中考物理二轮复习核心素养提升专题10 物理探究实验（5）——机械和功中的2个探究实验练习 （含解析）

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探究实验一：探究影响动能大小的因素
【猜想与假设】
物体动能的大小跟哪些因素有关？动能的大小可能与物体的速度、质量等因素有关，且速度越大、质量越大，物体的动能越大。
【设计实验】
1. 实验器材：质量不同的钢球、木块、斜面等。

如图所示，钢球A从高为h的斜槽上滚下，在水平面上运动，运动的钢球A碰到木块B后，能将B撞出一段距离s。在同一水平面上，B被撞得越远，A对B做的功就越多，A的动能越大。
2. 实验方法：
①转换法：通过被撞物体运动的距离s来反映动能的大小。。
②控制变量法：在探究动能大小可能与物体运动速度、物体质量有关时，每次实验这两个变量只能变化一个。
3. 实验记录表格
【进行实验与收集证据】
探究1：探究动能大小与速度的关系：
控制质量不变，改变速度的方法：同一小球从不同高度滚下。
让同一钢球（质量不变）A分别从不同的高度由静止开始滚下，撞击木块B，观察并测量前后两次木块B被撞移动的距离。把数据记入表格。
次数
质量m/kg
高度
h/cm
推动木块
的距离s/cm
1
0.1
10
15
2
0.1
15
36
3
0.1
20
67


探究2：探究动能大小与质量的关系：
控制速度不变，改变质量的方法：质量不等的小球从同一高度滚下。
改变钢球的质量，让不同的钢球A、 A＇分别从同一高度由静止开始滚下（控制与木块碰撞前的速度相等），观察并测量前后两次木块B被撞移动的距离。发现第一次木块B被撞移动的距离远。
次数
质量
m/kg
高度
h/cm
推动木块
的距离s/cm
1
0.1
10
17
2
0.2
10
44
3
0.3
10
65


【分析与论证】
1. 探究1中：当钢球质量相同时，钢球达到斜面底端速度越大，木块被撞击滑行的距离越远，说明钢球的动能与速度有关，速度越大，动能越大。
2. 探究2中：当钢球达到斜面底端速度相同时，钢球质量越大，木块被撞击滑行的距离越远，说明钢球的动能与质量有关，质量越大，动能越大。
3. 实验结论
物体动能的大小跟速度、质量有关，质量相同的物体，运动的速度越大，它的动能越大；运动速度相同的物体，质量越大，它的动能也越大。
【交流与讨论】
（1）使钢球获得动能的方法：将钢球由斜面某一高度静止释放（重力势能转化为动能）。
（2）将质量不同的钢球放在斜面上同一高度处静止释放的目的：控制钢球达到斜面底端时具有相同的初速度（钢球的速度与质量无关）。
（3）将质量相同的钢球由斜面上不同位置静止释放的目的：改变钢球达到斜面底端时的初速度。
（4）水平面绝对光滑时对实验的影响：当水平面绝对光滑时，物体将一直做匀速直线运动。钢球撞击木块后木块移动的距离无法确定，钢球动能的大小无法比较。
（5）实验中能量的转化。
①小球从斜面上由静止下落，下滑过程中重力势能转化为动能和内能；木块在水平面上运动时动能转化为内能。
②钢球在运动过程中机械能不守恒，机械能减少量最终转化为内能。
（6）实验改进：
①木块被撞后滑出木板的解决办法：换质量更大的木块，换质量更小的钢球，换更长的木板。
②木块质量较大，确保实验现象较明显：增大钢球滚下的高度。
③不用木块的实验改进：在桌上铺一条毛巾，钢球在毛巾上表面滚动的距离来反映动能的大小。
（7）实验结论的应用：生活中超载、超速的危害（超速时速度大，超载时质量大，则动能大，危险性大）。
【例题1】如图所示是“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验装置图.

