高考物理一轮复习讲义专题2.3　本专题实验（原卷版）

专题2.3本专题实验【讲】【讲核心素养】科学探究：探究弹簧形变与弹力的关系、研究两个互成角度的共点力的合成规律（1）学会利用图象法处理实验数据，探究弹簧形变与弹力的关系。（2）培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。【讲考点题型】【知识点六】实验：探究弹力和弹簧伸长量的关系1．实验目的（1）探究弹力和弹簧伸长量的关系。（2）学会利用图象法处理实验数据，探究物理规律。2．实验原理（1）如图所示，弹簧在下端悬挂钩码时会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。（2）用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力下的伸长量x，建立直角坐标系，以纵坐标表示弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验所测得的各组数据（x，F）对应的点，用平滑的曲线连接起来，根据实验所得的图线，就可探知弹力大小与弹簧伸长量间的关系。3．实验器材铁架台、毫米刻度尺、弹簧、钩码（若干）、三角板、铅笔、重垂线、坐标纸等。4．实验步骤（1）安装：如图所示，将铁架台放在桌面上（固定好），将弹簧的一端固定于铁架台的横梁上，在靠近弹簧处将刻度尺（最小分度为1mm）固定于铁架台上，并用重垂线检查刻度尺是否竖直。（2）记原长：记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度l0，即弹簧的原长。（3）测F、x：在弹簧下端挂上钩码，待钩码静止时测出弹簧的长度l，求出弹簧的伸长量x和所受的外力F（等于所挂钩码的重力）。（4）重复：改变所挂钩码的数量，重复上述实验步骤（3），要尽量多测几组数据，将所测数据填写在表格中。5．数据处理（1）以弹力F（大小等于所挂钩码的重力）为纵坐标，以弹簧的伸长量x为横坐标，用描点法作图，连接各点得出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线。（2）以弹簧的伸长量为自变量，写出图线所代表的函数表达式，并解释函数表达式中常数的物理意义。6．注意事项（1）所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度，要注意观察，适可而止。（2）每次所挂钩码的质量差适当大一些，从而使坐标点的间距尽可能大，这样作出的图线准确度更高一些。（3）测弹簧长度时，一定要在弹簧竖直悬挂且处于稳定状态时测量，以免增大误差。（4）描点画线时，所描的点不一定都落在一条直线上，但应注意一定要使各点均匀分布在直线的两侧。（5）记录实验数据时要注意弹力、弹簧的原长l0、总长l及弹簧伸长量的对应关系及单位。（6）坐标轴的标度要适中。【实验拓展与创新能力】实验原理的创新1．弹簧水平放置，消除弹簧自身重力对实验的影响。2．改变弹簧的固定方式，研究弹簧弹力大小与压缩量之间的大小关系。实验器材的创新1．用橡皮筋代替弹簧做实验。2．拉力传感器显示的拉力F与橡皮筋的弹力并不相等，仅为橡皮筋弹力在水平方向的分力。实验过程的创新1．利用固定在弹簧上的7个指针，探究弹簧的劲度系数k与弹簧长度的关系。2．利用“化曲为直”的思想，将探究劲度系数k与弹簧圈数n的关系，转化为探究eq\f(1,k)与n的关系。【方法总结】1．运用k＝eq\f(ΔF,Δx)来处理数据（1）将“弹力变化量”转化为“质量变化量”；（2）将“弹簧伸长量”转化为“弹簧长度变化量”．2．将弹簧平放在桌面上，消除弹簧自身重力的影响．3．利用计算机及传感器技术，得到弹簧弹力和弹簧形变量的关系图象．4．将弹簧换为橡皮条．【例1】（2022·福建·莆田二中模拟预测）某实验小组研究橡皮筋伸长量与所受拉力的关系。实验器材有：一条两端带有细绳套的橡皮筋，钩码若干，刻度尺，铁架台等。（1）以下实验装置安装最为合理的是________；A．B．C．D．