运动 实验中 由打点计时器得到表示小 车运动过程的一条清晰纸带 纸带上两相邻计数点间的时间间隔为 T 0 10s 其中 s1 7 05cm s2 7 68cm s3 8 31cm s4 8 95 cm s5 9 58cm s6 10 20cm 则打 A 点 时小车瞬时速度的大小是 m s 小车运动的加速度大小是 m s2 计算结果保 留两位有效数字 解 16 0 86 0 63 每空 2 分 15 一轻弹簧其弹力与弹簧伸长后的实际长度的关系为 F 200 x 40 式中各物理量 均取国际单位制单位 则弹簧的劲度系数为 弹簧的原长为 解 15 200N m 0 2m 每空 2 分 16 6 分 与打点计时器一样 光电计时器也是一种研究物体运动情况是常用的计 时仪器 如图 甲 所示 a b 分别是光电门的激光发射和接收装置 现利用如图 乙 所示的装置验证 机械能守恒定律 方法是 在滑块上安装一遮光板 把滑块 放在水平放置的气垫导轨上 通过跨过定滑轮的细绳与钩码相连 连接好 1 2 两个 光电门 在图示位置释放滑块后 光电计时器记录下滑块上的遮光板先后通过两个 光电门的时间分别为 t1 t2 已知滑块 含遮光板 质量为 M 钩码质量为 m 两 光电门间距为 s 遮光板宽度为 L L 远远小于 s 当地的重力加速度为 g 1 计算滑块上的遮光板先后通过两个光电门时的瞬时速度的表达式 第 12 页 共 13 页 v1 v2 用题目中给定的字母表示 2 本实验中验证机械能守恒的表达式为 用题目中给定的字母表示 解 11 6 分 1 1 1 t L v 2 2 t L v 2 2 1 2 2 2 1 2 1 t L mM t L mMmgs 评分参考 每空 2 分 共 6 分 17 6 分 在做 测定匀变速直线运动加速度 的实验中 取下一段如图所示的纸带 研究其运动情况 设 O 点为计数 的起始点 在四个连续的计数点中 相邻两计数点间的时间间隔为 0 1 s 若物体做理想的匀加速直线运 动 则计数点 A