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2023届二轮复习 专题八 第1讲 力学实验及其创新 课件
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这是一份2023届二轮复习 专题八 第1讲 力学实验及其创新 课件，共60页。PPT课件主要包含了透析高考考情，知己知彼百战胜，突破核心考点，解题能力步步高，答案2547，答案379，答案3B，答案5增大，模型构建，答案1260等内容，欢迎下载使用。
考点一 基本仪器的读数和力学量的测量
回答下列问题:(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是 。
解析:(1)将表格中数据转化如图,则x1=507 m,x2=587 m,x3=665 m,x4=746 m,x5=824 m,x6=904 m,可得x2-x1=80 m,x3-x2=78 m,x4-x3=81 m,x5-x4=78 m,x6-x5=80 m,相邻相等时间间隔位移差大小接近,可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动。
答案:(1)相邻相等时间间隔位移差大小接近
回答下列问题:(2)当x=507 m时,该飞行器速度的大小v= m/s。
回答下列问题:(3)这段时间内该飞行器加速度的大小a= m/s2。(结果保留2位有效数字)
(1)让小球从某一高度由静止释放,与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置,使小球从光电门正上方释放后,在下落和反弹过程中均可通过光电门。(2)用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图b所示,小球直径d= mm。
解析:(2)根据螺旋测微器读数规则可知,小球直径d=7.5 mm+0.384 mm=7.884 mm。
答案:(2)7.884
(3)测量时,应 (选填“A”或“B”,其中A为“先释放小球,后接通数字计时器”,B为“先接通数字计时器,后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。
解析:(3)由于小球自由落体运动时间很短,所以测量时,应该先接通数字计时器,后释放小球。
(4)计算小球通过光电门的速度,已知小球的质量为m,可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE= (用字母m、d、t1和t2表示)。
(5)若适当调高光电门的高度,将会 (选填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差。
解析:(5)若适当调高光电门高度,将会增大因空气阻力引起的测量误差。
2.注意事项(1)游标卡尺在读数时先确定各尺的分度,把数据读成以毫米为单位的,先读主尺数据,再读游标尺数据,最后两数相加。(2)游标卡尺读数时不需要估读。(3)游标卡尺在读数时注意区分游标卡尺的精度。(4)螺旋测微器读数时,要准确到0.01 mm,估读到0.001 mm,结果若用 mm作单位,则小数点后必须保留3位数字。(5)螺旋测微器在读数时,注意区别整刻度线与半毫米刻度线,注意判断半毫米刻度线是否露出。
1.(2022·浙江嘉兴二模)如图甲所示,某同学做“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两点对应的弹簧测力计示数如图乙所示,读出与A对应的弹簧测力计示数为 N。
解析:(1)弹簧测力计最小刻度为0.1 N,则与A对应的弹簧测力计示数为2.60 N。
1.(2022·浙江嘉兴二模)如图甲所示,某同学做“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。(2)请结合题给信息在图甲相应位置作出两力的合力,并求出合力的大小为 N。
解析:(2)与B对应的弹簧测力计示数为1.10 N;作出两力的合力如图所示,合力的大小为3.4 N。
答案:(2)图见解析 3.4
2.(2022·山东烟台三模)某同学为了测量当地的重力加速度,设计了一套如图甲所示的实验装置。拉力传感器竖直固定,一根不可伸长的细线上端固定在传感器的固定挂钩上,下端系一小钢球,钢球底部固定有遮光片,在拉力传感器的正下方安装有光电门,钢球通过最低点时遮光片恰能通过光电门。该同学设计了下列实验步骤:(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度d,如图乙所示,则d= mm。 (2)用游标卡尺测量小钢球的直径为D,用刻度尺测量小钢球到悬点的摆线长为l。(3)拉起小钢球,使细线与竖直方向成不同角度,小钢球由静止释放后均在竖直平面内运动,记录遮光片每次通过光电门的遮光时间Δt和对应的拉力传感器示数F。
解析:(1)游标卡尺的精度为0.05 mm,其读数为主尺的示数与游标尺示数之和,故遮光片的宽度d=12 mm+8×0.05 mm=12.40 mm。
答案:(1)12.40
2.(2022·山东烟台三模)某同学为了测量当地的重力加速度,设计了一套如图甲所示的实验装置。拉力传感器竖直固定,一根不可伸长的细线上端固定在传感器的固定挂钩上,下端系一小钢球,钢球底部固定有遮光片,在拉力传感器的正下方安装有光电门,钢球通过最低点时遮光片恰能通过光电门。该同学设计了下列实验步骤:
(5)如果在实验过程中所系的细线出现松动,则根据实验数据求出的当地重力加速度g的值比实际值 (选填“偏大”或“偏小”)。
解析:(5)在摆动过程中若出现松动,则实际摆长l比开始测量的摆长偏大,根据上述公式可知,则真实的重力加速度的值比测量的值小,即测量值偏大。
考点二 “纸带类”实验
(1)关于这个实验,下列说法正确的是 。(多选) A.需要补偿小车受到阻力的影响B.该实验装置可以“验证机械能守恒定律”C.需要通过调节定滑轮使细线与长木板平行D.需要满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量
(2)如图乙所示是两条纸带,实验时打出的应是第 (选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)条纸带。
解析:(2)小车做匀加速直线运动,位移逐渐增大,所以实验打出的纸带是第Ⅱ条。
(3)根据实验数据,在坐标纸上画出的W-v2图像是一条过原点的直线,据此图像 (选填“能”或“不能”)求出小车的质量。
(1)在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置,测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源,从静止释放钩码,弹簧收缩,得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图乙所示,纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T(在误差允许范围内,认为释放钩码的同时打出A点)。从打出A点到打出F点时间内,弹簧的弹性势能减少量为 ,钩码的动能增加量为 ,钩码的重力势能增加量为 。
(2)利用计算机软件对实验数据进行处理,得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系,如图丙所示。由图丙可知,随着h增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,主要原因是 。
解析:(2)钩码机械能的增加量,即钩码动能和重力势能增加量的总和,若无阻力做功,则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量。现在随着h增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功,则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大,导致空气阻力逐渐增大,以至于空气阻力做的功也逐渐增大。
