2018-2019学度高中创新设计物理粤教版2教学学案：专项9实验专项

2018-2019学度高中创新设计物理粤教版2学案：专项9实验专项1．对比实验法：将与平抛运动的初速度相同的水平匀速直线运动和平抛运动的水平分运动对比；将同时发生的自由落体和平抛运动的竖直方向的分运动对比．2．轨迹研究法：描写平抛运动的轨迹，建立起水平、竖直的直角坐标系．根据对平抛运动情况的猜测，假定物体在水平方向做匀速直线运动，确定运动时间相等的一些点的坐标，研究物体在竖直方向运动的位移随时间的变化规律并验证猜测．[复习过关]1．在“研究平抛运动”的实验中；(1)小明采用图1甲所示装置，小铁球A、B完全相同，用小锤打击弹性金属片，金属片把球A沿水平方向弹出，同时B球被松开，自由下落，观察到两球同时落地，改变小锤打击的力度，即改变球A被弹出时的速度，两球仍然同时落地．改变装置与地面间距离，重复上述实验，两球仍然同时落地，根据上述实验现象可得到的结论是________．A．平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动B．平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动C．平抛运动可以分解为竖直运动和水平运动(2)小红用图乙所示装置做实验，两个完全相同的弧形轨道M、N，分别用于发射两个完全相同的小铁球P、Q，其中M的末端是水平的，N的末端与光滑水平板相切；两轨道上端分别装有电磁铁C、D，调节电磁铁C、D的高度，使电磁铁最下端C、D满足AC＝BD．从而保证小球P、Q在轨道出口处的水平初速度v0相等.现将小球P、Q分别吸在电磁铁C、D上，然后切断电磁铁的电源，使两小球同时分别从轨道M、N射出．多次重复上述实验，下列说法中正确的是________．A．小球P下落到水平板时总是正好碰到小球QB．小球P下落到水平板时总是落在小球Q的右侧C．小球P下落到水平板时总是落在小球Q的左侧(3)用图乙所示装置做实验，若仅改变弧形轨道M的高度(AC距离保持不变)，重复(2)中实验，仍能观察到相同的现象．根据上述实验现象可得到的结论是________．A．平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动B．平抛运动在水平方向的分运动是匀速直线运动C．平抛运动是匀变速运动图1解析(1)在打击金属片时，两小球同时做平抛运动与自由落体运动．结果同时落地，则说明平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动，故A正确．(2)让两小球从相同的弧形轨道上相同高度滚下，从而使两小球同时滚离轨道并具有相同的速度．小球P做平抛运动，小球Q做匀速直线运动，因为平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，则小球P下落到水平板时总是正好碰到小球Q，故A正确．(3)改变两小球滚下的高度时，仍能相碰，则说明平抛运动水平方向总是匀速直线运动．故B正确．2．(1)(多选)在“研究平抛运动”实验的装置如图2甲所示，下列说法正确的是________．图2A．将斜槽的末端切线调成水平B．将木板校准到竖直方向，并使木板平面与小球下落的竖直平面平行C．斜槽轨道必须光滑D．每次释放小球时的位置越高，实验效果越好(2)如图乙实线为某质点平抛运动轨迹的一部分，AB、BC间水平距离Δs1＝Δs2＝0.4m，高度差Δh1＝0.25m，Δh2＝0.35m．求：(g＝10m/s2)①抛出初速度v0为________m/s．②由抛出点到A点的时间为________s．解析(1)实验中必须保证小球做平抛运动，而平抛运动要求有水平初速度且只受重力作用，所以斜槽轨道必须要水平，至于是否光滑没有影响，只要能抛出就行．为确保有相同的水平初速度，所以要求从同一位置无初速度释放，并不是越高越好，故选A、B．(2)平抛运动的水平分运动是匀速直线运动，由于Δs1＝Δs2＝0.4m，故A到B和B到C时间相等；平抛运动的竖直分运动是自由落体运动，根据Δy＝gT2，得到：T＝eq\r(\f(Δy,g))＝eq\r(\f(0.35－0.25,10))s＝0.1s；故平抛的初速度为：v0＝eq\f(Δs,T)＝eq\f(0.4m,0.1s)＝4m/s；B的竖直分速度为：vBy＝eq\f(Δh1＋Δh2,2T)＝eq\f(0.25＋0.35,2×0.1)m/s＝3m/s；故从抛出到B点的时间为：tB＝eq\f(vBy,g)＝eq\f(3,10)s＝0.3s故从抛出到A点时间为：tA＝tB－T＝0.3s－0.1s＝0.2s．二、探究功与速度变化的关系1．在探究功与速度变化的关系实验中一定要注意平衡摩擦力．将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡．方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角．2．在利用橡皮筋探究外力对物体做功与物体速度变化关系时，测小车速度应选纸带上的点迹均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分．[复习过关]3．在“探究功与速度变化的关系”实验中．(1)如图3是甲同学的实验装置图，下列做法能够实现橡皮筋对小车做功呈整数倍变化的是()图3A．释放小车的位置等间距的变化B．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的伸长量依次加倍C．