第10讲 力学实验中常考的3个问题Word文档下载推荐.docx

第10讲 力学实验中常考的3个问题Word文档下载推荐.docx

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1．毫米刻度尺的读数：

精确到毫米，毫米后再估读一位．

2．游标卡尺的读数：

测量值＝主尺上的读数＋m×

n（其中m为游标卡尺的精确度，n为游标尺上与主尺上某刻度线对齐的格数）．

3．螺旋测微器的读数

测量值＝固定刻度＋可动刻度×

0.01mm.

三、验证性实验

1．实验名称：

验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、验证机械能守恒定律．

2．实验方法

（1）对于现象直观明显或者只需讨论的验证性实验问题，常常通过观察分析进行证实；

（2）对有测量数值且实验要求根据数据分析验证结果的，一般要进行分析归纳，通过作图、计算、测量进行比较验证．

3．实验拓展

随着高考改革逐步深入，验证性实验试题逐渐减少，往往将验证性实验变化为设计性、探究性、研究性实验，对于这种实验题型的变化，我们复习时要引起足够的重视．

四、探究性实验

探究弹力和弹簧伸长的关系、探究动能定理．研究匀变速直线运动．

2．实验方法：

按照题目要求设计实验方案，探究某种规律或研究物理量之间的关系，根据实验数据得出实验结论，题目一般以教材基本实验为原型或以学过的知识为基础，新颖灵活，具有开放性．

3．实验过程的比较

类型

探究性实验

验证性实验

实验过程

①提出问题

②猜想与假设

③制定计划与设计实验方案

④进行实验与收集数据

⑤分析与论证

⑥评估

⑦交流与合作

①实验目的

②实验器材

③实验原理

④实验步骤

⑤数据分析

⑥实验结论

读图究理

1．验证性实验

2．探究性实验

常考问题1

【例1】（2012·

课标全国卷，22）某同学利用螺旋测微器测量一金属板的厚度．该螺旋测微器校零时的示数如图10－1（a）所示，测量金属板厚度时的示数如图（b）所示．图（a）所示读数为________mm，图（b）所示读数为________mm，所测金属板的厚度为________mm.

本题考查螺旋测微器的读数，考查考生的实验探究能力，难度较小

某同学在测量一均匀新材料制成的圆柱体的电阻率ρ时：

（1）用游标尺为20分度的卡尺测量其长度如图10－2甲，由图可知其长度为________cm；

（2）用螺旋测微器测量其直径如图乙，由图可知其直径为________mm.,读数记法

1．毫米刻度尺

长度测量的基本工具是刻度尺，其最小分度一般为1mm（此时叫做毫米刻度尺）．毫米刻度尺可以精确读到mm位、估读到

mm位（能读取十分之几毫米）．估读的“0”不能舍弃．

2．游标卡尺的读数

游标尺（mm）

精度（mm）

测量结果（游标尺上第n条刻度线与主尺上的某刻度线对齐时）（mm）

刻度格数

刻度总长度

每小格与1毫米差

10

9

0.1

主尺上读的毫米数＋0.1n

20

19

0.05

主尺上读的毫米数＋0.05n

50

49

0.02

主尺上读的毫米数＋0.02n

3.螺旋测微器的读数

测量值＝固定刻度整毫米数＋半毫米数＋可动刻度读数（含估读）×

4．关于估读问题：

游标卡尺不需要估读；

毫米刻度尺、螺旋测微器需要估读．

常考问题2

【例2】（2012·

山东卷，21

（1））某同学利用图10－3甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）．从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50Hz.

甲

乙

（1）通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点________和________之间某时刻开始减速．

（2）计数点5对应的速度大小为________m/s，计数点6对应的速度大小为________m/s.（保留三位有效数字）

（3）物块减速运动过程中加速度的大小为a＝________m/s2，若用

来计算物块与桌面间的动摩擦因数（g为重力加速度），则计算结果比动摩擦因数的真实值________（填“偏大”或“偏小”）．

解析　

（1）从计数点1到6相邻的相等时间内的位移差Δx≈2.00cm，在6、7计数点间的位移比5、6之间增加了（12.28－11.01）cm＝1.27cm<

2.00cm，因此，开始减速的时刻在计数点6和7之间．

（2）计数点5对应的速度大小为v5＝

＝

m/s＝1.00m/s.计数点4对应的速度大小为v4＝

m/s＝0.80m/s.

根据v5＝

，得计数点6对应的速度大小为v6＝2v5－v4＝（2×

1.00－0.80）m/s＝1.20m/s.