1.打点计时器涉及的四个实验(1)探究小车速度随时间变化的规律。(2)探究加速度与物体受力、物体质量的关系。(3)验证机械能守恒定律。(4)验证动量守恒定律。2.纸带的三大应用(1)判断物体运动性质:若在实验误差允许范围内Δx不为零且为定值,则可判定物体做匀变速直线运动。
3.使用打点计时器,实验操作中的注意事项(1)平行:纸带、细绳要和长木板平行。(2)靠近:释放小车前,应使小车停在靠近打点计时器的位置。(3)两先两后:实验时应先接通电源,后释放小车;实验后先断开电源,后取下纸带。(4)防止碰撞:在到达长木板末端前应让小车停止运动,防止槽码落地或小车与滑轮碰撞。(5)减小误差:小车另一端挂的槽码质量要适当,避免速度过大而使纸带上打的点太少,或者速度太小,使纸带上打的点过于密集。
3.(2022·浙江杭州模拟)如图甲、乙、丙、丁为高中物理中的四个力学实验装置。
(1)关于这四个力学实验,下列说法正确的是 (多选)。 A.实验操作时,四个实验均需先接通电源后释放纸带B.实验操作时,四个实验均需让物体在靠近打点计时器处由静止释放C.四个实验中的物体均做匀变速直线运动D.数据处理时,四个实验均需计算物体的加速度
解析:(1)打点计时器在使用时,为了使其打点稳定,同时为了提高纸带的利用率,使尽量多的点打在纸带上,应先接通电源,再放开纸带,同时需让物体在靠近打点计时器处由静止释放,故A、B正确;探究功与速度变化的关系实验中,橡皮筋的势能转化为小车的动能,且在平衡摩擦力之后,通过增加橡皮筋条数使做功成倍增加,小车做非匀变速直线运动,也无需计算小车的加速度,故C、D错误。
(2)某同学按图乙装置做“探究加速度与力和质量关系”,在正确补偿阻力后,按实验原理打出了12条纸带。如图戊所示是根据其中一条纸带上的数据作出的v-t图像。打该条纸带时,钩码的总质量 (选填“满足”或“不满足”)远小于小车的质量。
解析:(2)图像为一条倾斜的直线,加速度一定,可知小车受到的合外力一定,则打该条纸带时,钩码的总质量满足远小于小车的质量。
(3)如图己所示是某同学按图丁装置做“验证机械能守恒定律”实验时打出的一条纸带,计时器接在频率为50 Hz 的交流电源上,从起始O点开始,将此后连续打出的7个点依次标为A、B、C、…,已知重物的质量为0.50 kg,当地的重力加速度g=9.8 m/s2,从打下O点到打下F点的过程,重物重力势能的减少量为 J,重物动能的增加量为 J。(结果均保留2位有效数字)
答案:(3)0.34 0.33
4.(2022·福建莆田模拟)在验证动量守恒定律的实验中,请回答下列问题:
(1)实验记录如图甲所示,为测定A球不碰B球时做平抛运动的落点的平均位置,把刻度尺的零刻度线跟记录纸上的O点对齐,图乙给出了小球A落点附近的情况,可得A的平均落点到O点的距离应为 cm。
解析:(1)小球A落点,应该取多次落点的平均落地点,即用尽量小的圆把这些落点圈起来圆心的位置,由题图可得距离应为65.50 cm。
答案:(1)65.50
(2)小球A下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力,这 (选填“会”或“不会”)让实验结果产生误差。
解析:(2)在实验过程中,只要保证小球A到达底端的速度相同即可,轨道有无摩擦不会让实验结果产生误差。
(3)实验装置如图甲所示,A球为入射小球,B球为被碰小球,下列有关实验过程中必须满足的条件,正确的是 。 A.入射小球的质量mA,可以小于被碰小球的质量mBB.实验时需要测量斜槽末端到水平地面的高度C.入射小球不必每次从斜槽上的同一位置由静止释放D.斜槽末端的切线必须水平,小球放在斜槽末端处,且应恰好静止
解析:(3)入射小球的质量mA,不可以小于被碰小球的质量mB,否则A球碰后反弹,故A错误;在实验中不需要测量小球的下落高度,只要能保证高度相同,即可知道两小球下落时间相同,故B错误;入射小球每次必须从斜槽上的同一位置由静止释放,才能保证每次碰前的速度均相同,故C错误;斜槽末端的切线必须水平,小球放在斜槽末端处,应能静止,故D正确。
(4)如果碰撞过程中系统机械能也守恒,根据图中各点间的距离,下列式子成立的有 。(多选) A.mA∶mB=ON∶MPB.mA∶mB=OP∶MPC.mA∶mB=OP∶(MN-OM)D.mA∶mB=ON∶(MN-OM)
考点三 “弹簧”“橡皮条”类实验
(1)查找资料,得知每枚硬币的质量为6.05 g;(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋,测量每次稳定后橡皮筋的长度l,记录数据如下表:
(3)根据表中数据在图b上描点,绘制图线;
解析:(3)利用描点法得出图像,如图所示。
(4)取出全部硬币,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,稳定后橡皮筋长度的示数如图c所示,此时橡皮筋的长度为 cm;
解析:(4)根据刻度尺读数规则知,橡皮筋的长度l=15.35 cm。
答案:(4)15.35
(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为 g(计算结果保留3位有效数字)。
①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上,加速度传感器固定在滑块上;②接通气源,放上滑块,调平气垫导轨;③将弹簧左端连接力传感器,右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00 cm,拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时;④计算机采集获取数据,得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像,部分图像如图乙所示。
回答以下问题(结果均保留2位有效数字):(1)弹簧的劲度系数为 N/m。
解析:(1)初始时弹簧的伸长量为5.00 cm,结合图乙可读出弹簧弹力为0.610 N,由F=kx可得弹簧的劲度系数k≈12 N/m。
回答以下问题(结果均保留2位有效数字):(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据,画出a-F图像如图丙中Ⅰ所示,由此可得滑块与加速度传感器的总质量为 kg。
解析:(2)根据牛顿第二定律F=ma,结合图丙可得a-F图线斜率的倒数表示滑块与加速度传感器的质量,代入数据得m≈0.20 kg。
回答以下问题(结果均保留2位有效数字):(3)该同学在滑块上增加待测物体,重复上述实验步骤,在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ,则待测物体的质量为 kg。
1.“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验的注意事项(1)实验中不能挂过多的钩码,防止弹簧超过弹性限度。(2)画图像时,不要连成折线,而应尽量让数据点落在直线上或均匀分布在直线两侧。2.F-x和F-l图线的特点(1)F-x图线为一条过原点的直线,而F-l图线为一条倾斜直线,但不过原点。(2)F-x图线和F-l图线的斜率均表示弹簧(或橡皮筋)的劲度系数。(3)F-l图线在l轴上的截距表示弹簧(或橡皮筋)的原长。(4)F-x图线和F-l图线发生弯曲的原因是弹簧(或橡皮筋)超出了弹性限度。
3.探究两个互成角度的力的合成规律依据是合力与分力的等效性,在操作时要记住“四注意”和“七记录”
5.(2022·河北唐山三模)如图甲所示,有两条长度不同的弹性绳。两绳上端固定在同一位置,下端系在一个轻质钩上。两绳在同一竖直面内,不缠绕。1的长度比2短,1自然伸长时,2处于松弛状态。现测量这两条弹性绳的劲度系数。进行以下操作:每个钩码质量为100 g,g取10 m/s2。①测量短绳的自然长度L0;②下端逐个加挂钩码。测量短绳1的长度L,并记录对应钩码数量n。两条弹性绳一直处于弹性限度内;③在坐标纸上建立坐标系。以L为纵坐标,以所挂钩码数为横坐标,描出部分数据如图乙所示;④根据图像求出弹性绳的劲度系数k1、k2。(1)加挂第 个钩码,弹性绳2开始绷紧。