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的长度依次加倍D．增加相同橡皮筋的条数，使小车每次从同一位置释放(2)该同学按照正确的操作在实验中得到了若干条纸带，则纸带上打下的相邻点间的距离变化情况是()A．一直增大且增量不变 B．先减小后增大C．先增大后减小 D．先增大后均匀不变(3)该实验可以有不同的设计，乙同学设计了如下实验方案：A．实验装置如图4所示，一端系在滑块上的细绳通过转轴光滑的轻质定滑轮挂上钩码，用垫块将长木板固定有定滑轮的一端垫起．调整长木板的倾角，直到轻推滑块后，滑块沿长木板向下做匀速直线运动；B．保持长木板的倾角不变，取下细绳和钩码，让滑块沿长木板向下做匀加速直线运动．图4请回答下列问题：①滑块做匀速直线运动时，纸带上打出的点的分布是________；②滑块在匀加速下滑过程中所受的合外力大小________钩码的重力大小(选填“大于”“等于”或“小于”)．解析(1)橡皮筋的拉力是一个变力，根据胡克定律及功的定义得：W＝eq\x\to(F)x＝eq\f(1,2)kx2，所以当释放小车的位置等间距的变化时，不能够实现橡皮筋对小车做功呈整数倍变化，故A错误；当橡皮筋的伸长量按倍数增加时，功并不简单地按倍数增加，故B、C错误；增加相同橡皮筋的条数，使小车每次从同一位置释放，这样保证了x不变，F呈整数倍增加，橡皮筋做功呈整数倍增加，可以把一根橡皮筋做的功记为W，把两根橡皮筋做的功记为2W，把三根橡皮筋做的功记为3W……，从而回避了直接求功的困难，故D正确．(2)橡皮筋伸长阶段，小车在橡皮筋的拉力作用下加速运动，当橡皮筋恢复原长后，小车由于惯性继续前进，做匀速运动，根据运动学规律知点间距先增大后均匀不变，故D正确．(3)①根据匀速直线运动的规律s＝vt知，确定滑块做匀速直线运动的依据是，看打点计时器在纸带上所打出点的分布应该是等间距的．②滑块做匀速直线运动时，由平衡条件得：除细绳对滑块拉力T之外，滑块所受其他力的合力F其他与拉力等大反向，而拉力与钩码的重力等大反向．当保持长木板的倾角不变，取下细绳和钩码，让滑块沿长木板向下做匀加速直线运动，滑块所受的合外力为F其他，故滑块在匀加速下滑过程中所受的合外力大小等于钩码的重力大小．4．如图5所示，某组同学借用“探究a与F、m之间的关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“探究功与速度变化的关系”的实验：图5(1)为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置，改变长木板的倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做________运动．(2)连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到如图6所示的纸带．纸带上O为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受拉力为0.2N，小车的质量为0.2kg．图6O—BO—CO—DO—EO—FW/J0.04320.05720.07340.0915ΔEk/J0.04300.05700.07340.0907分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内W＝ΔEk，与理论推导结果一致．(3)实验前已测得托盘质量为7.7×10－3kg，实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为________kg(g取9.8m/s2(3)0.015解析(1)取下细绳与托盘后，当摩擦力恰好被平衡时，小车与纸带所受合力为零，获得初速度后应做匀速直线运动．(2)由题图可知eq\x\to(OF)＝55.75cm，再结合veq\f(t,2)＝eq\x\to(v)可得打下计数点F时的瞬时速度vF＝eq\f(\x\to(OG)－\x\to(OE),2T)＝1.051m/s，故W＝F·eq\x\to(OF)＝0.1115J，ΔEk＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,F)≈0.1105J．(3)根据牛顿Secord定律有：对小车F＝Ma，得a＝1.0m/s2；对托盘及砝码(m＋m0)g－F＝(m＋m0)a，故有m＝eq\f(F,g－a)－m0＝eq\f(0.2,9.8－1.0)kg－7.7×10－3kg≈0.015kg．三、验证机械能守恒定律1．在自由落体运动中，验证机械能守恒定律的表达式有：(1)mgh＝eq\f(1,2)mv2，利用此式初速度必须为零，即选择第1、2两点距离约等于2mm的纸带，(2)mgh＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)利用此式，选的两计数点初速度可以不为零．2．算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt来计算．3．注意：在验证机械能守恒定律实验中，由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力．[复习过关]5．某同学用如图7所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为6V的交流电和直流电，交流电的频率为50Hz.重锤从高处由静止开始下落，重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律．