（3）物块在计数点7到11之间做减速运动，根据Δx＝aT2得x9－x7＝2a1T2

x10－x8＝2a2T2

故a＝

≈－2.00m/s2

物块做减速运动时受到的阻力包括水平桌面的摩擦阻力和打点计时器对纸带的摩擦阻力，因此根据牛顿第二定律，得μmg＋f＝ma，即μ＝

，因此用μ′＝

计算出的动摩擦因数比μ的真实值偏大．

答案　

（1）6　7（或7　6）　

（2）1.0　1.2　（3）2.00　偏大

如图10－5甲所示为“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置．

（1）在实验过程中，

打出了一条纸带如图乙所示，计时器打点的时间间隔为0.02s，从比较清晰的点起，每两测量点间还有4个点未画出，量出相邻测量点之间的距离如图乙所示，该小车的加速度大小a＝________m/s2（结果保留两位有效数字）．

（2）根据实验收集的数据作出的a－F图线如图10－6所示，请写出一条对提高本实验结果准确程度有益的建议____________________．

用如图10－7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，输出电压为6V的交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始下落．重锤上拖着的纸带打出一系列的点．对纸带上的点痕进行测量和计算，即验证机械能守恒定律．

（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：

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,借题发挥

1．打点计时器的正确使用

（1）先接通电源，再释放纸带；

（2）电磁打点计时器工作电压为低压交流4～6V；

电火花计时器工作电压为交流220V.

2．如何选取纸带和计数点

要选取点迹清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，在便于测量的地方取一个开始点O，然后每5个点取一个计数点，依次为A、B、C…如图10－4所示，测出相邻计数点间的距离x1、x2、x3、x4、x5、x6…利用打下点的纸带和测量的有关数据便可以进行计算．

3．求任一计数点对应的瞬时速度v：

如vB＝

（其中T＝5×

0.02s＝0.1s）；

4．利用“逐差法”求加速度a：

a＝

；

5．判定物体运动的性质：

若x1、x2、x3…基本相等，物体在实验误差允许范围内做匀速运动；

若Δx＝xm－xn基本相等（xm、xn为纸带上相邻的两段位移），物体在实验误差允许范围内做匀变速直线运动．

●特别提醒

（1）验证牛顿第二定律时

①实验用的是控制变量法；

②将砂桶或钩码重力视为小车所受合外力，必须满足小车和砝码的总重量远远大于砂桶的重量；

③在平衡摩擦力时，要将一端垫高，不要悬挂小桶，但小车应连着纸带且接通电源．

（2）验证机械能守恒定律时

①实验的打点计时器竖直安置，保持提起的纸带竖直放置，先接通打点计时器再放开纸带．

②速度不能用v＝gt或v＝

求得：

必须由打点计时器打出的纸带或其他工具求得．

③误差分析：

本实验采取分析纸带的方法求每一点的瞬时速度，即物体下落的实际速度．由于摩擦阻力的存在，利用所测得的速度计算的动能的增加量总略小于重力势能的减少量，这是产生系统误差的主要原因．另外，用刻度尺测纸带上点与点之间距离时，也可能造成误差．

D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带

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或者操作不当的步骤是________．（将其选项对应的字母填在横线处）

（2）利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值．如图10－8所示，根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出点A距起始点O的距离为x0，点A、C间的距离为x1，点C、E间的距离为x2，使用交流电的频率为f，根据这些条件计算重锤下落的加速度a＝________.

（3）在上述验证机械能守恒定律的实验中发现，重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是在重锤下落的过程中存在阻力作用，可以通过该实验装置测阻力的大小．若已知当地重力加速度的值为g，还需要测量的物理量是________．试用这些物理量和上图纸带上的数据符号表示出重锤在下落的过程中受到的平均阻力大小F＝________.,　

常考问题3

【例3】（2012·

江苏卷，11）

为测定木块与桌面之间的动摩擦因数，小亮设计了如图10－9所示的装置进行实验．实验中，当木块A位于水平桌面上的O点时，重物B刚好接触地面．将A拉到P点，待B稳定后静止释放，A最终滑到Q点．分别测量OP、OQ的长度h和s.改变h，重复上述实验，分别记录几组实验数据．

（1）实验开始时，发现A释放后会撞到滑轮．请提出两个解决方法．

（2）请根据下表的实验数据作出sh关系的图象．

h/cm

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

s/cm

19.5

28.5

39.0

48.0

56.5

（3）实验测得A、B的质量分别为m＝0.40kg、M＝0.50kg.根据sh图象可计算出A木块与桌面间的动摩擦因数μ＝________.（结果保留一位有效数字）

（4）实验中，滑轮轴的摩擦会导致μ的测量结果________（选填“偏大”或“偏小”）．

解析　

（1）A释放后撞到滑轮是因为B对A做的功过多或A克服摩擦力做功少，若要不撞滑轮则可减少B对A做的功或增大摩擦力做的功，方法有减小B的质量或减小h（B下落的高度）；

