第14讲 力学实验-2025年1月浙江省物理学业水平考试冲A计划

第14讲 力学实验 课 程 标 准 考点 【课程要求】 ◇知道常见仪器的使用，尤其是打点计时器。 ◇知道几个常见实验的操作。 ◇掌握实验数据处理方法。 【学业要求】 ◇会使用基本的力学实验器材获取数据。 ◇能用物理图像描述实验数据。 ◇能根据数据得出实验结论，知道实验存在误差。 ◇能描述科学探究的过程和结果。 ◇能明确实验需要测量的物理量，由此设计实验方案。 ◇会使用所提供的实验器材进行实验并获得数据，通过对数 据的分析发现其中的特点，进而归纳出实验结论，并尝试对 其作出解释。 ◇能撰写简单的实验报告。 探究小车速度随时间变化的规律 探究合力的方法 探究加速度与力、质量的关系 探究作用力与反作用力的关系 探究平抛运动的特点 验证机械能守恒定律 实验1：探究小车速度随时间变化的规律 1．实验器材 电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、学生电源、复写纸等． 2．实验步骤 (1)按照图14所示实验装置，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源； (2)把一细绳系在小车上，细绳绕过滑轮，下端挂合适的钩码，纸带穿过打点计时器，固定在小车后面； (3)把小车停靠在打点计时器处，接通电源，放开小车； (4)小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带； (5)换纸带重复三次实验，选择一条比较理想的纸带进行测量分析． 3．数据处理 (1)瞬时速度的计算方法：匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，即vn＝，求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度． (2)实验所得纸带如图所示，计算各测量点的瞬时速度： v1＝；v2＝；v3＝……vn＝. (3)用图象法研究速度随时间变化的规律 ①在坐标纸上建立直角坐标系，横轴表示时间，纵轴表示速度，并根据表格中的数据在坐标系中描点． ②画一条直线，让这条直线通过尽可能多的点，不在线上的点均匀分布在直线的两侧，偏差比较大的点忽略不计，如图所示． ③观察所得到的直线，分析物体的速度随时间的变化规律． (4)利用v－t图象求物体的加速度，如图17所示． a＝＝ [例题1] 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，实验装置如图1所示。 ①需要的实验操作有 （多选）； A．调节滑轮使细线与轨道平行 B．倾斜轨道以补偿阻力 C．小车靠近打点计时器静止释放 D．先接通电源再释放小车 ②经正确操作后打出一条纸带，截取其中一段如图2所示。选取连续打出的点0、1、2、3、4为计数点，则计数点1的读数为 cm。已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz，则打计数点2时小车的速度大小为： m/s（结果保留3位有效数字）。 [例题2] 同学们利用如图1所示装置做“研究匀变速直线运动”实验。请你完成下列有关问题： （1）实验室提供如图1甲、乙两种打点计时器，某实验小组决定使用电火花计时器，则应选用图1中的 （填“甲”或“乙”）计时器。 （2）另一实验小组使用的是电磁打点计时器，如图2中，接线正确的是 （填“甲”或“乙”）。 （3）小宇同学选取一条清晰纸带进行研究，在纸带上确定出九个计数点，如图3所示，相邻两个计数点之间的时间间隔为0.1s，根据纸带信息，计数点5的速度为 m/s。 实验2：探究求合力的方法 1．实验器材 木板、白纸、图钉若干、两根细绳、橡皮条、弹簧测力计2个、刻度尺等． 2．实验步骤 (1)把木板平放在桌面上，用图钉把一张白纸钉在木板上． (2)用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的A点，橡皮条的另一端B拴上两根细绳． (3)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24所示．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F1、F2. (4)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． (5)选定一个合适的标度，用力的图示法作出F1、F2和F的图示． (6)用虚线把F的箭头端分别与F1、F2的箭头端连接，分析F1、F2和F之间可能存在的关系． (7)改变两个力F1、F2的大小和方向，重复上述实验，看看是否与第一次得出的结果一致． 3．实验注意事项 (1)正确使用弹簧测力计，不能超量程，正确读数． (2)在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同． (3)用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大． (4)在同一次实验中，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． 4．实验结论：在误差允许的范围内合力的大小和方向可以用两分力为邻边的平行四边形的对角线表示． [例题3] 用如图所示装置做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验 （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）本实验中，采取下列哪些方法或步骤可以减小实验误差 （多选）。 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 （3）下列描述中可以完成此实验是 （多选）。 A．只需将橡皮筋拉伸相同长度 B．用一支弹簧秤仍能完成此实验 C．实验中的橡皮筋可以用细绳来替代 D．实验中的细绳可以用橡皮筋来替代 [例题4] 某同学做“验证力的平行四边形定则”实验的情况如图甲所示，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。 （1）实验中用弹簧测力计测量力的大小时，下列使用方法中正确的是 A．拿起弹簧测力计就进行测量读数 B．拉橡皮筋的拉力大小不能超过橡皮筋的弹性限度 C．测量前检查弹簧指针是否指在零刻线，用标准砝码检查示数正确后，再进行测量读数 D．应尽量避免弹簧、指针、拉杆与刻度板间的摩擦 （2）关于此实验的下列说法中正确的是 。 A．同一次实验中，O点位置不允许变动 B．实验中，只需记录弹簧测力计的读数和O点的位置 C．实验中，把橡皮筋的另一端拉到O点时，两个弹簧测力计之间的夹角必须取90°。 D．实验中，要始终将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程，然后调节另一弹簧测力计拉力的大小和方向，把橡皮筋另一端拉到O点 （3）图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是 。 实验3：探究加速度与力、质量的关系 1．实验目的 (1)通过实验探究物体的加速度与它所受的合力、质量的定量关系． (2)学会用控制变量法研究物理规律． (3)学会灵活运用图象法处理物理问题的方法(化曲为直)． 2．实验原理 在探究加速度a与合力F及质量m的定量关系时，用到的基本方法是控制变量法，即： (1)保持m一定时，改变物体受力F测出加速度a，用图象法研究a与F的关系； (2)保持F一定时，改变物体质量m测出加速度a，用图象法研究a与m的关系． 3．实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、夹子、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、复写纸、导线两根、纸带、天平、刻度尺等． 