专题08 力学实验探究（原卷版）

专题08力学实验探究【解题技巧】一、研究物理量影响因素类滑动摩擦力、压强、液体的压强、动能、重力势能等影响因素二、研究物理原理类弹簧测力计的原理、杠杆的原理、阿基米德原理、二力平衡原理三、测量物理量类测物体密度、测大气压的值、测杠杆、滑轮组和斜面的机械效率、测功率四、误差分析1、测量误差主要分为两大类：系统误差、随机误差（1）系统误差产生的原因：①测量仪器灵敏度和分辨能力较低；②实验原理和方法不完善等。（2）随机误差产生的原因：①环境因素的影响；②实验者自身条件等。2、减小误差的方法（1）选用精密的测量仪器；（2）完善实验原理和方法；（3）多次测量取平均值。【例题精析】一．控制变量法与探究性实验方案1．2013年6月20日，神州十号航天员王亚平在太空授课时提了一个思考题：在太空中，人们常用的杆秤、天平等测量质量的仪器都会失效。那么可否利用弹簧的振动快慢来测量物体的质量？为了研究弹簧振动快慢与所挂重物质量的关系，某中学科技小组设计了一个探究实验，其步骤如下：步骤1：测出一个钩码的质量，在某一轻质弹簧a下端挂一个钩码，上端固定；步骤2：把弹簧拉伸到适当距离后放手，让钩码上下振动（如图1所示）；步骤3：测出振动30次所需的时间t，算出每振动一次所需的时间t30步骤4：增加所挂钩码的个数，重复步骤2、步骤3；步骤5：将数据采用描点法绘制出轻质弹簧a每振动一次所需的时间（即振动快慢）与所挂钩码质量的关系图象（见图2中轻质弹簧a曲线）；步骤6：换用一条轻质弹簧b，重复以上实验，同理绘制出每振动1次所需的时间（即振动快慢）与所挂钩码质量的关系图象（见图2中轻质弹簧b曲线）。根据以上实验过程回答如下问题：（1）在该实验中，主要用到的测量仪器有。（2）忽略空气阻力，图1A、O、B三个位置中，位置时钩码具有的动能最大。（3）分析图2，可以得到的初步结论是。二．探究摩擦力的大小与什么因素有关的实验2．如图1所示，小明在“研究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验中，用弹簧测力计拉着木块分别在粗糙程度不同的甲、乙水平木板上匀速直线运动，通过改变放在木块上的砝码改变压力，分别测出木块在甲、乙木板上滑动时的摩擦力，并根据实验数据描点画出了滑动摩擦力f摩与对应压力f压关系的图象。（1）分析图象甲或乙可知，木块对木板的越大，木块所受的滑动摩擦力也就越大；比较图象可知，（选填“甲”或“乙：）木板更粗糙。（2）小明在实验中发现，拉着木块运动时很难控制“匀速”，于是他设计了如图2所示的装置，将弹簧测力计固定，改为拉动平板小车，当他水平向左拉动平板小车时，木块所受到的摩擦力的方向为。这样改进后的装置的优点是。3．小明要探究“滑动摩擦力的大小与什么因素有关”，他猜想影响滑动摩擦力大小的因素可能有：①接触面所受的压力大小②接触面的粗糙程度③物体运动的速度。接下来，小明通过如图甲的实验操作来验证他的猜想。（1）如图甲所示，让物体沿者木板和毛巾表面做匀速直线运动，记下物体在木板和毛巾上运动时所受的摩擦力大小，并将实验数据绘制成如图乙的图象。根据图甲和图乙可知，物体在木板表面运动时受到的滑动摩擦力为N。该实验得到的实验结论是：。（2）小明又以较快的速度水平匀速直线拉动弹簧测力计，发现和原来较缓慢匀速直线拉动弹簧测力计的示数一样，这说明滑动摩擦力的大小与物体运动的快慢。（选填“有关”或“无关”）（3）在实验过程中，如果沿竖直方向将物体截去一半后，测得物体所受的滑动摩擦力大小变为原来的一半。