增大A的质量或增大O到滑轮的距离；

亦可增加细线长度，任选两法即可．

（2）见右图．

（3）设A到O点时速度为v，则PO段有：

v2－0＝2a1h，OQ段有：

0－v2＝2a2s，故sh图象的斜率k＝

，由牛顿运动定律知：

在PO段：

Mg－μmg＝（M＋m）a1，得a1＝

，OQ段：

μmg＝ma2，a2＝μg，将a1、a2代入k＝

可得：

μ＝

，由图象得出k＝

，代入上式可得μ＝0.4.（4）因滑轮轴摩擦产生的效果相当于A与桌面间摩擦力比实际的大，即导致μ测量结果偏大．

答案　

（1）见解析　

（2）见解析　（3）0.4　（4）偏大

某实验小组在实验室用如图10－10甲所示的装置来研究加速度和有关能量的问题．

图10－10

（1）为了尽可能减小摩擦力的影响，打点计时器最好选用（填“电磁”或“电火花”）________式打点计时器，同时需要将长木板的右端垫高（即平衡摩擦力，下面实验均有此步骤），直到在没有砂桶拖动下，小车拖动纸带穿过计时器时能________．

（2）同学A采用图甲的装置来研究小车运动的加速度和某时刻的速度，在此实验中，此同学先接通计时器的电源，再放开纸带，砂和砂桶的总质量m＝80g，小车的质量M＝2kg，如图乙是打出的一条纸带，O为起点，A、B、C、D、E为过程中的五个相邻的计数点，相邻的计数点之间有四个点没有标出，则小车的加速度为a＝________m/s2，打C点时小车的速度为vC＝________m/s.（保留两位有效数字）

（3）同学B若用此实验装置来验证砂和砂桶以及小车组成的系统机械能守恒，以OC段的运动为例（设OC的距离为hC），其实验数据应满足的关系式是________．（用本题的符号表示，不要求计算结果）,借题发挥

●用图象处理数据的解题技巧

图象法是物理实验中广泛应用的处理实验数据的方法，以下为作图的规则：

（1）作图一定要用坐标纸，坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定；

（2）要标明轴名、单位，在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值；

（3）图上的连线不一定通过所有的数据点，应尽量使数据点合理地分布在线的两侧；

（4）作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化，即“变曲为直”．

虽然图象法有许多优点，但在图纸上连线时有较大的主观任意性，另外连线的粗细、图纸的大小、图纸本身的均匀程度等，都对结果的准确性有影响．

●处理数据的常用方法

（1）计算法

（2）图象法

1．如图10－11甲、乙所示，游标卡尺的示数为________cm；

螺旋测微器的示数为________mm.

2．如图10－12所示，在“力的平行四边形定则”的实验探究中，某同学进行实验的主要步骤是：

将橡皮条的一端固定在木板上的A点，另一端拴上两根带有绳套的细绳，每根绳套分别连着一个弹簧测力计．沿着两个方向拉弹簧测力计，将橡皮条的活动端拉到某一位置，将此位置标记为O点，读取此时弹簧测力计的示数，分别记录两个拉力F1、F2的大小并标出方向；

再用一个弹簧测力计将橡皮条的活动端仍拉至O点，记录其拉力F的大小和方向．

（1）用一个弹簧测力计将橡皮条的活动端仍拉到O点，这样做的目的是______________________________________________________．

（2）（多选）为尽可能减小实验误差，下列操作中正确的是________．

A．弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行

B．两细绳必须等长

C．标记同一细绳方向的两点要远些

D．用两弹簧秤同时拉细绳时夹角应尽可能大

3．某小组利用如图10－13甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系．

（1）将滑块从图甲位置由静止释放，由数字计时器（图中未画出）可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt1、Δt2；

用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x，用游标卡尺测得遮光条宽度d，则滑块经过光电门1时的速度表达式v1＝________；

经过光电门2时的速度表达式v2＝________.滑块加速度的表达式a＝________.（以上表达式均用已知字母表示）．如图乙，若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，其读数为________mm.

（2）为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h（见图甲）．关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端的高度h”的正确操作方法是________．

A．M增大时，h增大，以保持二者乘积增大

B．M增大时，h减小，以保持二者乘积不变

C．M减小时，h增大，以保持二者乘积不变

D．M减小时，h减小，以保持二者乘积减小

4．某同学使用有透光狭缝的钢条和光电计时器的装置测量重力加速度（如图10－14甲所示）．在钢条下落过程中，钢条挡住光源发出的光时，计时器开始计时，透光时停止计时，若再次挡光，计时器将重新开始计时．实验中该同学将钢条竖直置于一定高度（下端A高于光控开关），由静止释放，测得先后两段挡光时间t1和t2.