4．实验步骤 (1)用天平测出小车和盛有砝码的小盘的质量m和m′，把数据记录在表格中． (2)按实验装置图把实验器材安装好，使长木板有滑轮的一端伸出桌面．如图. (3)在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，通过前后移动，来平衡小车的摩擦力． (4)把细线系在小车上并跨过定滑轮，此时要调节定滑轮的高度使细线与木板平行． (5)将小车放于靠近打点计时器处，在小盘里放入适量的砝码，接通电源，放开小车得到一打好点的纸带(注意不要让小车撞到定滑轮，打好的纸带要标明条件m＝？m′＝？)． (6)保持小车的质量不变，改变砝码的质量，按上面步骤再做5次实验． (7)在每条纸带上都要选取一段比较理想的部分，算出每条纸带加速度的值并记录在表格中． (8)保持小盘内砝码质量不变，在小车上放钩码改变小车的质量，重复上面的实验．把各次实验中的数据填入表内． 5．用图象处理数据的方法 (1)加速度通过分析纸带得出．如可以用刻度尺在纸带上测出位移，通过打点计时器打的点得到时间，然后用a＝求得加速度；也可以通过v－t图象得出． (2)研究加速度a和力F的关系． 以加速度a为纵坐标，以力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图象，若图象是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比． (3)研究加速度a与质量m的关系．如图32甲所示，因为a－m图象是曲线，检查a－m图象是不是双曲线，就能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难．若a和m成反比，则a与必成正比．我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以为横坐标，作出a－图象，如图乙所示，若a－图象是一条能够过原点的直线，说明a与成正比，即a与m成反比． 6．注意事项 (1)平衡摩擦力 适当垫高木板不带定滑轮的一端，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动(即使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力)． (2)为使拉小车的力近似等于小盘及盘中砝码的重力，要求小盘及盘中砝码的质量远小于小车的质量． [例题5] 某同学用如图1所示装置做“探究加速度与力、质量的关系”实验。 （1）关于实验的要点，下列说法正确的是 。 A．每次改变小车质量时，应重新补偿阻力 B．补偿阻力时，应将悬挂重物的细线系在小车上 C．释放小车之前应先接通电源 D．调节定滑轮的高度使滑轮与小车间的细线与长木板平行 （2）实验中获得一条纸带如图2所示，其中两相邻计数点间有四个点未画出。已知所用电源的频率为50Hz，则小车运动的加速度大小a＝ m/s2。（计算结果要求保留两位有效数字） （3）改变悬挂重物的质量，多次重复实验，测得多组加速度a及对应力传感器的示数。作出a﹣F图像如图3所示，发现图像不过原点，重新实验，为了使作出的图像经过原点，应适当 （选填“增大”或“减小”）长木板的倾角。 （4）做“探究加速度与质量的关系”实验时，正确补偿阻力后，保持细线拉力不变，改变小车上砝码的质量m，多次实验，测得多组加速度a及对应小车上砝码的质量m，作出图像如图4所示，若图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若要验证牛顿第二定律，则小车的质量为 。 [例题6] 某同学做“探究加速度与力、质量的关系”实验，装置如图1所示。 （1）打点计时器所使用电源为 （选填“直流”或“交流”）电源，每隔 s（选填“0.02”或“0.1”）打一个点； （2）实验时需要“补偿阻力”，下列有关说法正确的是 。 A．小车重力沿斜面分力与小车与木板间阻力平衡 B．平衡时槽码牵引小车拖着纸带沿长木板匀速运动 C．每次改变小车质量时，不需重新平衡摩擦力 （3）当小车及槽码的总质量为0.4kg时，改变槽码质量，进行多次试验，以下槽码质量取值不合适的是 。 A．5g B．10g C．20g D．500g （4）如图2所示为某次实验得到的纸带，纸带中各个计数点到A点间的距离已标出，相邻计数点间还有四个点没有画出。由此可求得打下B点时，小车的运动速度vB＝ m/s，加速度大小为 m/s2（结果均保留两位有效数字）。 实验4：探究作用力与反作用力的关系 1．实验器材 弹簧测力计3个、包装用泡沫塑料若干、小刀1把、木块1块、力传感器2只、数据采集器1台及计算机1台等． 2．实验原理 (1)弹簧测力计的使用方法 ①先调零； ②测力计力的作用线与弹簧伸缩方向在同一直线上(如图所示)； ③待指针稳定后读数． (2)研究静止状态、匀速直线运动状态和加速运动状态下作用力与反作用力之间的关系，并得出结论． (3)用力传感器研究作用力与反作用力之间的关系(如图39所示)． 3．注意事项 (1)使用弹簧测力计前，应先调节零刻度． (2)弹簧测力计对拉时作用力要在同一直线上． (3)实际的弹簧测力计往往存在一定的示值误差．发现两弹簧测力计示数不等既不能“视而不见”也不能“武断定论”． (4)将弹簧测力计A和B分别与弹簧测力计C互拉，通过与C的示数进行比较确定两弹簧测力计的拉力是否相等，是一种“等效替代”的方法． (5)用传感器进行实验时，也需要调零． (6)用传感器对拉时要使作用力在同一直线上． 4．实验结论 无论两物体处于静止、匀速运动、加速运动或减速运动，作用力与反作用力总是大小相等、方向相反，作用在同一直线上． [例题7] 如图所示图1是两只与计算机相连的力传感器，其中一只系在墙上，另一只握在手中用力拉紧．图2是计算机显示屏上所显示的两只传感器的受力情况．由甲、乙两图所包合的信息，某同学做出如下判断：①这两个力的合力为零，是一对平衡力；②这两个力是一对作用力与反作用力；③这两个力始终大小相等；④这两个力同时存在同时消失，其中正确的是 。 A．① B．①③ C．①③④ D．②③④ [例题8] （1）I．如图甲所示为“探究作用力与反作用力的关系”实验中，两弹簧秤互拉的情景，请任选一个弹簧秤读出其示数为 N。 II．如图甲所示，两弹簧秤的读数出现了微小偏差，出现这种偏差的原因可能是 A．实验前没有对弹簧秤进行调零 B．两弹簧秤没有处于静止状态 C．弹簧秤的外壳重力的影响 D．弹簧秤的弹簧重力的影响 （2）如图乙所示，在“用传感器探究作用力与反作用力关系”的实验中，两传感器拉力的情况由计算机屏幕显示如图丙所示。则通过对图丙的分析可以得到的结论有 A．作用力与反作用力性质一定相同 B．作用力与反作用力总是大小相等 C．作用力与反作用力可以相互抵消 D．作用力与反作用力总是同时发生变化 实验5：研究平拋运动 1．实验目的 (1)用实验的方法描出平拋物体的运动轨迹； (2)由运动轨迹求平拋物体的初速度． 2．实验原理 平拋运动可以看做水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动．使小球做平拋运动，建立坐标系，利用描迹法描出小球的运动轨迹，测出轨迹曲线上某一点的坐标x和y，根据公式：x＝v0t和y＝gt2，就可求得v0＝x，即小球做平拋运动的初速度． 3．实验器材 斜槽(带小球)、木板及竖直固定支架、白纸(坐标纸)、图钉、重垂线、三角板、铅笔、刻度尺． 4．实验步骤 (1)实验装置如图所示，安装调整斜槽：将带有斜槽轨道的木板固定在实验桌上，使其末端伸出桌面，切线沿水平方向． (2)用图钉将坐标纸固定于竖直木板的左上角，把木板调整到竖直位置，使板面与小球的运动轨迹所在平面平行且靠近，把小球放在槽口处，用铅笔记下小球在槽口(轨道末端)时球心在木板上的投影点O，O点即为坐标原点，用重垂线画出过坐标原点的竖直线，作为y轴，画出水平方向的x轴． (3)将小球从斜槽上某一位置由静止滑下，小球从轨道末端射出，先用眼睛粗略确定做平拋运动的小球在某一x值处的y值，然后让小球由同一位置自由滚下，在粗略确定的位置附近用铅笔较准确地描出小球通过的位置，并在坐标纸上记下该点，用同样的方法确定轨迹上其他各点的位置．