（1）本实验使钢球获得动能的操作方法是 。
（2）实验中，是通过观察 来比较钢球动能大小的。
（3）让同一钢球分别从同一斜槽的不同高度由静止开始滚下，是为了探究动能的大小与 的关系。
（4）让不同质量的钢球从同一斜槽的同一高度由静止开始滚下，为了探究动能的大小与 的关系。
（5）让同一钢球从斜槽上的不同高度由静止开始滚下，记录的实验数据如表1所示，分析表中数据可得，当质量相同时，钢球下落的高度越高，钢球运动到水平面时的速度越 ，木块被撞得越远，这反映出物体的动能与物体的 （选填“质量”或“速度”）有关.
（6）让质量不同的钢球从斜槽上的同一高度由静止开始滚下，记录的实验数据如表2所示，分析表中数据可得，当钢球从斜槽上滚下的高度相同时，质量越 的钢球将木块撞得越远，这反映出物体的动能与物体的 （选填“质量”或“速度”）有关.
（7）若斜槽光滑，钢球从斜槽顶端由静止滚到底部的过程中，其机械能 （选填“变大”“不变”或“变小”）.
（8）在某次实验过程中，木块被撞后滑出木板，此时需要重做实验，甲同学建议换用同样的较长的木板，乙同学建议换一个较大的木块，丙同学建议降低钢球下落的高度.你认为应当采用 同学的建议.
（9）根据实验现象可知，钢球撞击木块后，最终会静止在长木板上，有同学认为，这是因为钢球的机械能凭空消失了，你认为该同学的观点正确吗? ，原因是__________。
【答案】（1）让钢球从斜面上的某一高度处自由滚下；（2）木块被撞出的距离的远近；（3）速度；（4）质量；（5）大，速度；（6）大，速度；（7）不变；（8）甲；（9）不正确，机械能不会凭空消失，是转化成了内能。
【解析】（1）本实验使钢球获得动能的操作方法是让钢球从斜面上的某一高度处自由滚下。
（2）实验中，是通过观察木块被撞出的距离的远近来比较钢球动能大小的，推动木块运动距离越远，小球做的功越多，动能越大。
（3）让同一钢球分别从同一斜槽的不同高度由静止开始滚下，质量不变，速度不同，是为了探究动能的大小与速度的关系。
（4）让不同质量的钢球从同一斜槽的同一高度由静止开始滚下，速度相等，为了探究动能的大小与 质量的关系。
（5）让同一钢球从斜槽上的不同高度由静止开始滚下，分析表1中数据，当质量相同时，钢球下落的高度越高，钢球运动到水平面时的速度越大，木块被撞得越远，这反映出物体的动能与物体的速度有关，速度越大，动能越大.
（6）让质量不同的钢球从斜槽上的同一高度由静止开始滚下，分析表2中数据，当钢球从斜槽上滚下的高度相同时，速度相同，质量越大的钢球将木块撞得越远，这反映出物体的动能与物体的质量有关，质量越大，动能越大.
（7）若斜槽光滑，即没有摩擦阻力，则钢球从斜槽顶端由静止滚到底部的过程中，其机械能不变.
（8）该实验探究的是动能与质量的关系，根据控制变量法可知，其他条件都应该相同. 动能的大小通过木块移动的距离体现，实验中木块被撞后滑出木板，因此只能增加木板的长度，应采用甲的建议；乙换一个较大的木块无法比较动能的大小，丙降低钢球下落的高度，改变了速度，都无法获得结论。
（9）钢球撞击木块后，因为与木板之间存在摩擦力，所以最终会静止在长木板上，钢球的机械能转化成了内能，并没有凭空消失所以该同学的观点不正确.