解析:(1)弹性绳2绷紧前,根据胡克定律有nmg=k1(L-L0),弹性绳2绷紧后,同理有nmg=k1(L-L0)+k2(L-L0′)=(k1+k2)L-k1L0-k2L0′,比较以上两式可知,弹性绳2绷紧前相邻两数据点连线的斜率应比绷紧后大,由题图可知加挂第2个钩码,弹性绳2开始绷紧。
5.(2022·河北唐山三模)如图甲所示,有两条长度不同的弹性绳。两绳上端固定在同一位置,下端系在一个轻质钩上。两绳在同一竖直面内,不缠绕。1的长度比2短,1自然伸长时,2处于松弛状态。现测量这两条弹性绳的劲度系数。进行以下操作:每个钩码质量为100 g,g取10 m/s2。①测量短绳的自然长度L0;②下端逐个加挂钩码。测量短绳1的长度L,并记录对应钩码数量n。两条弹性绳一直处于弹性限度内;③在坐标纸上建立坐标系。以L为纵坐标,以所挂钩码数为横坐标,描出部分数据如图乙所示;④根据图像求出弹性绳的劲度系数k1、k2。(2)弹性绳1、2的劲度系数分别为k1= N/m,k2= N/m。
6.(2022·广东深圳模拟)实验小组的同学利用图甲实验装置探究“求合力的方法”实验。图中橡皮条的一端固定在水平木板上,M、N为弹簧测力计,A为固定橡皮条的图钉,O为橡皮条与细绳的结点,OB和OC为细绳。请回答下列问题:
(1)下列说法中正确的是 。(多选) A.拉橡皮条时,弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行B.两弹簧测力计系的两条细线必须等长C.F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程D.为减小测量误差,F1、F2方向间夹角应为90°
解析:(1)测量力的实验要求尽量准确,为了防止摩擦对实验结果产生误差,故拉橡皮条时,弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行,A正确;实验中只要求效果相同,而两弹簧测力计系的两条细线不必等长,B错误;为了准确地测量力的大小,故F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程,C正确;为减小测量误差,F1、F2方向间夹角不宜太小,也不宜过大,但不一定为90°,D错误。
(2)根据实验数据在白纸上所作图如图乙所示,乙图中F1、F2、F、F′四个力,其中力 (选填上述字母)不是由弹簧测力计直接测得的。
解析:(2)由实验步骤可得,题图乙中F1、F2、F、F′四个力,F是根据平行四边形作图得到的,故不是由弹簧测力计直接测得的。
(3)实验中,要求先后两次力的作用效果相同,指的是 。 A.橡皮条沿同一方向伸长同一长度B.橡皮条沿同一方向伸长C.橡皮条伸长到同一长度D.两个弹簧测力计拉力F1和F2的大小之和等于一个弹簧测力计拉力的大小
解析:(3)实验中,要求先后两次力的作用效果相同,指的是橡皮条沿同一方向伸长同一长度,B、C、D错误,A正确。
(4)丙图是测量中弹簧测力计M的示数,读出该力大小为 N。
解析:(4)由题图丙可知,测量中弹簧测力计M的示数为3.0 N。
完成下列填空:(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图b中位置A时,其速度的水平分量大小为 m/s,竖直分量大小为 m/s;
答案:(1)1.0 2.0
完成下列填空:(结果均保留2位有效数字)(2)根据图b中数据可得,当地重力加速度的大小为 m/s2。
(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为 kg的滑块作为A。 (3)调节B的位置,使得A与B接触时,A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等。
解析:(2)要使碰撞后两滑块的运动方向相反,必须使质量较小的滑块碰撞质量较大的静止滑块,所以应选取质量为0.304 kg的滑块作为A。
答案:(2)0.304
(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2。(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如下表所示。
(6)表中的k2= (结果保留2位有效数字)。
答案:(7)0.32
1.“探究平抛运动的特点”实验的操作关键(1)应保持斜槽末端的切线水平,钉有坐标纸的木板竖直,并使小钢球的运动靠近坐标纸但不接触。(2)小钢球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下,斜槽的粗糙程度对该实验没有影响。在斜槽上释放小钢球的高度应适当,使小钢球以合适的水平初速度抛出。(3)坐标原点(小钢球做平抛运动的起点)不是槽口的端点,应是小钢球在槽口时球心在坐标纸上的水平投影点。
2.用单摆测量重力加速度的大小(1)选择材料时应选择细、轻又不易伸长的线,长度一般在1 m左右,小球应选用密度较大的金属球。(2)悬线顶端不能晃动,需用夹子夹住,保证悬点固定。(3)注意摆动时控制摆线偏离竖直方向不超过5°。(4)选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时,并数准全振动的次数。
3.探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的实验注意的问题摇动手柄时应力求缓慢加速,注意观察其中一个标尺的格数,达到预定格数时,即保持转速恒定,观察并记录其余读数。
7.如图甲所示是探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系的实验装置。转动手柄,可使两侧变速塔轮以及长槽和短槽随之匀速转动。皮带分别套在左右两塔轮上的不同圆盘上,可使两个槽内的小球分别以各自的角速度做匀速圆周运动,其向心力由挡板对小球的压力提供,球对挡板的反作用力,通过杠杆作用使弹簧测力套筒下降,从而露出标尺,标尺上露出的红白相间的等分格显示出两个球所受向心力的比值。那么:
(1)下列实验的实验方法与本实验相同的是 。 A.验证力的平行四边形定则B.验证牛顿第二定律C.伽利略对自由落体的研究
解析:(1)本实验所用的研究方法是控制变量法,与“验证牛顿第二定律”的实验方法相同,故选B。
(2)若长槽上的挡板B到转轴的距离是挡板A到转轴距离的2倍,长槽上的挡板A和短槽上的挡板C到各自转轴的距离相等。探究向心力和角速度的关系时,若将传动皮带套在两半径之比等于3∶1的轮盘上,将质量相同的小球分别放在挡板 和挡板 处(选填“A”“B”或“C”),则标尺露出红白相间的等分格数的比值约为 。若仅改变皮带位置,通过对比皮带位置轮盘半径之比和向心力大小之比,可以发现向心力F与 成正比。
解析:(2)探究向心力和角速度的关系时,要保持质量和半径不变,即要将质量相同的小球分别放在挡板A和挡板C处;若将传动皮带套在两半径之比等于3∶1的轮盘上,因两轮盘边缘的线速度相同,则角速度之比为1∶3,向心力之比为1∶9,即标尺露出红白相间的等分格数的比值约为1∶9。若仅改变皮带位置,通过对比皮带位置轮盘半径之比和向心力大小之比,可以发现向心力F与角速度的平方成正比。
答案:(2)A C 1∶9 角速度的平方
(3)为了能探究影响向心力大小的各种因素,左右两侧塔轮 (选填“需要”或“不需要”)设置半径相同的轮盘。
解析:(3)为了能探究影响向心力大小的各种因素,因为要研究角速度一定时向心力与质量或半径的关系,则左右两侧塔轮需要设置半径相同的轮盘。
(4)你认为以上实验中产生误差的原因有 (写出一条即可)。
解析:(4)产生误差的原因有,小球转动半径引起的误差;弹簧测力套筒的读数引起的误差;皮带打滑引起的误差等。
答案:(4)小球转动半径引起的误差(或弹簧测力套筒的读数引起的误差、皮带打滑引起的误差等)
(5)利用传感器升级实验装置,用力传感器测压力,用光电计时器测周期进行定量探究。某同学多次改变转速后,记录一组力与对应周期数据,他用图像法来处理数据,结果画出了如图乙所示的图像,该图像是一条过原点的直线,请你分析他的图像横坐标x表示的物理量是 。
8.某同学想用如图甲所示的装置测定滑块与水平面间的动摩擦因数。滑块上表面固定一个质量为m、宽度为d的遮光条,两个光电门固定在水平面上。滑块的左侧与一轻质弹簧接触,不连接,O点为弹簧处于原长时滑块的位置,弹簧、滑块和光电门共线。将滑块向左移动压缩弹簧至A,释放滑块,滑块被弹出后经过光电门1的时间为Δt1,经过光电门2的时间为Δt2,多次实验,取平均值。已知当地重力加速度g取10 m/s2。