(不同的器材方法有所不同) (4)取下坐标纸，将坐标纸上记下的一系列点，用平滑曲线连接起来，即得到小球平拋运动的轨迹． (5)从曲线上选取六个不同点，测出它们的坐标值． (6)根据坐标，结合公式x＝v0t、y＝gt2求出小球平拋运动的初速度，并计算其平均值． (7)整理实验器材． 5．注意事项 (1)利用描迹法做实验时必须调整斜槽末端使其切线水平，检验是否水平的方法：将小球放在斜槽末端，看其是否滚动(或用水平仪检查斜槽末端是否水平)． (2)坐标纸必须处于竖直平面内，固定时要用重垂线检查坐标纸是否竖直． (3)小球每次必须从斜槽上同一位置自由滚下． (4)坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时球心在坐标纸上的投影点． (5)小球开始滚下时的位置高度要适中，以使小球做平拋运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角． (6)在轨迹上选取离坐标原点O点较远的一些点来计算初速度． [例题9] 某同学为估测子弹从玩具枪射出时的速度，设计了如下实验：（将弹丸离开枪口后的运动看作平抛运动） （1）如图1所示，使玩具枪每次都以相同速度射出弹丸，测出了弹丸下降高度y和水平射程x，重力加速度为g，则弹丸的水平初速度v0＝ （用x、y、g表示）。如果考虑竖直方向的空气阻力，则此方法测出的v0比真实值 （选填“偏大”或“偏小”）。 （2）第二次实验如图2所示。该同学站在墙前面，朝墙面开枪，第一枪落点为A；后退20cm，在相同高度处开了第二枪，落点为B；再后退20cm，在相同高度处开了第三枪，落点为C；测得AB＝35cm，BC＝45cm。若取重力加速度大小g＝10m/s2，则弹丸从枪口射出的初速度大小为 m/s。 [例题10] 采用如图1所示的实验装置做“探究平抛运动的特点”的实验。 （1）实验时不需要的器材有 。（填器材前的字母） A．弹簧测力计 B．重垂线 C．刻度尺 D．坐标纸 （2）以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有 。 A．要求斜槽轨道保持水平且光滑 B．装置中的背板必须处于竖直面内 C．每次小球应从同一高度由静止释放 D．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接 （3）如图为2一小球做平抛运动时用闪光照相的方法获得的相片的一部分，图中背景小方格的边长为1.25cm，g取10m/s2，则： ①图中A点 平抛的起点（选填“是”或“不是”）； ②小球运动的初速度v0＝ m/s； ③小球过B点的竖直方向速度vBy＝ m/s。 实验6：验证机械能守恒定律 1．实验目的 利用自由落体验证机械能守恒定律． 2．实验原理 (1)在只有重力做功的条件下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但总的机械能守恒． (2)物体做自由落体运动，设物体的质量为m，下落h高度时的速度为v，则势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2.如果mgh＝mv2，即gh＝v2，就验证了机械能守恒定律． (3)速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻的两点间的平均速度． 计算打第n个点的瞬时速度的方法是测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内的距离xn和xn＋1，由公式vn＝或vn＝算出，如图所示． 3．实验器材 铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)． 4．实验步骤 (1)将实验装置按要求装好(如图所示)，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器． (2)先用手提起纸带，使重物静止在靠近打点计时器的地方． (3)接通电源，松开纸带，让重物自由下落，这样打点计时器就在纸带上打下一系列点． (4)重复以上步骤，多做几次． 5．数据处理 (1)纸带的选取：选用纸带时应尽量挑选第1点点迹清晰且1、2两点之间距离接近2 mm的纸带，这样的一条纸带记录的运动才接近自由落体运动． (2)纸带的处理：在第1点上标O，并从稍靠后的某一点开始，依次标1、2、3、4…并量出各点到O点的距离h1、h2、h3、h4…，再利用公式vn＝计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4…，计算各点对应的重力势能的减少量mghn和动能的增加量mv，并进行比较看是否相等．也可以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出－h图象，若图象是过原点的直线，则可验证机械能守恒定律，其斜率等于g. 发展提升 数据处理的方法2 选取点迹清晰的一条纸带，如图所示，选取B、M两个位置作为过程的开始和终止位置，量出B、M之间的距离hBM，求出B点的速度vB＝，M点的速度vM＝，比较重力势能的减少量(mghBM)与动能的增加量(mv－mv)是否相等，从而验证机械能是否守恒． 6．注意事项 (1)安装打点计时器时，必须使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力． (2)实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带． (3)为了增加实验的可靠性，可重复实验，还可以在一次下落中测量多个位置的速度，比较重物在这些位置上的动能与势能之和． (4)因通过比较mgh与mv2是否相等来验证机械能是否守恒，故不需测重物质量． (5)速度不能用自由落体运动规律公式计算得到． [例题11] 某同学利用下列器材做“验证机械能守恒定律”的实验。 A.一端带有滑轮和刻度尺的气垫导轨； B.两个光电计时器； C.安装有挡光片的小车（质量为M）； D.拴有细线的托盘和钩码（总质量为m）； E.可以调节高度的平衡支架。 该同学选用上述器材安装实验装置如图甲所示。实验步骤如下： ①在气垫导轨上安装两个光电门A、B，两光电门中心的距离为L，调节气垫导轨的倾角，气垫导轨的倾角为θ； ②在托盘中放入钩码，让小车沿气垫导轨上滑，光电计时器记录小车上的挡光片通过A、B的时间分别为t1和t2； ③将小车、托盘、钩码看作系统，利用测得的数据求得系统重力势能与动能变化的关系。 （1）用游标卡尺测量挡光片的宽度d如图乙所示，则d＝ mm。 （2）当地的重力加速度大小为g，在小车从A点运动到B点的过程中，系统减少的重力势能ΔEp＝ ；该过程中系统增加的动能ΔEk＝ 。若在误差允许的范围内，系统减少的机械能等于增加的动能，则系统机械能守恒。（均用相关物理量的符号表示） [例题12] （1）某同学用如图1所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验，下列说法中不正确的是 A．不必要测量重锤质量 B．选用重锤时，同样大小、形状的重锤应选重一点的 C．打点计时器应用干电池供电 D．实验时，当松开纸带让重锤下落的同时，立即接通电源 （2）若质量m＝1.00kg的重锤自由下落，在纸带上打出一系列如图2所示的点，A为第一个点，B、C、D为相邻的计数点，相邻计数点的时间间隔为0.04s，长度单位是cm，取g＝9.80m/s2，求：打点计时器从打下起点A到打下点C的过程中，重锤重力势能减少量ΔEp＝ J（保留三位有效数字），重锤动能增加量ΔEk＝ J（保留三位有效数字）。根据以上实验数据可以得出实验结论： 。 1. “探究恒力做功与动能改变的关系”的实验装置如图所示。 （1）实验时小车应 （填“A”或“B”）打点计时器由静止释放； A．