（2）将橡皮筋上端固定在铁架台上，在竖直悬挂的橡皮筋下端逐一增挂钩码（质量均为20g），每增挂一个钩码均记下对应的橡皮筋伸长量x（橡皮筋始终在弹性限度内），记录多组实验数据如下表：钩码个数12345678F（N）0.1960.3920.5880.7840.9801.1761.3721.568x（mm）2.79.017.728.042.457.774.891.7（3）如图所示，以拉力F为横坐标，橡皮筋伸长量x为纵坐标，根据测量数据在坐标纸上进行描点；（4）根据x-F图判断：橡皮筋弹力与橡皮筋伸长量________（填“是”或“不是”）正比关系；（5）根据x-F图可知，当橡皮筋伸长量为50.0mm时，该橡皮筋的弹力大小为________N（结果保留小数点后两位）。【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学探究。要求考生能准确理解实验原理明确实验的操作步骤。【变式训练1】（2022·湖北武汉·模拟预测）某同学用如图所示的装置测量弹簧的劲度系数SKIPIF1<0。将弹簧竖直悬挂在铁架台上，指针固定在弹簧上SKIPIF1<0处，将刻度尺竖直固定在弹簧一侧，在弹簧下端依次悬挂2个到7个砝码，当砝码处于静止状态时，测出弹簧受到的拉力SKIPIF1<0与指针所指的刻度尺示数SKIPIF1<0，实验记录如下：砝码个数SKIPIF1<0234567SKIPIF1<0（N）0.981.471.962.452.943.43SKIPIF1<0（cm）17.6519.8221.9824.1526.3228.45弹簧伸长量SKIPIF1<06.50①6.47回答下列问题：（1）由表可知所用刻度尺的分度为___________；（2）将表中数据补充完整：①=___________；（3）根据逐差法计算出弹簧的劲度系数SKIPIF1<0___________N/cm（结果保留三位有效数字）；（4）如图所示，若将固定在弹簧上SKIPIF1<0处的指针改为固定在弹簧上SKIPIF1<0处，重做上述实验，则测得的劲度系数SKIPIF1<0___________k（选填“大于”“等于”“小于”）。【必备知识】实验操作中两个注意问题（1）测弹簧长度时，一定要在弹簧和钩码静止后再测量，这样弹簧弹力与钩码的重力相等。（2）所挂钩码不要过重，以免超出弹簧的弹性限度。【例2】（2022·广东中山·高三期末）某学习小组用如图甲所示的装置来“探究弹簧弹力与形变量的关系”，主要步骤如下：（1）把弹簧平放在水平桌面上，测出弹簧的原长x0；（2）测出一个钩码的质量m0；（3）将该弹簧悬吊在铁架台上让弹簧自然下垂，测出此时弹簧长度l0；（4）挂上一个钩码，测出此时弹簧长度l1；（5）之后逐渐增加钩码的个数，并测出弹簧对应的长度分别为li（i为钩码个数）；（6）计算出SKIPIF1<0，用x作为横坐标，钩码的总质量作为纵坐标，作出的图线如乙图所示。请根据以上操作、记录和图像回答以下问题：①你认为m-x图像不过原点的原因是_________；②已知钩码质量m0=0.20kg，重力加速度g=9.8m/s2，利用图乙求得弹簧劲度系数k=_________N/m（保留两位有效数字）；③m-x图像没过坐标原点，对于测量弹簧的劲度系数_________（选填“有”或“无”）影响；④将SKIPIF1<0作为横坐标，钩码的总质量作为纵坐标，实验得到图线应是图中的_________。（填写下列四幅图的对应的字母选项）A．B．C．D．【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学探究。要求考生能规范的操并能正确进行数据的处理。【变式训练2】（2022·山东省实验中学模拟预测）（1）某同学买了辆电动自行车，骑了一段时间后发现电动车减震弹簧的减震效果不好。该同学将减震弹簧卸下，然后把弹簧平放在桌面上，用刻度尺测出弹簧的原长L0，如图甲所示，读数为___________cm。（2）该同学想测量减震弹簧的劲度系数。先把弹簧竖直放在水平桌面上，在上端压上一片10kg的哑铃，每增加一只哑铃均记下此时哑铃的个数和对应的弹簧的长度L，如下表所示。请你在图乙坐标图中描出，并作出F-L图线__________，并通过图线确定该弹簧劲度系数为k=___________N/m（g取10m/s2）。F（N）100200300400L（cm）5.004.504.003.80【必备知识】1．列表分析法：将实验数据填入表格，分析列表中弹簧拉力F与对应弹簧的形变量Δx的关系，得出误差范围内eq\f(F,Δx)为常数的结论。2.图象分析法：（1）根据数据，描点作出F­Δx图象，如图所示。