(1)用游标卡尺测出遮光条的宽度,示数如图乙所示,则宽度d= cm。
解析:(1)依题意,读数为d=1 cm+12×0.05 mm=1.060 cm。
答案:(1)1.060
(2)若某次滑块经过光电门1时,光电门1计时Δt1=0.025 s,计算此时滑块的速度为v= m/s。(结果保留2位有效数字)
(3)本实验除了d、Δt1、Δt2外还需要测量的物理量为 。 A.出发点A到O点的距离xB.出发点A到光电门1的距离sC.光电门1、2之间的距离L
9.(2022·广东佛山二模)某同学设计用图甲所示的装置测量当地的重力加速度。
(1)跨过滑轮组的不可伸长的轻绳两端分别与质量为M的钩码以及力传感器相连,通过力传感器可测出轻绳的拉力。质量为m的重物通过动滑轮挂在轻绳上。重物的下端与纸带相连,让纸带穿过打点计时器上的 。
解析:(1)根据打点计时器的使用规则可知,重物的下端与纸带相连,让纸带穿过打点计时器上的限位孔。
(2)接通电源、释放钩码、重物 (选填“上升”或“下落”),打点计时器在纸带上打出一系列的点,如图乙所示,记下此时力传感器的示数F,已知打点计时器使用的交变电源的频率为50 Hz,相邻两计数点之间还有四个点未画出,由图中的数据可知,重物的加速度a= m/s2(结果保留3位有效数字)。
答案:(2)上升 2.40
(3)改变钩码的质量,重复实验步骤(2),得到多组数据。(4)由实验得到重物的加速度a与力传感器示数F的关系如图丙所示,则当地的重力加速度g= (用图中字母表示),该实验误差的主要来源是 。
答案:(4)b 滑轮组与轻绳间的摩擦,纸带与打点计时器间的摩擦阻力,纸带上点间距测量等的误差
由表中数据可得,小铜块沿斜面下滑的加速度大小为 m/s2,小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为 。(结果均保留2位有效数字,重力加速度大小取9.80 m/s2)
答案:0.43 0.32
(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒,则图乙中直线斜率的理论值为 。
(2)由图乙得:直线的斜率为 ,小钢球的重力为 N。(结果均保留2位有效数字)
答案:(2)-2.1 0.59
(3)该实验系统误差的主要来源是 (填正确答案标号)。 A.小钢球摆动角度偏大B.小钢球初始释放位置不同C.小钢球摆动过程中有空气阻力
解析:(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力,使得机械能减小,故选C。
(1)首先将未安装薄板的小车置于带有定滑轮的木板上,然后将纸带穿过打点计时器与小车相连。(2)用垫块将木板一端垫高,调整垫块位置,平衡小车所受摩擦力及其他阻力。若某次调整过程中打出的纸带如图b所示(纸带上的点由左至右依次打出),则垫块应该 (选填“往左移”“往右移”或“固定不动”)。
解析:(2)由题图b可知,从左往右点间距逐渐增大,说明小车做加速运动,即平衡摩擦力过度,应减小木板的倾角,即将垫块往右移。
(3)在细绳一端挂上钩码,另一端通过定滑轮系在小车前端。(4)把小车靠近打点计时器,接通电源,将小车由静止释放。小车拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图c所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,纸带上标出的每两个相邻计数点之间还有4个打出的点未画出。打出F点时小车的速度大小为 m/s(结果保留2位小数)。
答案:(4)0.15
(5)保持小车和钩码的质量不变,在小车上安装一薄板。实验近似得到的某时刻起小车v-t图像如图d所示,由图像可知小车加速度大小 (选填“逐渐变大”“逐渐变小”或“保持不变”)。据此可以得到的实验结论是 。
解析:(5)v-t图像的斜率表示加速度,所以由图像可知,小车加速度大小逐渐变小;小车加速度随速度的增大而变小,根据牛顿第二定律可知,小车所受合外力F随速度的增大而变小。装上薄板后,设小车所受空气阻力大小为f,则F=FT-f,对钩码受力分析知,细绳拉力FT逐渐变大,故由此得到的结论是空气阻力随速度增大而增大。
答案:(5)逐渐变小 空气阻力随速度增大而增大
1.力学实验创新方向(1)实验器材的等效与替换。①用气垫导轨代替长木板:应调整导轨水平,不必平衡摩擦力。②用光电门、频闪相机、手机录像等代替打点计时器。③用力传感器或已知质量的钩码等代替弹簧测力计。(2)实验结论的拓展与延伸。①由测定加速度延伸为测定动摩擦因数。通过研究纸带、频闪照片或光电装置得出物体的加速度,再利用牛顿第二定律求出物体所受的阻力或小车与木板间的动摩擦因数。②由测定加速度延伸为测定交流电的频率。
(3)试题情境的设计与创新。对于创新型实验的处理,最根本的方法是把物理模型从新情境中分离出来,找出与常规实验的相通之处,然后运用熟悉的实验原理和数据处理方法进行解答。(4)探究思路和仪器的创新。对于创新型实验,采取新颖的思路或者常见的身边仪器,可以起到快捷探究的效果,解决此类问题就是抓住事物的本质,分析问题,解决问题。2.力学创新实验题的3个特点(1)以基本的力学模型为载体,依托运动学规律和力学知识设计实验。(2)将实验的基本方法——控制变量法,处理数据的基本方法——图像法、逐差法等融入实验的综合分析之中。(3)在试题表现形式上,由单一、基本的形式向综合、开放的形式发展;在试题内容的变化上,主要有实验目的和实验原理的迁移,实验条件和实验方法的改变,实验器材和实验数据处理的变换,演变计算题为实验问题等。
3.创新实验题的解法(1)根据题目情境,提取相应的力学模型,特别注意同一实验原理而不同实验目的情况。例如以熟知的平抛运动实验为背景可以考查的实验有:研究抛体运动,动量守恒定律,动量定理,测定动摩擦因数等等。(2)明确实验的理论依据和实验目的,设计实验方案。(3)进行实验,记录数据,应用原理公式或图像法处理实验数据。(4)结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。
10.(2022·贵州黔南模拟)某中学的物理航天兴趣小组通过观看“天空授课”引发思考,设计了一款可以在太空中测量物体质量的实验装置如图甲所示。有一圆盘桌面上放置一个质量未知的小球,小球与弹簧测力计通过细线连接,细线通过圆盘上的一个小孔,弹簧测力计的另一端通过另一细线固定于水平面上,A与B为同一个光电门的激光发射器和接收器,B与数字计时器相连,实验时可认为激光与小球的直径在一条直线上。小球处于太空环境中可认为与桌面无挤压,开始实验时轻推小球。
(1)通过游标卡尺测出小球的直径如图乙所示,请读出小球的直径d= cm。
解析:(1)游标卡尺的分度值为0.05 mm,故读数为d=1.6 cm+10×0.05 mm=1.650 cm。
答案:(1)1.650
(2)弹簧测力计的示数如图丙所示,请读出力F= N。
解析:(2)由题图丙所示弹簧测力计可知,其分度值为0.2 N,示数为2.4 N。
(3)实验中测出小球运动的半径为r,通过光电门的时间为Δt。(4)请写出小球质量的表达式m= (结果用F、d、r、Δt表示)。
11.(2022·江西鹰潭二模)图示装置可用来验证动量守恒定律。一段长为l的细绳一端与力传感器(图中未画出,传感器的体积忽略不计,它可以实时记录绳所受的拉力大小)相连,固定在O点,另一端连接一个质量为m1、直径为d的小钢球A。在小钢球自然下垂时在其最低点N的右侧放置一气垫导轨,气垫导轨左端放有质量为m2的小滑块B(B上安装有宽度为d的遮光片,遮光片的质量忽略不计),右侧安装有光电门1和光电门2(它们分别与数字毫秒计连接,数字毫秒计可记录遮光片挡光的时间)。当地的重力加速度为g。
将气垫导轨调整为水平,并调整好气垫导轨的高度,确保小钢球A通过最低点时恰好与滑块B发生正碰;调整滑块B的位置使小钢球自由下垂静止在N点时与滑块B接触而无压力作用。
(1)将小钢球A从某位置由静止释放,摆到最低点N与滑块B发生碰撞。若小钢球A与滑块B碰撞前瞬间,拉力传感器的示数为F1,则小钢球A与滑块B碰撞前的速度大小为 。(用题中已给出的物理量符号表示)