远离 B．靠近 （2）已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，该打点计时器打点的时间间隔为 s； （3）实验时把沙和沙桶的总重力当作细线对小车的拉力，为减小实验误差，沙和沙桶的总质量m与小车的质量M的关系必须满足：m M。 2. 探究“加速度与力、质量关系”的实验装置如图甲所示，小车后面固定一条纸带，穿过电火花计时器，细线一端连着小车，另一端通过光滑的定滑轮和动滑轮与挂在竖直面内的拉力传感器相连，拉力传感器用于测小车受到拉力的大小。 （1）关于平衡摩擦力，下列说法正确的是 A．平衡摩擦力时，需要在动滑轮上挂上钩码 B．改变小车质量时，需要重新平衡摩擦力 C．改变小车拉力时，不需要重新平衡摩擦力 （2）实验中 （选填“需要”或“不需要”）满足所挂钩码质量远小于小车质量。 （3）某同学根据实验数据作出了加速度a与力F的关系图象如图乙所示，图线不过原点的原因是 A．钩码质量没有远小于小车质量 B．平衡摩擦力时木板倾角过大 C．平衡摩擦力时木板倾角过小或未平衡摩擦力 3. 用如图1所示装置探究钩码和小车（含砝码）组成的系统的“功能关系”实验中，小车碰到制动挡板时，钩码尚未到达地面。 （1）平衡摩擦力时， （填“要”或“不要”）挂上钩码。 （2）如图2是某次实验中打出纸带的一部分。O、A、B、C为4个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有4个打出的点没有画出，所用交流电源的频率为50Hz．通过测量，可知打点计时器打B点时小车的速度大小为 m/s。 （3）某同学经过认真、规范的操作，得到一条点迹清晰的纸带。他把小车开始运动时打下的点记为O，再依次在纸带上取等时间间隔的1、2、3、4、5、6等多个计数点，可获得各计数点到O的距离s及打下各计数点时小车的瞬时速度v。如图3是根据这些实验数据绘出的v2﹣s图象。已知此次实验中钩码的总质量为0.015kg，小车中砝码的总质量为0.100kg，取重力加速度g＝9.8m/s2，根据功能关系由图象可知小车的质量为 kg．（结果保留两位有效数字） （4）研究实验数据发现，钩码重力做的功总略大于系统总动能的增量，其原因可能是 。 A．钩码的重力大于细线的拉力 B．在接通电源的同时释放了小车 C．未完全平衡摩擦力 D．交流电源的实际频率大于50Hz 4. 某兴趣小组的几位成员做“验证机械能守恒定律”的实验，所用打点计时器的打点周期为0.02s。 （1）如图是四位同学释放纸带瞬间的照片，操作正确的是 （2）如图所示是某次实验中经正确操作得到的一条纸带（局部），把第一个点（初速度为零）记作O点，测出点O、A间的距离s0＝68.97cm，点A、C间的距离s1＝15.24cm，点C、E间的距离s2＝16.76cm，已知当地重力加速度为9.8m/s2，重物的质量为m＝1.0kg，则打点计时器在打O点到C点的这段时间内，重物动能的增加量为 J，重力势能的减少量为 J。（结果均保留两位小数） 5. 在“验证机械能守恒定律”的实验中， （1）图1，下列操作正确的是 。 （2）实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图2所示。已知打点的频率为50Hz，则打点“13”时，重锤下落的速度大小为 m/s（保留三位有效数字）。 （3）某同学用纸带的数据求出重力加速度g＝9.77m/s2，并用此g值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力势能减小值为5.09m，另计算得动能增加值为5.08m（m为重锤质量），则该结果 （选填“能”或“不能”）验证机械能守恒，理由是 。 A.在误差允许范围内 B.没有用当地的重力加速度g 6. 在探究质量一定时加速度与力的关系，小佳同学设计了如图甲所示的实验装置。其中M为带滑轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量。（动滑轮质量不计） （1）操作本实验时，以下操作步骤正确的有 。 A．为了获得合力大小需用天平测出砂和砂桶的质量m B．为减小实验误差，改变砂和砂桶质量时，必须要满足砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M C．将带滑轮的长木板右端垫高，以补偿阻力 D．为保证纸带上打点的清晰度和点的数量，小车释放时要靠近打点计时器，先释放小车，再接通电源，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数 （2）经正确操作，得到如图乙所示的纸带，已知打点计时器所接交流电源的频率为50Hz，相邻两计数点之间还有四个计时点未画出，则小车运动的加速度大小为 m/s2。（结果保留两位有效数字） （3）正确操作记录若干数据后，小佳同学以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a﹣F图像是一条直线，图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为 。 A．k B． C．2tanθ D． 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！6 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第14讲 力学实验 课 程 标 准 考点 【课程要求】 ◇知道常见仪器的使用，尤其是打点计时器。 ◇知道几个常见实验的操作。 ◇掌握实验数据处理方法。 【学业要求】 ◇会使用基本的力学实验器材获取数据。 ◇能用物理图像描述实验数据。 ◇能根据数据得出实验结论，知道实验存在误差。 ◇能描述科学探究的过程和结果。 ◇能明确实验需要测量的物理量，由此设计实验方案。 ◇会使用所提供的实验器材进行实验并获得数据，通过对数 据的分析发现其中的特点，进而归纳出实验结论，并尝试对 其作出解释。 ◇能撰写简单的实验报告。 探究小车速度随时间变化的规律 探究合力的方法 探究加速度与力、质量的关系 探究作用力与反作用力的关系 探究平抛运动的特点 验证机械能守恒定律 实验1：探究小车速度随时间变化的规律 1．实验器材 电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、学生电源、复写纸等． 2．实验步骤 (1)按照图14所示实验装置，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源； (2)把一细绳系在小车上，细绳绕过滑轮，下端挂合适的钩码，纸带穿过打点计时器，固定在小车后面； (3)把小车停靠在打点计时器处，接通电源，放开小车； (4)小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带； (5)换纸带重复三次实验，选择一条比较理想的纸带进行测量分析． 3．数据处理 (1)瞬时速度的计算方法：匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，即vn＝，求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度． (2)实验所得纸带如图所示，计算各测量点的瞬时速度： v1＝；v2＝；v3＝……vn＝. (3)用图象法研究速度随时间变化的规律 ①在坐标纸上建立直角坐标系，横轴表示时间，纵轴表示速度，并根据表格中的数据在坐标系中描点． ②画一条直线，让这条直线通过尽可能多的点，不在线上的点均匀分布在直线的两侧，偏差比较大的点忽略不计，如图所示． ③观察所得到的直线，分析物体的速度随时间的变化规律． (4)利用v－t图象求物体的加速度，如图17所示． a＝＝ [例题1] 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，实验装置如图1所示。 ①需要的实验操作有 （多选）； A．调节滑轮使细线与轨道平行 B．倾斜轨道以补偿阻力 C．小车靠近打点计时器静止释放 D．先接通电源再释放小车 ②经正确操作后打出一条纸带，截取其中一段如图2所示。选取连续打出的点0、1、2、3、4为计数点，则计数点1的读数为 cm。已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz，则打计数点2时小车的速度大小为： m/s（结果保留3位有效数字）。 【解答】解：①A．实验需要调节滑轮使细线与轨道平行，故A正确； B．该实验只要使得小车加速运动即可，不需要倾斜轨道补偿阻力，故B错误； C．为了充分利用纸带，则小车靠近打点计时器静止释放，故C正确； D．先接通电源再释放小车，故D正确。 故选：ACD。 ②计数点1的读数为2.75cm。已知打点计时器所用交流电源的频率为50Hz，则打点周期T＝0.02s，则打计数点2时小车的速度大小为 故答案为：①ACD ②2.75 1.48 [例题2] 同学们利用如图1所示装置做“研究匀变速直线运动”实验。请你完成下列有关问题： （1）实验室提供如图1甲、乙两种打点计时器，某实验小组决定使用电火花计时器，则应选用图1中的 （填“甲”或“乙”）计时器。 （2）另一实验小组使用的是电磁打点计时器，如图2中，接线正确的是 （填“甲”或“乙”）。 （3）小宇同学选取一条清晰纸带进行研究，在纸带上确定出九个计数点，如图3所示，相邻两个计数点之间的时间间隔为0.1s，根据纸带信息，计数点5的速度为 m/s。 【解答】解：（1）电火花计时器使用220V交流电源，乙图是电火花计时器； （2）电磁打点计时器使用低压交流电源，乙图正确； （3）刻度尺的精度为1mm，需要估读到下一位，根据刻度尺读数规则可知，纸带上4、6两点间的距离为4.3cm。 纸带做匀变速直线运动，一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，则计数点5的瞬时速度为： v5m/s＝0.251m/s。 故答案为：（1）乙；（2）乙；（3）0.215。 实验2：探究求合力的方法 1．实验器材 木板、白纸、图钉若干、两根细绳、橡皮条、弹簧测力计2个、刻度尺等． 2．实验步骤 (1)把木板平放在桌面上，用图钉把一张白纸钉在木板上． (2)用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的A点，橡皮条的另一端B拴上两根细绳． (3)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24所示．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F1、F2. (4)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． (5)选定一个合适的标度，用力的图示法作出F1、F2和F的图示． (6)用虚线把F的箭头端分别与F1、F2的箭头端连接，分析F1、F2和F之间可能存在的关系． (7)改变两个力F1、F2的大小和方向，重复上述实验，看看是否与第一次得出的结果一致． 3．实验注意事项 (1)正确使用弹簧测力计，不能超量程，正确读数． (2)在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同． (3)用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大． (4)在同一次实验中，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． 4．实验结论：在误差允许的范围内合力的大小和方向可以用两分力为邻边的平行四边形的对角线表示． [例题3] 用如图所示装置做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验 （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）本实验中，采取下列哪些方法或步骤可以减小实验误差 （多选）。 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 （3）下列描述中可以完成此实验是 （多选）。 A．只需将橡皮筋拉伸相同长度 B．用一支弹簧秤仍能完成此实验 C．实验中的橡皮筋可以用细绳来替代 D．实验中的细绳可以用橡皮筋来替代 【解答】解：（1）合力与分力是等效替代的关系，所以本实验采用的等效替代法，故B正确，ACD错误。 故选：B。 （2）A．两个分力F1、F2间的夹角不能太大，也不能太小，应适当大一些就好，故A错误； B．两个分力F1、F2大小要适当大些，这样可减小误差，故B正确； C．拉橡皮筋的细绳要稍长一些，这样可减小记录力的方向时产生的误差，故C错误； D．为了减小误差，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，故D正确。 故选：BD。 （3）A．两次拉橡皮筋不仅要橡皮筋伸长相同还要拉至同一点，才能体现等效替代的思想，故A错误； B．用一根弹簧测力计也能完成此实验，只是要分三次将橡皮筋的结点拉到同一位置，记录三次力的大小和方向，故B正确； CD．由于细绳不能伸长，故不能用细绳代替橡皮筋，但可以用橡皮筋代替细绳，只要拉力大小一定，结点处仍然被拉至同一位置，只是细绳换成橡皮筋时，的橡皮筋长短要恰当，故C错误，D正确。 故选：BD。 故答案为：（1）B；（2）BD；（3）BD。 [例题4] 某同学做“验证力的平行四边形定则”实验的情况如图甲所示，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。 （1）实验中用弹簧测力计测量力的大小时，下列使用方法中正确的是 A．拿起弹簧测力计就进行测量读数 B．拉橡皮筋的拉力大小不能超过橡皮筋的弹性限度 C．测量前检查弹簧指针是否指在零刻线，用标准砝码检查示数正确后，再进行测量读数 D．应尽量避免弹簧、指针、拉杆与刻度板间的摩擦 （2）关于此实验的下列说法中正确的是 。 A．同一次实验中，O点位置不允许变动 B．实验中，只需记录弹簧测力计的读数和O点的位置 C．实验中，把橡皮筋的另一端拉到O点时，两个弹簧测力计之间的夹角必须取90°。 D．实验中，要始终将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程，然后调节另一弹簧测力计拉力的大小和方向，把橡皮筋另一端拉到O点 （3）图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是 。 【解答】解：（1）A、弹簧测力计读数前要进行调零，故A错误； B、拉橡皮筋的拉力大小不能超过弹簧测力计的弹性限度，故B正确； C．测量前检查弹簧指针是否指在零刻线，用标准砝码检查示数正确后，再进行测量读数，故C正确； D．应尽量避免弹簧、指针、拉杆与刻度板间的摩擦，故D错误 故选：BCD。 （2）A．本实验采用的是等效替代的方法，同一次实验中，O点位置不允许变动，故A正确； B、实验中，需记录弹簧测力计的读数和O点的位置，以及拉力方向，故B错误； C、实验中，把橡皮筋的另一端拉到O点时，两个弹簧测力计之间的夹角不一定是取90°，故C错误； D、本实验只要达到效果相同，对弹簧秤拉力的大小没有要求，不需要将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程。故D错误； 故选：A。 （3）F1与F2的合力的实际值测量值为一个弹簧拉绳套时的弹簧的弹力大小和方向，而理论值是通过平行四边形定则得到的值。 所以图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是F′。 故答案为：（1）BCD （2）A （3）F′ 实验3：探究加速度与力、质量的关系 1．