此图象是过坐标原点的一条直线，即F和Δx成正比关系。（2）作图的规则：①要在坐标轴上标明轴名、单位，恰当地选取纵轴、横轴的标度，并根据数据特点正确确定坐标起点，使所作出的图象几乎占满整个坐标图纸。若弹簧原长较长，则横坐标起点可以不从零开始选择。②作图线时，尽可能使直线通过较多坐标描点，不在直线上的点也要尽可能对称分布在直线的两侧（若有个别点偏离太远，则是因偶然误差太大所致，应舍去）。③要注意坐标轴代表的物理量的意义，注意分析图象的斜率、截距的意义。【知识点二】实验：验证力的平行四边形定则1．实验目的（1）验证互成角度的两个共点力合成的平行四边形定则。（2）培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。2．实验原理互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F′产生相同的效果，看F1、F2用平行四边形定则求出的合力F与F′在实验误差允许范围内是否相同。3．实验器材木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺。4．实验步骤（1）钉白纸：用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的木板上。（2）定O点：用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O。如图甲所示。甲乙（3）求合力：用铅笔描下结点O的位置和两个细绳套的方向，并记录弹簧测力计的读数，利用刻度尺和三角板根据平行四边形定则求出合力F。（4）测合力：只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面相同的位置O，记下弹簧测力计的读数F′和细绳的方向，如图乙所示。（5）重复：比较F′与用平行四边形定则求得的合力F，看它们在实验误差允许的范围内是否相同。5．注意事项（1）使用弹簧测力计前，要先观察指针是否指在零刻度处，若指针不在零刻度处，要调整指针使其指在零刻度处。再将两只弹簧测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，如果两个示数相同方可使用。（2）实验中的两个细绳套不要太短。（3）在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。（4）用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时，夹角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之间为宜。（5）在用力拉弹簧测力计时，拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内。要防止弹簧测力计卡壳，防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦。（6）在同一实验中，画力的图示选定的标度要相同，并且要恰当选定标度，使力的图示稍大一些。【实验拓展与创新能力】实验原理的创新1．将橡皮筋和弹簧秤的实验角色互换。2.秤钩上涂抹少许润滑油，保证了橡皮筋两侧弹力大小相同，与两侧橡皮筋长度大小无关。1．通过应用定滑轮，改变拉力的方向。2.钩码的总重力等于对应细绳拉力大小。实验器材的创新图（a）图（b）图（c）1.电子秤代替弹簧秤，可以直接读出力的大小。2.同一电子秤应用于图（a）、（b）、（c）三幅图中，可得出三根细线中拉力的大小。实验过程的创新1.探究拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。2.橡皮筋上端固定，下端挂一重物，用水平力两次拉动重物，对应不同的轨迹。【方法总结】操作不忘“三”“二”“一”用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”（记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置），用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”（记录弹簧测力计示数和细绳方向）及“一注意”（结点O的位置必须在同一位置）。