(2)为完成实验,除了要记录数字毫秒计的读数Δt外,还需要记录的信息有 。
解析:(2)要验证动量守恒定律,还需要记录的信息有碰撞结束瞬间力传感器的示数F2(通过它可计算得到小钢球A碰撞后的速度大小)和小钢球A的运动方向。
答案:(2)碰撞结束瞬间力传感器的示数F2和小钢球A的运动方向
考点一 基本仪器的读数和力学量的测量
回答下列问题:(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是 。
解析:(1)将表格中数据转化如图,则x1=507 m,x2=587 m,x3=665 m,x4=746 m,x5=824 m,x6=904 m,可得x2-x1=80 m,x3-x2=78 m,x4-x3=81 m,x5-x4=78 m,x6-x5=80 m,相邻相等时间间隔位移差大小接近,可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动。
答案:(1)相邻相等时间间隔位移差大小接近
回答下列问题:(2)当x=507 m时,该飞行器速度的大小v= m/s。
回答下列问题:(3)这段时间内该飞行器加速度的大小a= m/s2。(结果保留2位有效数字)
(1)让小球从某一高度由静止释放,与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置,使小球从光电门正上方释放后,在下落和反弹过程中均可通过光电门。(2)用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图b所示,小球直径d= mm。
解析:(2)根据螺旋测微器读数规则可知,小球直径d=7.5 mm+0.384 mm=7.884 mm。
答案:(2)7.884
(3)测量时,应 (选填“A”或“B”,其中A为“先释放小球,后接通数字计时器”,B为“先接通数字计时器,后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。
解析:(3)由于小球自由落体运动时间很短,所以测量时,应该先接通数字计时器,后释放小球。
(4)计算小球通过光电门的速度,已知小球的质量为m,可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE= (用字母m、d、t1和t2表示)。
(5)若适当调高光电门的高度,将会 (选填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差。
解析:(5)若适当调高光电门高度,将会增大因空气阻力引起的测量误差。
2.注意事项(1)游标卡尺在读数时先确定各尺的分度,把数据读成以毫米为单位的,先读主尺数据,再读游标尺数据,最后两数相加。(2)游标卡尺读数时不需要估读。(3)游标卡尺在读数时注意区分游标卡尺的精度。(4)螺旋测微器读数时,要准确到0.01 mm,估读到0.001 mm,结果若用 mm作单位,则小数点后必须保留3位数字。(5)螺旋测微器在读数时,注意区别整刻度线与半毫米刻度线,注意判断半毫米刻度线是否露出。
1.(2022·浙江嘉兴二模)如图甲所示,某同学做“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两点对应的弹簧测力计示数如图乙所示,读出与A对应的弹簧测力计示数为 N。
解析:(1)弹簧测力计最小刻度为0.1 N,则与A对应的弹簧测力计示数为2.60 N。
1.(2022·浙江嘉兴二模)如图甲所示,某同学做“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。(2)请结合题给信息在图甲相应位置作出两力的合力,并求出合力的大小为 N。
解析:(2)与B对应的弹簧测力计示数为1.10 N;作出两力的合力如图所示,合力的大小为3.4 N。
答案:(2)图见解析 3.4
2.(2022·山东烟台三模)某同学为了测量当地的重力加速度,设计了一套如图甲所示的实验装置。拉力传感器竖直固定,一根不可伸长的细线上端固定在传感器的固定挂钩上,下端系一小钢球,钢球底部固定有遮光片,在拉力传感器的正下方安装有光电门,钢球通过最低点时遮光片恰能通过光电门。该同学设计了下列实验步骤:(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度d,如图乙所示,则d= mm。 (2)用游标卡尺测量小钢球的直径为D,用刻度尺测量小钢球到悬点的摆线长为l。(3)拉起小钢球,使细线与竖直方向成不同角度,小钢球由静止释放后均在竖直平面内运动,记录遮光片每次通过光电门的遮光时间Δt和对应的拉力传感器示数F。
解析:(1)游标卡尺的精度为0.05 mm,其读数为主尺的示数与游标尺示数之和,故遮光片的宽度d=12 mm+8×0.05 mm=12.40 mm。
答案:(1)12.40
2.(2022·山东烟台三模)某同学为了测量当地的重力加速度,设计了一套如图甲所示的实验装置。拉力传感器竖直固定,一根不可伸长的细线上端固定在传感器的固定挂钩上,下端系一小钢球,钢球底部固定有遮光片,在拉力传感器的正下方安装有光电门,钢球通过最低点时遮光片恰能通过光电门。该同学设计了下列实验步骤:
(5)如果在实验过程中所系的细线出现松动,则根据实验数据求出的当地重力加速度g的值比实际值 (选填“偏大”或“偏小”)。
解析:(5)在摆动过程中若出现松动,则实际摆长l比开始测量的摆长偏大,根据上述公式可知,则真实的重力加速度的值比测量的值小,即测量值偏大。
考点二 “纸带类”实验
(1)关于这个实验,下列说法正确的是 。(多选) A.需要补偿小车受到阻力的影响B.该实验装置可以“验证机械能守恒定律”C.需要通过调节定滑轮使细线与长木板平行D.需要满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量
(2)如图乙所示是两条纸带,实验时打出的应是第 (选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)条纸带。
解析:(2)小车做匀加速直线运动,位移逐渐增大,所以实验打出的纸带是第Ⅱ条。
(3)根据实验数据,在坐标纸上画出的W-v2图像是一条过原点的直线,据此图像 (选填“能”或“不能”)求出小车的质量。
(1)在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置,测得此时弹簧的长度为L。接通打点计时器电源,从静止释放钩码,弹簧收缩,得到了一条点迹清晰的纸带。钩码加速上升阶段的部分纸带如图乙所示,纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T(在误差允许范围内,认为释放钩码的同时打出A点)。从打出A点到打出F点时间内,弹簧的弹性势能减少量为 ,钩码的动能增加量为 ,钩码的重力势能增加量为 。
(2)利用计算机软件对实验数据进行处理,得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系,如图丙所示。由图丙可知,随着h增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,主要原因是 。
解析:(2)钩码机械能的增加量,即钩码动能和重力势能增加量的总和,若无阻力做功,则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量。现在随着h增加,两条曲线在纵向的间隔逐渐变大,而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功,则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大,导致空气阻力逐渐增大,以至于空气阻力做的功也逐渐增大。
1.打点计时器涉及的四个实验(1)探究小车速度随时间变化的规律。(2)探究加速度与物体受力、物体质量的关系。(3)验证机械能守恒定律。(4)验证动量守恒定律。2.纸带的三大应用(1)判断物体运动性质:若在实验误差允许范围内Δx不为零且为定值,则可判定物体做匀变速直线运动。