实验目的 (1)通过实验探究物体的加速度与它所受的合力、质量的定量关系． (2)学会用控制变量法研究物理规律． (3)学会灵活运用图象法处理物理问题的方法(化曲为直)． 2．实验原理 在探究加速度a与合力F及质量m的定量关系时，用到的基本方法是控制变量法，即： (1)保持m一定时，改变物体受力F测出加速度a，用图象法研究a与F的关系； (2)保持F一定时，改变物体质量m测出加速度a，用图象法研究a与m的关系． 3．实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、夹子、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、复写纸、导线两根、纸带、天平、刻度尺等． 4．实验步骤 (1)用天平测出小车和盛有砝码的小盘的质量m和m′，把数据记录在表格中． (2)按实验装置图把实验器材安装好，使长木板有滑轮的一端伸出桌面．如图. (3)在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，通过前后移动，来平衡小车的摩擦力． (4)把细线系在小车上并跨过定滑轮，此时要调节定滑轮的高度使细线与木板平行． (5)将小车放于靠近打点计时器处，在小盘里放入适量的砝码，接通电源，放开小车得到一打好点的纸带(注意不要让小车撞到定滑轮，打好的纸带要标明条件m＝？m′＝？)． (6)保持小车的质量不变，改变砝码的质量，按上面步骤再做5次实验． (7)在每条纸带上都要选取一段比较理想的部分，算出每条纸带加速度的值并记录在表格中． (8)保持小盘内砝码质量不变，在小车上放钩码改变小车的质量，重复上面的实验．把各次实验中的数据填入表内． 5．用图象处理数据的方法 (1)加速度通过分析纸带得出．如可以用刻度尺在纸带上测出位移，通过打点计时器打的点得到时间，然后用a＝求得加速度；也可以通过v－t图象得出． (2)研究加速度a和力F的关系． 以加速度a为纵坐标，以力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图象，若图象是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比． (3)研究加速度a与质量m的关系．如图32甲所示，因为a－m图象是曲线，检查a－m图象是不是双曲线，就能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难．若a和m成反比，则a与必成正比．我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以为横坐标，作出a－图象，如图乙所示，若a－图象是一条能够过原点的直线，说明a与成正比，即a与m成反比． 6．注意事项 (1)平衡摩擦力 适当垫高木板不带定滑轮的一端，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动(即使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力)． (2)为使拉小车的力近似等于小盘及盘中砝码的重力，要求小盘及盘中砝码的质量远小于小车的质量． [例题5] 某同学用如图1所示装置做“探究加速度与力、质量的关系”实验。 （1）关于实验的要点，下列说法正确的是 。 A．每次改变小车质量时，应重新补偿阻力 B．补偿阻力时，应将悬挂重物的细线系在小车上 C．释放小车之前应先接通电源 D．调节定滑轮的高度使滑轮与小车间的细线与长木板平行 （2）实验中获得一条纸带如图2所示，其中两相邻计数点间有四个点未画出。已知所用电源的频率为50Hz，则小车运动的加速度大小a＝ m/s2。（计算结果要求保留两位有效数字） （3）改变悬挂重物的质量，多次重复实验，测得多组加速度a及对应力传感器的示数。作出a﹣F图像如图3所示，发现图像不过原点，重新实验，为了使作出的图像经过原点，应适当 （选填“增大”或“减小”）长木板的倾角。 （4）做“探究加速度与质量的关系”实验时，正确补偿阻力后，保持细线拉力不变，改变小车上砝码的质量m，多次实验，测得多组加速度a及对应小车上砝码的质量m，作出图像如图4所示，若图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若要验证牛顿第二定律，则小车的质量为 。 【解答】解：（1）A．根据平衡摩擦力的原理mgsinθ＝μmgcosθ 化简得μ＝tanθ 可见斜面的倾角与小车质量无关； 每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力，故A错误； B．补偿阻力时，应取下细线与槽码，使小车在重力沿斜面方向的分力作用下做匀速运动，平衡的摩擦力包括纸带与打点计时器之间的摩擦力，故B错误； C．实验时应先接通电源后释放小车，故C正确； D．调节定滑轮的高度使滑轮与小车间细线与长木板平行，保证细线的拉力等于小车受到的合外力，故D正确。 故选：CD。 （2）相邻计数点之间的时间间隔 根据逐差法，可得加速度为 （3）由图可知外力F不为零时，而加速度为零，说明存在摩擦力，即图线不过原点的原因可能为木板倾斜角度过小或木板没有倾斜放置，所以应适当增大长木板的倾角。 （4）设小车质量为M，若牛顿第二定律成立，则F＝（M+m）a 整理得 所以图中直线的斜率 纵轴上的截距 联立可得。 故答案为：（1）CD；（2）0.39；（3）增大；（4）。 [例题6] 某同学做“探究加速度与力、质量的关系”实验，装置如图1所示。 （1）打点计时器所使用电源为 （选填“直流”或“交流”）电源，每隔 s（选填“0.02”或“0.1”）打一个点； （2）实验时需要“补偿阻力”，下列有关说法正确的是 。 A．小车重力沿斜面分力与小车与木板间阻力平衡 B．平衡时槽码牵引小车拖着纸带沿长木板匀速运动 C．每次改变小车质量时，不需重新平衡摩擦力 （3）当小车及槽码的总质量为0.4kg时，改变槽码质量，进行多次试验，以下槽码质量取值不合适的是 。 A．5g B．10g C．20g D．500g （4）如图2所示为某次实验得到的纸带，纸带中各个计数点到A点间的距离已标出，相邻计数点间还有四个点没有画出。由此可求得打下B点时，小车的运动速度vB＝ m/s，加速度大小为 m/s2（结果均保留两位有效数字）。 【解答】解：（1）打点计时器所使用电源为交流电源，频率为50Hz时，打点周期，即每隔0.02 s打一个点。 （2）实验时需要“补偿阻力”，“补偿阻力”时，应将牵引小车从细绳和槽码撤去，利用小车重力沿斜面分力与小车与木板间阻力平衡； 根据平衡条件Mgsinθ＝μMgcosθ 解得μ＝tanθ 可知每次改变小车质量时，不需重新平衡摩擦力，故AC正确，BD错误。 故选：AC。 （3）以小车为对象，根据牛顿第二定律可得T＝Ma 以槽码为对象，根据牛顿第二定律可得mg﹣T＝ma 联立可得 当M≫m时，T≈mg 因此为了使小车受到的绳子拉力近似等于槽码的重力，应使槽码的质量远小于小车的质量； 当槽码质量m＝500g＝0.5kg时，不满足实验条件，故ABC正确，D不正确。 本题选择不符合实验条件的选项。 故选：D。 （4）相邻计数点之间的时间间隔 根据匀变速直线运动中间时刻速度等于该段过程的平均速度，则打下B点时，小车的运动速度为 根据逐差法，加速度大小为 。 故答案为：（1）交流；0.02；（2）AC；（3）D；（4）0.26；0.40。 实验4：探究作用力与反作用力的关系 1．实验器材 弹簧测力计3个、包装用泡沫塑料若干、小刀1把、木块1块、力传感器2只、数据采集器1台及计算机1台等． 2．实验原理 (1)弹簧测力计的使用方法 ①先调零； ②测力计力的作用线与弹簧伸缩方向在同一直线上(如图所示)； ③待指针稳定后读数． (2)研究静止状态、匀速直线运动状态和加速运动状态下作用力与反作用力之间的关系，并得出结论． (3)用力传感器研究作用力与反作用力之间的关系(如图39所示)． 3．注意事项 (1)使用弹簧测力计前，应先调节零刻度． (2)弹簧测力计对拉时作用力要在同一直线上． (3)实际的弹簧测力计往往存在一定的示值误差．