探究实验二：探究杠杆平衡的条件
【设计与实验】
1. 实验器材：杠杆、钩码若干、铁架台、刻度尺。
2. 实验步骤：
①把杠杆支在支架上，调节平衡螺母，使杠杆在水平方向平衡；
②把三个钩码挂在杠杆两侧（左边2个，右边1个），移动钩码的位置，使杠杆仍在水平方向平衡（下图）。把支点左方的钩码对杠杆的作用力（等于钩码受的重力）当作阻力，把支点右方的钩码对杠杆的作用力当作动力，将动力F1，动力臂L1，阻力F2，阻力臂L2的数值填入表中。
③在左方钩码下再增加2个钩码，位置不变，移动右方钩码位置，使杠杆重新在水平方向平衡，将实验数据也填入表中。
④在杠杆两侧挂上个数相同的钩码，移动钩码位置，使杠杆在水平位置平衡，将测得的力和力臂记在表中。
⑤如下右图所示，把钩码挂在杠杆一侧，用弹簧测力计在同侧竖直向上拉住杠杆，使杠杆在水平位置平衡，把钩码拉杠杆的力当作阻力，把弹簧测力计拉力当作动力，将力和力臂的数据填入表中。
实验记录
【分析和论证】由表格可知：动力与动力臂的乘积等于阻力与阻力臂的乘积。
【实验结论】
杠杆平衡条件：杠杆平衡时，动力×动力臂=阻力×阻力臂，用公式表示为 SKIPIF 1 < 0
【交流与评估】
（1）实验前调整杠杆在水平位置平衡（第一次）：
①平衡螺母调节原则：左偏右调，右偏左调；
②在水平位置平衡的目的：方便测量力臂；
③让杠杆的重心在支点上的目的：重力的力臂为0，消除杠杆的重力对实验的影响。
（2）实验时让杠杆在水平位置平衡（第二次）的目的：可以直接读出力臂的大小。
（3）实验多次测量的目的：改变钩码的质量和钩码的位置，使结论具有普遍性；
（4）将一端钩码换成弹簧测力计的目的：
①好处：能直接读出拉力的大小，实验操作更方便；
②可以改变拉力的方向：竖直向下拉动（与钩码同侧时竖直向上拉动）；弹簧测力计从竖直拉变为倾斜拉，拉力力臂变小，测力计示数变大；
（5）杠杆处于平衡状态的判断：静止或匀速转动状态。
（6）在杠杆支点处用弹簧测力计施加一个垂直杠杆向上的力是否会影响杠杆的平衡：不影响，这个力的力臂为0。
（7）弹簧测力计斜拉和竖直拉方案的评估。
（8）杠杆平衡条件在生活中的应用。
（9）实验中，为了方便测量力臂，所以力臂和力都是垂直关系，容易误导得出杠杆的平衡条件是：动力×动力作用点到支点距离=阻力×阻力作用点到支点距离。因此应该改变力的方向进行实验。
【例题1】下图是小净利用刻度均匀的杠杆探究“杠杆平衡条件”的实验装置。
（1）实验前没挂钩码，杠杆静止的位置如图甲，为使杠杆在水平位置平衡，应将螺母向______（选填“左”或“右”）端调节；
（2）在杠杆调整到水平位置平衡后，利用钩码和刻度尺测量出杠杆平衡时各个力及其力臂，测得数据如下表：由以上实验数据，可得出杠杆的平衡条件是：______；
（3）进行3次实验的目的是______（单项选择，选填正确答案标号）；
A．取平均值减小误差 B．归纳出物理规律 C．使每组数据更准确
（4）如图乙，由杠杆的平衡条件可知杠杆的______（选填“左”或“右”）端会下沉；要使杠杆重新在水平位置平衡，在不改变两侧钩码各自数量的前提下，仅需把左侧钩码______；
（5）如图丙，用同一弹簧测力计两次挂在杠杆的同一位置用力拉（不超过弹簧测力计的量程），均使杠杆在水平位置平衡，弹簧测力计第二次的示数比第一次的示数______（选填“大”或“小”）；
（6）如图丁，有一左粗右细的直木棒，悬挂使其水平平衡，仍利用钩码和刻度尺，使用该直木棒______（选填“能”或“不能”）探究杠杆平衡条件；
（7）如图戊，杆秤是我国古老的衡量工具，现今人们仍然在使用。根据杠杆平衡条件，杆秤的刻度应是______的（选填“均匀”或“非均匀”）。
【答案】（1）右；（2）F1l1=F2l2 ；（3）B；（4）左，向右移动一格；（5）大；（6）能；（7）均匀.