3.使用打点计时器,实验操作中的注意事项(1)平行:纸带、细绳要和长木板平行。(2)靠近:释放小车前,应使小车停在靠近打点计时器的位置。(3)两先两后:实验时应先接通电源,后释放小车;实验后先断开电源,后取下纸带。(4)防止碰撞:在到达长木板末端前应让小车停止运动,防止槽码落地或小车与滑轮碰撞。(5)减小误差:小车另一端挂的槽码质量要适当,避免速度过大而使纸带上打的点太少,或者速度太小,使纸带上打的点过于密集。
3.(2022·浙江杭州模拟)如图甲、乙、丙、丁为高中物理中的四个力学实验装置。
(1)关于这四个力学实验,下列说法正确的是 (多选)。 A.实验操作时,四个实验均需先接通电源后释放纸带B.实验操作时,四个实验均需让物体在靠近打点计时器处由静止释放C.四个实验中的物体均做匀变速直线运动D.数据处理时,四个实验均需计算物体的加速度
解析:(1)打点计时器在使用时,为了使其打点稳定,同时为了提高纸带的利用率,使尽量多的点打在纸带上,应先接通电源,再放开纸带,同时需让物体在靠近打点计时器处由静止释放,故A、B正确;探究功与速度变化的关系实验中,橡皮筋的势能转化为小车的动能,且在平衡摩擦力之后,通过增加橡皮筋条数使做功成倍增加,小车做非匀变速直线运动,也无需计算小车的加速度,故C、D错误。
(2)某同学按图乙装置做“探究加速度与力和质量关系”,在正确补偿阻力后,按实验原理打出了12条纸带。如图戊所示是根据其中一条纸带上的数据作出的v-t图像。打该条纸带时,钩码的总质量 (选填“满足”或“不满足”)远小于小车的质量。
解析:(2)图像为一条倾斜的直线,加速度一定,可知小车受到的合外力一定,则打该条纸带时,钩码的总质量满足远小于小车的质量。
(3)如图己所示是某同学按图丁装置做“验证机械能守恒定律”实验时打出的一条纸带,计时器接在频率为50 Hz 的交流电源上,从起始O点开始,将此后连续打出的7个点依次标为A、B、C、…,已知重物的质量为0.50 kg,当地的重力加速度g=9.8 m/s2,从打下O点到打下F点的过程,重物重力势能的减少量为 J,重物动能的增加量为 J。(结果均保留2位有效数字)
答案:(3)0.34 0.33
4.(2022·福建莆田模拟)在验证动量守恒定律的实验中,请回答下列问题:
(1)实验记录如图甲所示,为测定A球不碰B球时做平抛运动的落点的平均位置,把刻度尺的零刻度线跟记录纸上的O点对齐,图乙给出了小球A落点附近的情况,可得A的平均落点到O点的距离应为 cm。
解析:(1)小球A落点,应该取多次落点的平均落地点,即用尽量小的圆把这些落点圈起来圆心的位置,由题图可得距离应为65.50 cm。
答案:(1)65.50
(2)小球A下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力,这 (选填“会”或“不会”)让实验结果产生误差。
解析:(2)在实验过程中,只要保证小球A到达底端的速度相同即可,轨道有无摩擦不会让实验结果产生误差。
(3)实验装置如图甲所示,A球为入射小球,B球为被碰小球,下列有关实验过程中必须满足的条件,正确的是 。 A.入射小球的质量mA,可以小于被碰小球的质量mBB.实验时需要测量斜槽末端到水平地面的高度C.入射小球不必每次从斜槽上的同一位置由静止释放D.斜槽末端的切线必须水平,小球放在斜槽末端处,且应恰好静止
解析:(3)入射小球的质量mA,不可以小于被碰小球的质量mB,否则A球碰后反弹,故A错误;在实验中不需要测量小球的下落高度,只要能保证高度相同,即可知道两小球下落时间相同,故B错误;入射小球每次必须从斜槽上的同一位置由静止释放,才能保证每次碰前的速度均相同,故C错误;斜槽末端的切线必须水平,小球放在斜槽末端处,应能静止,故D正确。
(4)如果碰撞过程中系统机械能也守恒,根据图中各点间的距离,下列式子成立的有 。(多选) A.mA∶mB=ON∶MPB.mA∶mB=OP∶MPC.mA∶mB=OP∶(MN-OM)D.mA∶mB=ON∶(MN-OM)
考点三 “弹簧”“橡皮条”类实验
(1)查找资料,得知每枚硬币的质量为6.05 g;(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋,测量每次稳定后橡皮筋的长度l,记录数据如下表:
(3)根据表中数据在图b上描点,绘制图线;
解析:(3)利用描点法得出图像,如图所示。
(4)取出全部硬币,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,稳定后橡皮筋长度的示数如图c所示,此时橡皮筋的长度为 cm;
解析:(4)根据刻度尺读数规则知,橡皮筋的长度l=15.35 cm。
答案:(4)15.35
(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为 g(计算结果保留3位有效数字)。
①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上,加速度传感器固定在滑块上;②接通气源,放上滑块,调平气垫导轨;③将弹簧左端连接力传感器,右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00 cm,拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时;④计算机采集获取数据,得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像,部分图像如图乙所示。
回答以下问题(结果均保留2位有效数字):(1)弹簧的劲度系数为 N/m。
解析:(1)初始时弹簧的伸长量为5.00 cm,结合图乙可读出弹簧弹力为0.610 N,由F=kx可得弹簧的劲度系数k≈12 N/m。
回答以下问题(结果均保留2位有效数字):(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据,画出a-F图像如图丙中Ⅰ所示,由此可得滑块与加速度传感器的总质量为 kg。
解析:(2)根据牛顿第二定律F=ma,结合图丙可得a-F图线斜率的倒数表示滑块与加速度传感器的质量,代入数据得m≈0.20 kg。
回答以下问题(结果均保留2位有效数字):(3)该同学在滑块上增加待测物体,重复上述实验步骤,在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ,则待测物体的质量为 kg。
1.“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验的注意事项(1)实验中不能挂过多的钩码,防止弹簧超过弹性限度。(2)画图像时,不要连成折线,而应尽量让数据点落在直线上或均匀分布在直线两侧。2.F-x和F-l图线的特点(1)F-x图线为一条过原点的直线,而F-l图线为一条倾斜直线,但不过原点。(2)F-x图线和F-l图线的斜率均表示弹簧(或橡皮筋)的劲度系数。(3)F-l图线在l轴上的截距表示弹簧(或橡皮筋)的原长。(4)F-x图线和F-l图线发生弯曲的原因是弹簧(或橡皮筋)超出了弹性限度。
3.探究两个互成角度的力的合成规律依据是合力与分力的等效性,在操作时要记住“四注意”和“七记录”
5.(2022·河北唐山三模)如图甲所示,有两条长度不同的弹性绳。两绳上端固定在同一位置,下端系在一个轻质钩上。两绳在同一竖直面内,不缠绕。1的长度比2短,1自然伸长时,2处于松弛状态。现测量这两条弹性绳的劲度系数。进行以下操作:每个钩码质量为100 g,g取10 m/s2。①测量短绳的自然长度L0;②下端逐个加挂钩码。测量短绳1的长度L,并记录对应钩码数量n。两条弹性绳一直处于弹性限度内;③在坐标纸上建立坐标系。以L为纵坐标,以所挂钩码数为横坐标,描出部分数据如图乙所示;④根据图像求出弹性绳的劲度系数k1、k2。(1)加挂第 个钩码,弹性绳2开始绷紧。
解析:(1)弹性绳2绷紧前,根据胡克定律有nmg=k1(L-L0),弹性绳2绷紧后,同理有nmg=k1(L-L0)+k2(L-L0′)=(k1+k2)L-k1L0-k2L0′,比较以上两式可知,弹性绳2绷紧前相邻两数据点连线的斜率应比绷紧后大,由题图可知加挂第2个钩码,弹性绳2开始绷紧。