（1）用游标卡尺测量AB、AC的长度，其中AB的长度如图乙所示，其值为________mm.

（2）若狭缝宽度不能忽略，则该同学利用h＝

gt2，x＝vt，

AC＝

，g＝

及相关测量值得到的重力加速度值比其真实值________（填“偏大”或“偏小”）．

5．（2012·

苏北四市第三次调研）某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图10－15甲所示．在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B，滑块P上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连．滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器A、B时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U随时间t变化的图象．

（1）实验前，接通气源，将滑块（不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的Δt1________Δt2（选填“>

”“＝”或“<

”）时，说明气垫导轨已经水平．

（2）用螺旋测微器测遮光条宽度d，测量结果如图丙所示，则d＝________mm.

（3）滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码Q相连，将滑块P由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图象如图乙所示，若Δt1、Δt2和d已知，要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒，还应测出________和________（写出物理量的名称及符号）．

（4）若上述物理量间满足关系式________，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒．

【常考问题】

【例1】

解析　题图（a）的读数为1.0×

0.01mm＝0.010mm.题图（b）的读数为6.5mm＋37.0×

0.01mm＝6.870mm，故金属板的厚度d＝6.870mm－0.010mm＝6.860mm.

答案　0.010　6.870　6.860

预测1

解析　

（1）从题图甲可以看出，主尺读数为50mm，游标尺的第3条刻度线和主尺上的一刻度线对齐，则读数应为50mm＋0.05×

3mm＝50.15mm＝5.015cm；

（2）由题图乙可以看出，螺旋测微器的固定刻度为4.5mm，可动刻度读出刻度为20.0（或20.1）×

0.01mm＝0.200mm（或0.201mm），故圆柱体的直径为4.5mm＋0.200mm（或0.201mm）＝4.700mm（或4.701mm）．

（1）5.015　

（2）4.700（或4.701）

预测答案

（1）0.16（0.15也算对）

（2）实验前要先平衡摩擦力

预测3

解析　

（1）因本实验中是通过比较重锤的重力势能减少量mghn和动能增加量

mv

的大小来达到验证的目的，对于同一个研究对象（重锤）来说，质量是一定的，故只需比较ghn和

v

就能达到目的，选项C是没有必要的，选项B、D是错误的，选项B中应将打点计时器接到电源的“交流输出”上；

选项D中应先接通电源开关再释放纸带；

（2）由Δx＝aT2，得a＝

（3）由牛顿第二定律得平均阻力F＝mg－ma，所以应测量重锤的质量m，代入加速度公式得F＝mg－

.

答案　

（1）BCD　

（2）

　（3）重锤的质量m

mg－

预测4

解析　

（2）小车的加速度a＝

＝0.38m/s2，C点时刻小车的瞬时速度等于AE段的平均速度，vC＝

AE＝

×

10－2m/s＝0.22m/s；

（3）系统机械能守恒，有关系式：

mghC＝

（m＋M）v

答案　

（1）电火花　匀速直线运动　

（2）0.38　0.22

（3）mghC＝

【随堂演练】

参考答案

1．解析　游标卡尺的示数为：

13mm＋0.05×

9mm＝13.45mm＝1.345cm.

螺旋测微器的示数为：

6.5mm＋0.01×

29.0mm＝6.790mm.

答案　1.345　6.788～6.792

2．解析　

（1）实验中，两次拉至同一点O，可知其目的为了等效替代，效果相同．

（2）实验中尽可能做到，平行拉力，保证力的方向；

标记过程中两点描绘一条直线，两点尽可能要远点；

两弹簧夹角适中为宜．答案选A、C.

答案　

（1）与F1、F2共同作用的效果相同　

（2）AC

3．解析　考查探究牛顿第二定律实验并综合其他相关知识．从题中看，遮光条的宽度极小，因而可以将滑块通过光电门时的速度近似看作不变，所以v1＝

、v2＝

.我们用气垫导轨做实验时往往忽略物体与轨道间的摩擦，所以滑块的合力为Mgsinθ＝g

，其中θ为导轨与水平面的夹角，L为导轨长度．题中要求合力不变，则选B、C.

答案　

（1）

　8.15　

（2）BC

4．解析　根据实验的已知条件可知g的真实值应为g′＝

，由于狭缝不能忽略，故t>

t1＋t2，设t＝t1＋t2＋Δt，则g′＝

，显然测量值比真实值偏大．

答案　

（1）74.3　

（2）偏大

5．

（1）＝　

（2）8.474（在8.473～8.475之间均算对）

（3）滑块质量M　两光电门间距离L

（4）mgL＝

（M＋m）

2－

2