实验器材的改进1．用橡皮筋eq\o(→,\s\up7(替代))弹簧测力计：可将三个相同的橡皮筋系于一点，互成角度地将它们拉长，记下各自的拉力方向，伸长后的长度，并测出原长，根据伸长量确定三个拉力的大小关系，再结合力的图示作图验证平行四边形定则．2．使用力传感器：用力传感器确定各力的大小，同时确定细绳中拉力的方向，再结合力的图示作图验证平行四边形定则．3．钩码eq\o(→,\s\up7(替代))弹簧测力计．【例3】（2022·内蒙古·海拉尔第二中学模拟预测）小明同学利用如图所示的装置来验证力的平行四边形定则：在竖直木板上铺有白纸，上面固定两个光滑的定滑轮A和B，三根细绳打一个结点O，且所有钩码完全相同，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子的拉力TOA、TOB和TOC，回答下列问题：（1）改变钩码个数，实验不能完成的是______A．钩码的个数N1=N2=2，N3=3B．钩码的个数N1=3，N2=5，N3=4C．钩码的个数N1=N2=N3=5D．钩码的个数N1=3，N2=1，N3=5（2）在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是______A．标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向B．用量角器量出三段绳子之间的夹角C．量出OA、OB、OC三段绳子的长度D．用天平测出钩码的质量（3）如图所示，小兰同学在做“探究求合力的方法”实验时，用A、B两根弹簧秤把橡皮条的结点拉到O点，此时SKIPIF1<0，在实验过程中，她做了一些探究，其中一个是：她使B弹簧秤示数有较明显的增大，为了保持结点位置不变，可采取的补救办法是______。A．保持其它不变，增大A的示数同时减小α角B．保持其它不变，增大A的示数同时增加α角C．保持其它不变，增大A的示数同时增大β角D．保持其它不变，增大A的示数同时减小β角【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学探究。要求考生能规范的操并能正确进行数据的处理。【变式训练3】（2022·浙江嘉兴·二模）如图甲所示，小曹同学做“探究求合力的方法”实验时，把橡皮条结点拉到某一位置O，记下O点位置，并记下A、B两点以确定两根细绳方向。（1）与A、B两点对应的弹簧秤示数如图所示，读出与A对应的弹簧秤示数为________N；（2）请结合题给信息在答题卷相应位置作出两力的合力________，并求出合力的大小为________N。【必备知识】实验操作牢记“一注意”和“两记录”：（1）注意两次结点O的位置必须相同。（2）两个弹簧测力计拉橡皮条时，记录两弹簧测力计示数、两绳方向和结点O的位置。（3）一个弹簧测力计拉橡皮条时，记录弹簧测力计示数和细绳方向。【例4】（2022·天津·模拟预测）（1）“探究力的合成的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳。图乙是在白纸上根据实验结果画出的图，F为用平行四边形定则做出的合力。①本实验采用的科学方法是____A．理想实验法

B．等效替代法

C．控制变量法

D．建立物理模型法②图乙中的F与F´两力中，方向一定沿AO方向的是______；③为了完成实验，在用两个完全相同的弹簧秤成一定角度拉橡皮筋时，必须记录的有____A．两细绳的方向

B．橡皮筋的原长

C．两弹簧秤的示数

D．结点O的位置④本实验中，采取下列哪些方法和步骤可以减小实验误_____A．两个分力F1、F2间的夹角越小越好B．两个分力F1、F2的大小要适当大些C．拉橡皮筋的细绳要稍短一些D．实验中，弹簧秤必须与木板平行，读数时视线要正对弹簧秤刻度⑤在实验中，如果将细绳换成橡皮筋，那么实验结果将______。（选填"变”或“不变”）【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学探究。要求考生能规范的操并能正确进行数据的处理。【变式训练4】（2022·四川自贡·三模）某小组为了验证力的平行四边形定则，设计了如图甲所示的实验：在一个半圆形刻度盘上安装两个可以沿圆弧边缘移动的拉力传感器A、B，传感器的挂钧系着轻绳，轻绳