5.(2022·河北唐山三模)如图甲所示,有两条长度不同的弹性绳。两绳上端固定在同一位置,下端系在一个轻质钩上。两绳在同一竖直面内,不缠绕。1的长度比2短,1自然伸长时,2处于松弛状态。现测量这两条弹性绳的劲度系数。进行以下操作:每个钩码质量为100 g,g取10 m/s2。①测量短绳的自然长度L0;②下端逐个加挂钩码。测量短绳1的长度L,并记录对应钩码数量n。两条弹性绳一直处于弹性限度内;③在坐标纸上建立坐标系。以L为纵坐标,以所挂钩码数为横坐标,描出部分数据如图乙所示;④根据图像求出弹性绳的劲度系数k1、k2。(2)弹性绳1、2的劲度系数分别为k1= N/m,k2= N/m。
6.(2022·广东深圳模拟)实验小组的同学利用图甲实验装置探究“求合力的方法”实验。图中橡皮条的一端固定在水平木板上,M、N为弹簧测力计,A为固定橡皮条的图钉,O为橡皮条与细绳的结点,OB和OC为细绳。请回答下列问题:
(1)下列说法中正确的是 。(多选) A.拉橡皮条时,弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行B.两弹簧测力计系的两条细线必须等长C.F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程D.为减小测量误差,F1、F2方向间夹角应为90°
解析:(1)测量力的实验要求尽量准确,为了防止摩擦对实验结果产生误差,故拉橡皮条时,弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行,A正确;实验中只要求效果相同,而两弹簧测力计系的两条细线不必等长,B错误;为了准确地测量力的大小,故F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程,C正确;为减小测量误差,F1、F2方向间夹角不宜太小,也不宜过大,但不一定为90°,D错误。
(2)根据实验数据在白纸上所作图如图乙所示,乙图中F1、F2、F、F′四个力,其中力 (选填上述字母)不是由弹簧测力计直接测得的。
解析:(2)由实验步骤可得,题图乙中F1、F2、F、F′四个力,F是根据平行四边形作图得到的,故不是由弹簧测力计直接测得的。
(3)实验中,要求先后两次力的作用效果相同,指的是 。 A.橡皮条沿同一方向伸长同一长度B.橡皮条沿同一方向伸长C.橡皮条伸长到同一长度D.两个弹簧测力计拉力F1和F2的大小之和等于一个弹簧测力计拉力的大小
解析:(3)实验中,要求先后两次力的作用效果相同,指的是橡皮条沿同一方向伸长同一长度,B、C、D错误,A正确。
(4)丙图是测量中弹簧测力计M的示数,读出该力大小为 N。
解析:(4)由题图丙可知,测量中弹簧测力计M的示数为3.0 N。
完成下列填空:(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图b中位置A时,其速度的水平分量大小为 m/s,竖直分量大小为 m/s;
答案:(1)1.0 2.0
完成下列填空:(结果均保留2位有效数字)(2)根据图b中数据可得,当地重力加速度的大小为 m/s2。
(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为 kg的滑块作为A。 (3)调节B的位置,使得A与B接触时,A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等。
解析:(2)要使碰撞后两滑块的运动方向相反,必须使质量较小的滑块碰撞质量较大的静止滑块,所以应选取质量为0.304 kg的滑块作为A。
答案:(2)0.304
(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2。(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如下表所示。
(6)表中的k2= (结果保留2位有效数字)。
答案:(7)0.32
1.“探究平抛运动的特点”实验的操作关键(1)应保持斜槽末端的切线水平,钉有坐标纸的木板竖直,并使小钢球的运动靠近坐标纸但不接触。(2)小钢球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下,斜槽的粗糙程度对该实验没有影响。在斜槽上释放小钢球的高度应适当,使小钢球以合适的水平初速度抛出。(3)坐标原点(小钢球做平抛运动的起点)不是槽口的端点,应是小钢球在槽口时球心在坐标纸上的水平投影点。
2.用单摆测量重力加速度的大小(1)选择材料时应选择细、轻又不易伸长的线,长度一般在1 m左右,小球应选用密度较大的金属球。(2)悬线顶端不能晃动,需用夹子夹住,保证悬点固定。(3)注意摆动时控制摆线偏离竖直方向不超过5°。(4)选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时,并数准全振动的次数。
3.探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的实验注意的问题摇动手柄时应力求缓慢加速,注意观察其中一个标尺的格数,达到预定格数时,即保持转速恒定,观察并记录其余读数。
7.如图甲所示是探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系的实验装置。转动手柄,可使两侧变速塔轮以及长槽和短槽随之匀速转动。皮带分别套在左右两塔轮上的不同圆盘上,可使两个槽内的小球分别以各自的角速度做匀速圆周运动,其向心力由挡板对小球的压力提供,球对挡板的反作用力,通过杠杆作用使弹簧测力套筒下降,从而露出标尺,标尺上露出的红白相间的等分格显示出两个球所受向心力的比值。那么:
(1)下列实验的实验方法与本实验相同的是 。 A.验证力的平行四边形定则B.验证牛顿第二定律C.伽利略对自由落体的研究
解析:(1)本实验所用的研究方法是控制变量法,与“验证牛顿第二定律”的实验方法相同,故选B。
(2)若长槽上的挡板B到转轴的距离是挡板A到转轴距离的2倍,长槽上的挡板A和短槽上的挡板C到各自转轴的距离相等。探究向心力和角速度的关系时,若将传动皮带套在两半径之比等于3∶1的轮盘上,将质量相同的小球分别放在挡板 和挡板 处(选填“A”“B”或“C”),则标尺露出红白相间的等分格数的比值约为 。若仅改变皮带位置,通过对比皮带位置轮盘半径之比和向心力大小之比,可以发现向心力F与 成正比。
解析:(2)探究向心力和角速度的关系时,要保持质量和半径不变,即要将质量相同的小球分别放在挡板A和挡板C处;若将传动皮带套在两半径之比等于3∶1的轮盘上,因两轮盘边缘的线速度相同,则角速度之比为1∶3,向心力之比为1∶9,即标尺露出红白相间的等分格数的比值约为1∶9。若仅改变皮带位置,通过对比皮带位置轮盘半径之比和向心力大小之比,可以发现向心力F与角速度的平方成正比。
答案:(2)A C 1∶9 角速度的平方
(3)为了能探究影响向心力大小的各种因素,左右两侧塔轮 (选填“需要”或“不需要”)设置半径相同的轮盘。
解析:(3)为了能探究影响向心力大小的各种因素,因为要研究角速度一定时向心力与质量或半径的关系,则左右两侧塔轮需要设置半径相同的轮盘。
(4)你认为以上实验中产生误差的原因有 (写出一条即可)。
解析:(4)产生误差的原因有,小球转动半径引起的误差;弹簧测力套筒的读数引起的误差;皮带打滑引起的误差等。
答案:(4)小球转动半径引起的误差(或弹簧测力套筒的读数引起的误差、皮带打滑引起的误差等)
(5)利用传感器升级实验装置,用力传感器测压力,用光电计时器测周期进行定量探究。某同学多次改变转速后,记录一组力与对应周期数据,他用图像法来处理数据,结果画出了如图乙所示的图像,该图像是一条过原点的直线,请你分析他的图像横坐标x表示的物理量是 。
8.某同学想用如图甲所示的装置测定滑块与水平面间的动摩擦因数。滑块上表面固定一个质量为m、宽度为d的遮光条,两个光电门固定在水平面上。滑块的左侧与一轻质弹簧接触,不连接,O点为弹簧处于原长时滑块的位置,弹簧、滑块和光电门共线。将滑块向左移动压缩弹簧至A,释放滑块,滑块被弹出后经过光电门1的时间为Δt1,经过光电门2的时间为Δt2,多次实验,取平均值。已知当地重力加速度g取10 m/s2。
(1)用游标卡尺测出遮光条的宽度,示数如图乙所示,则宽度d= cm。
解析:(1)依题意,读数为d=1 cm+12×0.05 mm=1.060 cm。
答案:(1)1.060