【解析】（1）如图甲，杠杆左低右高，为使杠杆在水平位置平衡，应将平衡螺母向右端调节。
（2）分析表格中数据可知，每次杠杆平衡时，动力与动力臂的乘积都等于阻力与阻力臂的乘积，所以杠杆平衡的条件是F1l1=F2l2
（3）为避免偶然因素，获得杠杆平衡的普遍性规律，应改变钩码数量及位置，多次实验，故B符合题意，AC不符合题意。故选B。
（4）如图乙，设杠杆上每格长度为l，每个钩码的重力为G，由杠杆的平衡条件可知，左端力与力臂的乘积为4G×3l，右端力与力臂的乘积为2G×4l，
因为4G×3l>2G×4l，因此杠杆的左端会下沉。
要使杠杆重新在水平位置平衡，在不改变两侧钩码各自数量的前提下，仅需把左侧钩码向右移动一格，使4G×2l=2G×4l
（5）如图丙，杠杆在水平位置平衡时，根据力臂的定义可知，第二次拉力的力臂比第一次的小，在阻力和阻力臂一定时，动力臂越小，动力越大，所以弹簧测力计第二次的示数比第一次的示数大。
（6）木棒悬挂时在水平位置平衡，其重心在支点上，避免了杠杆自重对实验的影响，在其两端挂上数量不同的钩码，调整位置，使杠杆在水平位置平衡，用刻度尺测出力臂，就能探究杠杆平衡的条件。
（7）如图所示，当杆秤在水平位置平衡时，根据杠杆的平衡条件，有G物‧OA=G砣‧OB
则G物 =G砣‧OB /OA
由于G砣和OA是定值，所以OB与G物成正比，即杆秤的刻度应是均匀的。
综合练习
1．在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让质量不同的铁球从斜面的同一高度由静止释放，撞击同一木块，能将木块撞出一段距离。如图甲所示。请回答下列问题：
（1）从同一高度由静止释放的目的是______，该实验的目的是研究铁球的动能大小与______（选填“质量”或“速度”）的关系；
（2）该实验是通过观察______的大小，来说明铁球对木块做功的多少；
（3）本实验中若水平面绝对光滑则______（填能，或不能）完成实验，原因是______；
（4）有同学将实验装置改进成图乙所示，利用质量相同的铁球将同一弹簧压缩不同程度后静止释放，撞击同一木块，将木块撞出一段距离进行比较可以研究铁球的动能大小与______（选填“质量”或“速度”）的关系；
（5）该同学还想用质量不同的铁球将同一弹簧压缩相同程度后由静止释放，撞击同一木块，探究铁球的动能大小与质量的关系，这个设计方案是______（选填“正确”或“错误”）的，原因是______。
【答案】（1）使小球到达斜面的速度相同，质量；（2）木块移动的距离；（3）不能 ，铁球与木块将会做匀速直线运动；（4）速度；（5）错误，压缩程度相同，小球的动能相同，对木块做的功相同，木块移动的距离相同。
【解析】（1）根据实验的要求可知，从同一高度由静止释放的目的是控制到达水平面速度相同，该实验的目的是研究铁球的动能大小与质量的关系。
（2）实验中，是通过观察木块移动的距离的大小，来说明铁球对木块做功的多少，从而判断出铁球具有的动能的大小，这是转换法的运用。
（3）木块因受到摩擦力，最终静止；若水平面绝对光滑，根据牛顿第一定律，钢球和木块将永远一直运动下去，没有运动距离的远近之分，就不能达到比较距离来比较动能的目的了。
（4）质量相同的铁球将同一弹簧压缩不同程度后静止释放，撞击同一木块，将木块撞出一段距离进行比较；可以研究铁球的动能大小与速度的关系。
（5）观察图乙的装置可知，若用质量不同的铁球将同一弹簧压缩相同程度后静止释放，撞击同一木块，撞击的动能由弹簧的弹性势能转化而来，而弹簧的弹性势能的大小与形变程度有关，故弹簧势能相同，转化出的动能相同，因此，木块最终移动的距离相同，这样是不能完成实验目的。
2．芳芳设计用如图所示装置探究“物体的动能大小与哪些因素有关”，其中摆线的长度L相同，小球A、B的质量mA