发现两弹簧测力计示数不等既不能“视而不见”也不能“武断定论”． (4)将弹簧测力计A和B分别与弹簧测力计C互拉，通过与C的示数进行比较确定两弹簧测力计的拉力是否相等，是一种“等效替代”的方法． (5)用传感器进行实验时，也需要调零． (6)用传感器对拉时要使作用力在同一直线上． 4．实验结论 无论两物体处于静止、匀速运动、加速运动或减速运动，作用力与反作用力总是大小相等、方向相反，作用在同一直线上． [例题7] 如图所示图1是两只与计算机相连的力传感器，其中一只系在墙上，另一只握在手中用力拉紧．图2是计算机显示屏上所显示的两只传感器的受力情况．由甲、乙两图所包合的信息，某同学做出如下判断：①这两个力的合力为零，是一对平衡力；②这两个力是一对作用力与反作用力；③这两个力始终大小相等；④这两个力同时存在同时消失，其中正确的是 。 A．① B．①③ C．①③④ D．②③④ 【解答】解：两只传感器的受力为一对作用力与反作用力，一对作用力与反作用力大小相等，方向相反，同时产生同时消失，故②③④正确； 故D正确，ABC错误； 故答案为：D。 [例题8] （1）I．如图甲所示为“探究作用力与反作用力的关系”实验中，两弹簧秤互拉的情景，请任选一个弹簧秤读出其示数为 N。 II．如图甲所示，两弹簧秤的读数出现了微小偏差，出现这种偏差的原因可能是 A．实验前没有对弹簧秤进行调零 B．两弹簧秤没有处于静止状态 C．弹簧秤的外壳重力的影响 D．弹簧秤的弹簧重力的影响 （2）如图乙所示，在“用传感器探究作用力与反作用力关系”的实验中，两传感器拉力的情况由计算机屏幕显示如图丙所示。则通过对图丙的分析可以得到的结论有 A．作用力与反作用力性质一定相同 B．作用力与反作用力总是大小相等 C．作用力与反作用力可以相互抵消 D．作用力与反作用力总是同时发生变化 【解答】解：（1）I、根据弹簧秤的度数方法可读出上面弹簧秤的示数为3.0N，下面弹簧秤的读数为2.8N； II、两弹簧秤的读数出现了微小偏差，由图中可以看到上面弹簧秤的度数大； A、实验前没有对弹簧秤进行调零可导致出现这样的偏差，故A正确； B、两弹簧秤不管是否处于静止状态，它们都是一对作用力与反作用力，示数都相等，故B错误； C、弹簧秤的外壳重力对读数没的影响，故C错误； D、由于弹簧秤的弹簧存在重力，会使得上面弹簧秤的读数大于下面，故D正确。 故选：AD。 （2）由图丙可知，作用力和反作用力大小相等，方向相反，同时发生变化，故选BD。 答案为：（1）I．3.0N或2.8N II．AD （2）BD 实验5：研究平拋运动 1．实验目的 (1)用实验的方法描出平拋物体的运动轨迹； (2)由运动轨迹求平拋物体的初速度． 2．实验原理 平拋运动可以看做水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动．使小球做平拋运动，建立坐标系，利用描迹法描出小球的运动轨迹，测出轨迹曲线上某一点的坐标x和y，根据公式：x＝v0t和y＝gt2，就可求得v0＝x，即小球做平拋运动的初速度． 3．实验器材 斜槽(带小球)、木板及竖直固定支架、白纸(坐标纸)、图钉、重垂线、三角板、铅笔、刻度尺． 4．实验步骤 (1)实验装置如图所示，安装调整斜槽：将带有斜槽轨道的木板固定在实验桌上，使其末端伸出桌面，切线沿水平方向． (2)用图钉将坐标纸固定于竖直木板的左上角，把木板调整到竖直位置，使板面与小球的运动轨迹所在平面平行且靠近，把小球放在槽口处，用铅笔记下小球在槽口(轨道末端)时球心在木板上的投影点O，O点即为坐标原点，用重垂线画出过坐标原点的竖直线，作为y轴，画出水平方向的x轴． (3)将小球从斜槽上某一位置由静止滑下，小球从轨道末端射出，先用眼睛粗略确定做平拋运动的小球在某一x值处的y值，然后让小球由同一位置自由滚下，在粗略确定的位置附近用铅笔较准确地描出小球通过的位置，并在坐标纸上记下该点，用同样的方法确定轨迹上其他各点的位置．(不同的器材方法有所不同) (4)取下坐标纸，将坐标纸上记下的一系列点，用平滑曲线连接起来，即得到小球平拋运动的轨迹． (5)从曲线上选取六个不同点，测出它们的坐标值． (6)根据坐标，结合公式x＝v0t、y＝gt2求出小球平拋运动的初速度，并计算其平均值． (7)整理实验器材． 5．注意事项 (1)利用描迹法做实验时必须调整斜槽末端使其切线水平，检验是否水平的方法：将小球放在斜槽末端，看其是否滚动(或用水平仪检查斜槽末端是否水平)． (2)坐标纸必须处于竖直平面内，固定时要用重垂线检查坐标纸是否竖直． (3)小球每次必须从斜槽上同一位置自由滚下． (4)坐标原点不是槽口的端点，应是小球出槽口时球心在坐标纸上的投影点． (5)小球开始滚下时的位置高度要适中，以使小球做平拋运动的轨迹由坐标纸的左上角一直到达右下角． (6)在轨迹上选取离坐标原点O点较远的一些点来计算初速度． [例题9] 某同学为估测子弹从玩具枪射出时的速度，设计了如下实验：（将弹丸离开枪口后的运动看作平抛运动） （1）如图1所示，使玩具枪每次都以相同速度射出弹丸，测出了弹丸下降高度y和水平射程x，重力加速度为g，则弹丸的水平初速度v0＝ （用x、y、g表示）。如果考虑竖直方向的空气阻力，则此方法测出的v0比真实值 （选填“偏大”或“偏小”）。 （2）第二次实验如图2所示。该同学站在墙前面，朝墙面开枪，第一枪落点为A；后退20cm，在相同高度处开了第二枪，落点为B；再后退20cm，在相同高度处开了第三枪，落点为C；测得AB＝35cm，BC＝45cm。若取重力加速度大小g＝10m/s2，则弹丸从枪口射出的初速度大小为 m/s。 【解答】解：（1）弹丸离开枪口后的运动看作平抛运动，根据平抛运动规律可知，弹丸水平方向做匀速直线运动，竖直方向做自由落体运动，则有 x＝v0t 联立解得： 考虑竖直方向的空气阻力，则实际下落的时间比按照自由落体运动计算得到的时间长，在水平方向上的位移实际更大一些，计算初速度时仍按照自由落体运动的时间计算，则此方法测出的v0比真实值偏大。 （2）根据匀变速直线运动规律可知，在竖直方向上，连续相等的时间内位移之差为 Δh＝gT2 其中Δh＝BC﹣AC＝45cm﹣35cm＝10cm＝0.1m，代入数据可得：T＝0.1s 则第二枪弹丸的运动时间比第一枪多0.1s，出枪口时的初速度为 故答案为：（1），偏大；（2）2。 [例题10] 采用如图1所示的实验装置做“探究平抛运动的特点”的实验。 （1）实验时不需要的器材有 。（填器材前的字母） A．弹簧测力计 B．重垂线 C．刻度尺 D．坐标纸 （2）以下是实验过程中的一些做法，其中合理的有 。 A．要求斜槽轨道保持水平且光滑 B．装置中的背板必须处于竖直面内 C．每次小球应从同一高度由静止释放 D．为描出小球的运动轨迹，描绘的点可以用折线连接 （3）如图为2一小球做平抛运动时用闪光照相的方法获得的相片的一部分，图中背景小方格的边长为1.25cm，g取10m/s2，则： ①图中A点 平抛的起点（选填“是”或“不是”）； ②小球运动的初速度v0＝ m/s； ③小球过B点的竖直方向速度vBy＝ m/s。 【解答】解：（1）A．该实验不需要测量小球的重力，所以不需要弹簧测力计，故A正确； B．实验时需要用重垂线确定平抛运动的竖直方向，即y轴，故B错误； C．该实验需要用刻度尺来测量位移，故C错误； D．坐标纸用来记录小球轨迹和数据分析，故D错误。 故选：A。 （2）A．该实验需要斜槽轨道有一定的倾斜角度，末端要水平，以确保小球初速度水平，不要求轨道光滑，故A错误； B．装置中的背板必须处于竖直面内，减小误差，故B正确； C．由于要多次描点画同一运动轨迹，必须每次在相同位置静止释放小球，以保证相同的初速度，故C正确； D．描点法描绘运动轨迹时，应将各点连成平滑的曲线，不能连成折线或者直线，故D错误。 故选：BC。 （3）在竖直方向上小球做自由落体运动，根据（5﹣3）L＝gT2，L＝0.0125m，代入数据解得T＝0.05s， 因AB与BC竖直位移之比为3：5，不是从开始的连续奇数比1：3：5...