据此小明得出：滑动摩擦力的大小随接触面积减小而减小。你认为小明在实验探究的过程中存在的主要问题是：。4．如图甲所示，小华同学用弹簧测力计拉着运动鞋在橡胶垫上沿水平方向运动，测量滑动摩擦力的大小，并探究影响滑动摩擦力大小的因素。（1）她必须拉着运动鞋在水平方向做运动，才能准确地测量出滑动摩擦力的大小，若此时的测量结果如图甲所示，则运动鞋所受的滑动摩擦力为N。（2）小华采用向鞋里放置重物、更换桌面上垫片的材料、改变鞋的运动速度等方法，进一步探究影响滑动摩擦力大小的因素，并收集有关数据如下：实验次数垫片材料放置重物的个数运动速度/m•s﹣1弹簧测力计的示数/N1橡胶垫00.12橡胶垫10.13.03毛巾20.23.24毛巾30.33.4①分析以上实验数据可知，在接触面的粗糙程度相同时，越大，滑动摩擦力越大。②小华发现第3、4两次的实验测得的滑动摩擦力都比第1、2两次的大，她认为这是因为毛巾表面比橡胶垫粗糙导致的，你认为这个结论是的（选填“可靠”或“不可靠”），理由是。③根据以上实验数据（选填“能”或“不能”）得出滑动摩擦力的大小与物体的运动速度有关的结论。（3）小华在实验中发现很难保持好运动鞋运动的速度，于是她又设计了如图乙所示的实验，只需缓慢抽出垫片，当运动鞋相对弹簧测力计（选填“运动”或“静止”）时，读取弹簧测力计的示数，测得滑动摩擦力的大小是（选填“不变”或“变化”）的。（4）小华查询了相关资料，发现了一种改进测量摩擦力的设计方案，如图丙所示，请你对此方案进行评价，写出一点即可。（提示：C为弹簧测力计，D为小型电动机，E为定滑轮。）。三．杠杆的平衡分析法及其应用5．杆秤是中国古代沿用至今的常用测量工具，某次综合实践活动中，小明所在活动小组用木杆、铁块、秤钩、细线等制作了一把“杆秤”如图甲所示。他们在制作过程中学习了大量关于杆秤的知识，并提出了一系列问题。问题一：如何标注杆秤的刻度？问题二：杆秤的刻度是均匀的吗？问题三：如何增大杆秤的量程？…（1）关于刻度，他们查阅到了如下资料：如图乙所示为杆秤的示意图，点O为提纽（相当于杠杆的），C为定星点，G0为秤杆、秤钩的自重，重心在点B处，秤砣重为G1．不挂重物，且秤砣在定星点时，杆秤在水平位置平衡：G1•OC＝G0•OB．当在秤钩上挂一重物Gx，秤砣移到距定星点x处时，杆秤刚好在水平位置平衡：G1（x+OC）＝Gx•OA+G0OB可得；x=GxG1•OA．由上述推导可得，x与Gx成正比，因此杆秤的刻度是（选填“均匀的”或“不均匀的”）；在上述资料中，杆秤每次都需调节到水平位置平衡，这样操作的好处是（2）操作过程中，小明在右侧挂钩上挂一重物，测得OA为5cm，x为50cm，又已知秤砣质量为50g；请通过计算帮助小明标注此位置所代表的物体质量。（3）小明在调查过程中还发现，市场上的杆秤往往有A、B是两个不同量程的提纽（如图丙所示），秤钩C处悬挂被测物，提起提纽A或B，在秤杆E上移动秤砣D，达到平衡后，根据秤砣的位置可以在秤杆上读出被测物的质量。有关该杆秤下列判断中正确的是A．它只能测量比秤砣质量大的物体B．用提纽A时比用提纽B时的量程更大C．将秤砣质量减少，则该秤的读数将偏小D．只有当秤杆的粗细均匀时，杆秤的刻度才是均匀的。6．如图1所示的实验装置可以探究杠杆受两个阻力（F2、F3）时的平衡条件。在已调节好的杠杆两端挂上不同数量的钩码，并适当移动钩码的位置，使杠杆水平平衡，记下钩码的数量和位置。通过改变钩码的数量和位置，按照同样的方法再做两次，将实验得到的数据填在表中。