图7(1)他进行了下面几个操作步骤A．按照图示的装置安装器件；B．将打点计时器接到电源的“直流输出”上；C．用天平测出重锤的质量；D．先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；E．测量纸带上某些点间的距离；F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能．其中没有必要进行的步骤是__________，操作不当的步骤是__________．(2)这位同学进行正确操作后挑选出一条点迹清晰的纸带进行了测量分析，如图8所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计数点．根据纸带上的测量数据，当打B点时重锤的速度为________m/s.(保留3位有效数字)图8(3)他继续根据纸带算出各点的速度v，量出下落距离h，并以eq\f(v2,2)为纵轴、以h为横轴画出的图象，应是图中的________．(4)他进一步分析，发现本实验存在较大误差，为此对实验设计进行了改进，用如图9所示的实验装置来验证机械能守恒定律：通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中经过光电门B时，通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录挡光时间t，用毫米刻度尺测出AB之间的距离h，用游标卡尺测得小铁球的直径d.重力加速度为g.实验前应调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束，则小铁球通过光电门时的瞬时速度v＝________.如果d、t、h、g存在关系式________，就可验证机械能守恒定律．图9(5)比较两个方案，改进后的方案相比原方案的最主要的优点是：________．(5)消除了纸带与打点计时器的摩擦影响，提高了测量的精确度，减小了实验误差6．现要通过实验验证机械能守恒定律．实验装置如图10所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上的B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t.用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B点时的瞬时速度．用g表示重力加速度．完成下列填空和作图：图10(1)若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减少量可表示为________，动能的增加量可表示为________.若在运动过程中机械能守恒，eq\f(1,t2)与s的关系式为eq\f(1,t2)＝____________．(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(A点)下滑，测量相应的s与t值．结果如下表所示：12345s(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.43eq\f(1,t2)(104s－2)1.481.952.412.923.39以s为横坐标，eq\f(1,t2)为纵坐标，在对应图11所示坐标纸中描出第1个和第5个数据点(其余3个点已作出)；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k＝______________×104m－1·s－2(保留3位有效数字)．图11由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出eq\f(1,t2)－s直线的斜率k0，将k和k0进行比较，若其差值在实验允许的误差范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律．(2)见解析图2.43(2.30～2.60均可)解析(1)当M沿斜面向下运动距离s时，下落的高度为h′，则eq\f(h,d)＝eq\f(h′,s)，所以h′＝eq\f(h,d)s.所以系统重力势能的减少量ΔEp＝Mgh′－mgs＝(eq\f(Mgh,d)－mg)s，动能的增加量ΔEk＝eq\f(1,2)(M＋m)v2，v＝eq\f(b,t)，所以ΔEk＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\f(b2,t2)，根据机械能守恒，有ΔEp＝ΔEk，即eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(Mgh,d)－mg))s＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\f(b2,t2)，所以eq\f(1,t2)＝eq\f(2Mgh－mgd,M＋mb2d)s．(2)如图所示，eq\f(1,t2)－s图象是一条倾斜直线，直线的斜率k≈2.43×104m－1·s－2．7．某同学根据机械能守恒定律设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系．图12(1)如图12甲，将轻质弹簧下端固定于铁架台，在上端的托盘中依次增加砝码，测量相应的弹簧长度，部分数据如下表，由数据算得劲度系数k＝__N/m.(g取9.80m/s2)砝码质量/g50100150