(2)若某次滑块经过光电门1时,光电门1计时Δt1=0.025 s,计算此时滑块的速度为v= m/s。(结果保留2位有效数字)
(3)本实验除了d、Δt1、Δt2外还需要测量的物理量为 。 A.出发点A到O点的距离xB.出发点A到光电门1的距离sC.光电门1、2之间的距离L
9.(2022·广东佛山二模)某同学设计用图甲所示的装置测量当地的重力加速度。
(1)跨过滑轮组的不可伸长的轻绳两端分别与质量为M的钩码以及力传感器相连,通过力传感器可测出轻绳的拉力。质量为m的重物通过动滑轮挂在轻绳上。重物的下端与纸带相连,让纸带穿过打点计时器上的 。
解析:(1)根据打点计时器的使用规则可知,重物的下端与纸带相连,让纸带穿过打点计时器上的限位孔。
(2)接通电源、释放钩码、重物 (选填“上升”或“下落”),打点计时器在纸带上打出一系列的点,如图乙所示,记下此时力传感器的示数F,已知打点计时器使用的交变电源的频率为50 Hz,相邻两计数点之间还有四个点未画出,由图中的数据可知,重物的加速度a= m/s2(结果保留3位有效数字)。
答案:(2)上升 2.40
(3)改变钩码的质量,重复实验步骤(2),得到多组数据。(4)由实验得到重物的加速度a与力传感器示数F的关系如图丙所示,则当地的重力加速度g= (用图中字母表示),该实验误差的主要来源是 。
答案:(4)b 滑轮组与轻绳间的摩擦,纸带与打点计时器间的摩擦阻力,纸带上点间距测量等的误差
由表中数据可得,小铜块沿斜面下滑的加速度大小为 m/s2,小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为 。(结果均保留2位有效数字,重力加速度大小取9.80 m/s2)
答案:0.43 0.32
(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒,则图乙中直线斜率的理论值为 。
(2)由图乙得:直线的斜率为 ,小钢球的重力为 N。(结果均保留2位有效数字)
答案:(2)-2.1 0.59
(3)该实验系统误差的主要来源是 (填正确答案标号)。 A.小钢球摆动角度偏大B.小钢球初始释放位置不同C.小钢球摆动过程中有空气阻力
解析:(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力,使得机械能减小,故选C。
(1)首先将未安装薄板的小车置于带有定滑轮的木板上,然后将纸带穿过打点计时器与小车相连。(2)用垫块将木板一端垫高,调整垫块位置,平衡小车所受摩擦力及其他阻力。若某次调整过程中打出的纸带如图b所示(纸带上的点由左至右依次打出),则垫块应该 (选填“往左移”“往右移”或“固定不动”)。
解析:(2)由题图b可知,从左往右点间距逐渐增大,说明小车做加速运动,即平衡摩擦力过度,应减小木板的倾角,即将垫块往右移。
(3)在细绳一端挂上钩码,另一端通过定滑轮系在小车前端。(4)把小车靠近打点计时器,接通电源,将小车由静止释放。小车拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图c所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,纸带上标出的每两个相邻计数点之间还有4个打出的点未画出。打出F点时小车的速度大小为 m/s(结果保留2位小数)。
答案:(4)0.15
(5)保持小车和钩码的质量不变,在小车上安装一薄板。实验近似得到的某时刻起小车v-t图像如图d所示,由图像可知小车加速度大小 (选填“逐渐变大”“逐渐变小”或“保持不变”)。据此可以得到的实验结论是 。
解析:(5)v-t图像的斜率表示加速度,所以由图像可知,小车加速度大小逐渐变小;小车加速度随速度的增大而变小,根据牛顿第二定律可知,小车所受合外力F随速度的增大而变小。装上薄板后,设小车所受空气阻力大小为f,则F=FT-f,对钩码受力分析知,细绳拉力FT逐渐变大,故由此得到的结论是空气阻力随速度增大而增大。
答案:(5)逐渐变小 空气阻力随速度增大而增大
1.力学实验创新方向(1)实验器材的等效与替换。①用气垫导轨代替长木板:应调整导轨水平,不必平衡摩擦力。②用光电门、频闪相机、手机录像等代替打点计时器。③用力传感器或已知质量的钩码等代替弹簧测力计。(2)实验结论的拓展与延伸。①由测定加速度延伸为测定动摩擦因数。通过研究纸带、频闪照片或光电装置得出物体的加速度,再利用牛顿第二定律求出物体所受的阻力或小车与木板间的动摩擦因数。②由测定加速度延伸为测定交流电的频率。
(3)试题情境的设计与创新。对于创新型实验的处理,最根本的方法是把物理模型从新情境中分离出来,找出与常规实验的相通之处,然后运用熟悉的实验原理和数据处理方法进行解答。(4)探究思路和仪器的创新。对于创新型实验,采取新颖的思路或者常见的身边仪器,可以起到快捷探究的效果,解决此类问题就是抓住事物的本质,分析问题,解决问题。2.力学创新实验题的3个特点(1)以基本的力学模型为载体,依托运动学规律和力学知识设计实验。(2)将实验的基本方法——控制变量法,处理数据的基本方法——图像法、逐差法等融入实验的综合分析之中。(3)在试题表现形式上,由单一、基本的形式向综合、开放的形式发展;在试题内容的变化上,主要有实验目的和实验原理的迁移,实验条件和实验方法的改变,实验器材和实验数据处理的变换,演变计算题为实验问题等。
3.创新实验题的解法(1)根据题目情境,提取相应的力学模型,特别注意同一实验原理而不同实验目的情况。例如以熟知的平抛运动实验为背景可以考查的实验有:研究抛体运动,动量守恒定律,动量定理,测定动摩擦因数等等。(2)明确实验的理论依据和实验目的,设计实验方案。(3)进行实验,记录数据,应用原理公式或图像法处理实验数据。(4)结合物体实际受力情况和理论受力情况对结果进行误差分析。
10.(2022·贵州黔南模拟)某中学的物理航天兴趣小组通过观看“天空授课”引发思考,设计了一款可以在太空中测量物体质量的实验装置如图甲所示。有一圆盘桌面上放置一个质量未知的小球,小球与弹簧测力计通过细线连接,细线通过圆盘上的一个小孔,弹簧测力计的另一端通过另一细线固定于水平面上,A与B为同一个光电门的激光发射器和接收器,B与数字计时器相连,实验时可认为激光与小球的直径在一条直线上。小球处于太空环境中可认为与桌面无挤压,开始实验时轻推小球。
(1)通过游标卡尺测出小球的直径如图乙所示,请读出小球的直径d= cm。
解析:(1)游标卡尺的分度值为0.05 mm,故读数为d=1.6 cm+10×0.05 mm=1.650 cm。
答案:(1)1.650
(2)弹簧测力计的示数如图丙所示,请读出力F= N。
解析:(2)由题图丙所示弹簧测力计可知,其分度值为0.2 N,示数为2.4 N。
(3)实验中测出小球运动的半径为r,通过光电门的时间为Δt。(4)请写出小球质量的表达式m= (结果用F、d、r、Δt表示)。
11.(2022·江西鹰潭二模)图示装置可用来验证动量守恒定律。一段长为l的细绳一端与力传感器(图中未画出,传感器的体积忽略不计,它可以实时记录绳所受的拉力大小)相连,固定在O点,另一端连接一个质量为m1、直径为d的小钢球A。在小钢球自然下垂时在其最低点N的右侧放置一气垫导轨,气垫导轨左端放有质量为m2的小滑块B(B上安装有宽度为d的遮光片,遮光片的质量忽略不计),右侧安装有光电门1和光电门2(它们分别与数字毫秒计连接,数字毫秒计可记录遮光片挡光的时间)。当地的重力加速度为g。
将气垫导轨调整为水平,并调整好气垫导轨的高度,确保小钢球A通过最低点时恰好与滑块B发生正碰;调整滑块B的位置使小钢球自由下垂静止在N点时与滑块B接触而无压力作用。
(1)将小钢球A从某位置由静止释放,摆到最低点N与滑块B发生碰撞。若小钢球A与滑块B碰撞前瞬间,拉力传感器的示数为F1,则小钢球A与滑块B碰撞前的速度大小为 。(用题中已给出的物理量符号表示)
(2)为完成实验,除了要记录数字毫秒计的读数Δt外,还需要记录的信息有 。
解析:(2)要验证动量守恒定律,还需要记录的信息有碰撞结束瞬间力传感器的示数F2(通过它可计算得到小钢球A碰撞后的速度大小)和小钢球A的运动方向。
答案:(2)碰撞结束瞬间力传感器的示数F2和小钢球A的运动方向
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