表中数据是以一个钩码的重力为力的单位，以杠杆的每小格为长度的单位。实验次数动力F1动力臂L1动力F2动力臂L2动力F3动力臂L3115112222612253371544（1）分析表中的数据，可得杠杆的平衡条件是（填写关系式）（2）在农村还广泛使用的杆秤就利用了上述原理。图2是一根杆秤的示意图。小云设计了如下测量秤砣质量M的实验方案，请你将②、④两步补充完整。①用刻度尺测量杆秤上的主要刻度的示数m到提纽O的距离x，并作出m﹣x关系图象，如图3所示。②用刻度尺测量挂钩到的距离l；③在m﹣x关系图象中任意读取两组数据x1、m1和x2、m2；④设杆秤自重G0，重心到提纽的距离l0，据杠杆平衡条件Mgx1＝m1gl+G0l0以及Mgx2＝m2gl+G0l0两式相减得M＝（要求用l、x1、x2、m1、m2表示）。四．探究影响浮力大小因素的实验7．探究浮力大小及影响浮力的因素叶子姐姐在“验证阿基米德原理”的实验中，用图（a）所示的溢水杯和小桶收集被石块排开的水，她的实验过程分别如图（b）、（c）、（d）、（e）所示。①图（b）所示，是叶子姐姐用弹簧测力计测量石块的。②上述实验不重复操作的合理顺序是（选填b、c、d、e）。③若图中四个测量值F1、F2、F3、F4满足关系式，该原理将得到验证。④以下关于实验过程中的操作，会影响验证结果的是。A．图（a）中溢水杯内未盛满水B．图（d）中小桶内有少量水C．图（c）中石块未全部浸没水中⑤石块从刚接触水面到全部浸没水中，水对溢水杯底的压强（选填“逐渐增大”、“逐渐减小”、“保持不变”）。⑥叶子姐姐还想验证“浮力的大小与哪些因素”有关，于是她找来盐水和酒精，她将测力计下的石块先后浸没在盐水、水和酒精中，发现弹簧测力计示数在中最小，图中能反映石块在酒精中所受的浮力F浮与V排关系的图线是。8．如图甲是研究弹簧测力计的示数F与物体A下表面离水面的距离h的关系实验装置。用弹簧测力计提着物体A，使其缓慢浸入水中（水未溢出），根据实验数据绘制了弹簧测力计的示数F与物体A的下表面浸入水中的深度h的关系图象（如图乙）。（1）物体A浸没在水中之前，弹簧测力计的示数随A向下运动距离的增加而减小，说明浮力与（选填“物体体积”或“排开液体体积”）有关。（2）物体A浸没在水中后，所受的浮力为N，且保持不变，说明浸没在水中的物体所受的浮力与它浸没在水中的深度（选填“有关”或“无关”）。若某同学在使用弹簧测力计时，指针在零刻度线以上，该同学没有调零而直接进行测量，这样计算出的浮力值（选填“偏大”、“不变”或“偏小”）（3）结合试验数据，物体A的密度为kg/m3．本实验中先测金属圆柱体的重力，再放入水中测浮力。若改变操作先后顺序，物体A的密度的测量结果（选填“偏大”、“不变”或“偏小”或“无法判断”）（4）圆柱体A的底面积为cm2。（5）如果将盛水的柱形容器换成梯形容器，如图丁，再将A物体按上述操作进行实验，则物体放入水的过程中水对容器底部的压强增加量△p随h的变化图象是图丙中的。（选填“A”“B”“C”）。9．为探究“浮在液面上的实心球体露出液面的体积与哪些因素有关”，某小组同学提出可能与实心球的密度、实心球的球体体积等因素有关，于是他们用甲、乙两种不同物质制成了若干个实心球体，放入盛有适量水的量筒中进行实验，并将测量及计算得到的有关数据记录在表一中。表一：（ρ乙＜ρ甲＜ρ水）实验序号12345678物质甲乙球体的体积（cm3）1015203010122030球体浸入水中的体积（cm3）8121624561015球体露出水面的体积（cm3）2346561015（1）分析比较实验序号中的数据及相关条件，可初步得出：浮在水面上实心球体的体积相同时，球体的越大，露出水面的体积越小。（2）分析比较表中数据还可以初步得出的结论是浮在水面上实心球体的密度相同时，。（3）若用乙物质制成体积为15cm3的实心球体，当它浮在水面上时露出水面的体积应为

cm3，实心球体所受到的浮力为N（g＝10N/kg）。（4）如图所示为一种自动贮水器的示意图，若图中的浮子是用甲物质制成的，如果换用乙物质制成相同体积的实心球体为浮子，贮水器中的最高水位（选填“升高”或“降低”）。（5）在上述活动的基础上，小组同学认为还须进一步探究所得结论是否适用其它液体，表二所列三个方案中，符合探究要求的是（选填序号）。表二（ρ酒精＜ρ水＜ρ盐水）序号方案A仍用上述球体换在盐水中进行实验B换用柱形物体并在酒精中进行实验C换用其它物质的球体仍在水中进行实验10．在“探究浮力的大小跟哪些因素有关”的实验时，小丽提出如下猜想：猜想一：浮力的大小跟物体排开液体的体积有关；猜想二：浮力的大小跟液体的密度有关；猜想三：浮力的大小跟物体的密度有关。（1）小丽用重为3.2N的物体A做了如图1、2、3所示实验。该实验验证了猜想是正确的，可得出：在同种液体中，物体，受到的浮力越大。实验中，物体浸没时受到的浮力为N，方向。（2）小丽在验证猜想二时，根据测得的实验数据描绘出浮力与液体密度的关系图象，如图4中甲所示。他分析后发现，由于误将物体受到的拉力当作了浮力，导致图象甲未经过坐标原点。由此可以推断：物体受到的浮力大小与液体密度的关系图象应是图4中的

（选填“乙”、“丙”或“丁”）。（3）为验证猜想三，小丽选用了与物体A密度不同的物体B进行实验。她将物体B逐渐浸入水中，容器中的水面上升至图示O位置时，弹簧测力计示数恰好变为0，如图所示。取出物体B后，小丽又将物体A缓慢浸入水中，她在水面上升到（选填“O点之上”、“O点”或“O点之下”）位置时，读取弹簧测力计的示数，这样做是为了控制相同，以便判断浮力的大小与物体密度是否有关。五．物体的浮沉条件及其应用11．小明按照教材中“综合实践活动”的要求制作简易密度计。（1）取一根粗细均匀的饮料吸管，在其下端塞入适量金属丝并用石蜡封口。塞入金属丝的目的是使吸管能在液体中，此时吸管受到的浮力重力（选填“等于”“大于”或“小于”）。（2）将吸管放到水中的情景如图1所示，测得浸入的长度为H；放到另一液体中的情景如图2所示，浸入的长度为h。用ρ液、ρ水分别表示液体和水的密度，则ρ液ρ水（选填“＝”“＞”或“＜”），h与ρ水、ρ液及H的关系式是h＝。（3）小明根据图如图1在吸管上标出1.0刻度线（单位g/cm3，下同），再利用上述关系式进行计算，标出了0.8、0.9、1.1、1.2的刻度线（图中未画出）。结果发现，1.1刻线是在1.0刻线的（选填“上”或“下”）方。（4）为检验刻度误差，小明取来食油，先用天平和量筒测量其密度，然后再用这个密度计测量。但操作时却出现了如图3所示的情形，这让他很扫兴。难道实验就此终止了吗，根据经验或思考，在不更换食油的情况下，你认为可以进行怎样的尝试：。六．杠杆机械效率的测量实验12．小明用如图所示的装置探究杠杆的机械效率，O为支点。总重为G的钩码悬挂在杠杆上的A点，竖直向上缓慢拉动弹簧测力计，测得钩码上升的高度为h，弹簧测力计示数为F，其移动距离为s。（1）该实验中做额外功的主要原因是，该杠杆的机械效率为η＝（用题目中物理量的符号表示）；（2）钩码悬挂在A点时，弹簧测力计拉力