，可知A点不是平抛的起点位置， 初速度v0m/s＝0.75m/s， 通过B点的竖直速度vBym/s＝1.0m/s； 故答案为：（1）A；（2）BC；（3）不是，0.75，1.0。 实验6：验证机械能守恒定律 1．实验目的 利用自由落体验证机械能守恒定律． 2．实验原理 (1)在只有重力做功的条件下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但总的机械能守恒． (2)物体做自由落体运动，设物体的质量为m，下落h高度时的速度为v，则势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2.如果mgh＝mv2，即gh＝v2，就验证了机械能守恒定律． (3)速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻的两点间的平均速度． 计算打第n个点的瞬时速度的方法是测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内的距离xn和xn＋1，由公式vn＝或vn＝算出，如图所示． 3．实验器材 铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)． 4．实验步骤 (1)将实验装置按要求装好(如图所示)，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器． (2)先用手提起纸带，使重物静止在靠近打点计时器的地方． (3)接通电源，松开纸带，让重物自由下落，这样打点计时器就在纸带上打下一系列点． (4)重复以上步骤，多做几次． 5．数据处理 (1)纸带的选取：选用纸带时应尽量挑选第1点点迹清晰且1、2两点之间距离接近2 mm的纸带，这样的一条纸带记录的运动才接近自由落体运动． (2)纸带的处理：在第1点上标O，并从稍靠后的某一点开始，依次标1、2、3、4…并量出各点到O点的距离h1、h2、h3、h4…，再利用公式vn＝计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4…，计算各点对应的重力势能的减少量mghn和动能的增加量mv，并进行比较看是否相等．也可以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出－h图象，若图象是过原点的直线，则可验证机械能守恒定律，其斜率等于g. 发展提升 数据处理的方法2 选取点迹清晰的一条纸带，如图所示，选取B、M两个位置作为过程的开始和终止位置，量出B、M之间的距离hBM，求出B点的速度vB＝，M点的速度vM＝，比较重力势能的减少量(mghBM)与动能的增加量(mv－mv)是否相等，从而验证机械能是否守恒． 6．注意事项 (1)安装打点计时器时，必须使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力． (2)实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带． (3)为了增加实验的可靠性，可重复实验，还可以在一次下落中测量多个位置的速度，比较重物在这些位置上的动能与势能之和． (4)因通过比较mgh与mv2是否相等来验证机械能是否守恒，故不需测重物质量． (5)速度不能用自由落体运动规律公式计算得到． [例题11] 某同学利用下列器材做“验证机械能守恒定律”的实验。 A.一端带有滑轮和刻度尺的气垫导轨； B.两个光电计时器； C.安装有挡光片的小车（质量为M）； D.拴有细线的托盘和钩码（总质量为m）； E.可以调节高度的平衡支架。 该同学选用上述器材安装实验装置如图甲所示。实验步骤如下： ①在气垫导轨上安装两个光电门A、B，两光电门中心的距离为L，调节气垫导轨的倾角，气垫导轨的倾角为θ； ②在托盘中放入钩码，让小车沿气垫导轨上滑，光电计时器记录小车上的挡光片通过A、B的时间分别为t1和t2； ③将小车、托盘、钩码看作系统，利用测得的数据求得系统重力势能与动能变化的关系。 （1）用游标卡尺测量挡光片的宽度d如图乙所示，则d＝ mm。 （2）当地的重力加速度大小为g，在小车从A点运动到B点的过程中，系统减少的重力势能ΔEp＝ ；该过程中系统增加的动能ΔEk＝ 。若在误差允许的范围内，系统减少的机械能等于增加的动能，则系统机械能守恒。（均用相关物理量的符号表示） 【解答】解：（1）游标卡尺的主尺读数为16mm，游标尺读数为0.1mm×4mm＝0.4mm，则最终读数d＝16mm+0.4mm＝16.4mm． （2）根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知，小车通过A点的瞬时速度为vA， 小车通过B点的瞬时速度为vB， 系统的重力势能的减少量可表示为：ΔEp＝mgL﹣MgLsinθ 小车从A处到达B处时系统的动能的增加量可表示为：ΔEk（M+m）（）（M+m）[] 故答案为：（1）16.4；（2）mgL﹣MgLsinθ；（M+m）[] [例题12] （1）某同学用如图1所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验，下列说法中不正确的是 A．不必要测量重锤质量 B．选用重锤时，同样大小、形状的重锤应选重一点的 C．打点计时器应用干电池供电 D．实验时，当松开纸带让重锤下落的同时，立即接通电源 （2）若质量m＝1.00kg的重锤自由下落，在纸带上打出一系列如图2所示的点，A为第一个点，B、C、D为相邻的计数点，相邻计数点的时间间隔为0.04s，长度单位是cm，取g＝9.80m/s2，求：打点计时器从打下起点A到打下点C的过程中，重锤重力势能减少量ΔEp＝ J（保留三位有效数字），重锤动能增加量ΔEk＝ J（保留三位有效数字）。根据以上实验数据可以得出实验结论： 。 【解答】解：（1）A、因为我们是比较mgh、mv2的大小关系，故m可约去，不需要测量重锤的质量，故A正确； B、为了减小空气阻力的影响，在选择重锤时，要选择密度大的实心金属球，即选择质量大体积小的重锤，故B正确； C、打点计时器应用交流电源，而干电池是直流电，故C错误； D、实验时，先接通电源，后松开纸带让重锤下落，故D错误； 本题选择不正确的， 故选：CD。 （2）C点的速度等于BD段的平均速度，则有：vC10﹣2m/s≈2.13m/s， 从打下起点A到打下计数点C的过程中，物体重力势能的减小量：ΔEp＝mgh＝1×9.8×23.25×10﹣2J≈2.28J， 其动能的增加量：ΔEk1×2.132J≈2.27J， 实验的结论是：在实验误差允许的范围内，重物的机械能守恒。 故答案为：（1）CD；（2）2.28；2.27；在实验误差允许的范围内，重物的机械能守恒。 1. “探究恒力做功与动能改变的关系”的实验装置如图所示。 （1）实验时小车应 （填“A”或“B”）打点计时器由静止释放； A．远离 B．靠近 （2）已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，该打点计时器打点的时间间隔为 s； （3）实验时把沙和沙桶的总重力当作细线对小车的拉力，为减小实验误差，沙和沙桶的总质量m与小车的质量M的关系必须满足：m M。 【解答】解：（1）为充分利用纸带，实验前小车应靠近打点计时器，故选B。 （2）打点计时器所用电源的频率f＝50Hz，该打点计时器打点的时间间隔Ts＝0.02s。 （3）当沙和沙桶的m远小于小车质量M，即m＜＜M时，可以把沙和沙桶的总重力当作细线对小车的拉力。 故答案为：（1）B；（2）0.02；（3）＜＜。 2. 探究“加速度与力、质量关系”的实验装置如图甲所示，小车后面固定一条纸带，穿过电火花计时器，细线一端连着小车，另一端通过光滑的定滑轮和动滑轮与挂在竖直面内的拉力传感器相连，拉力传感器用于测小车受到拉力的大小。 （1）关于平衡摩擦力，下列说法正确的是 A．平衡摩擦力时，需要在动滑轮上挂上钩码 B．改变小车质量时，需要重新平衡摩擦力 C．改变小车拉力时，不需要重新平衡摩擦力 （2）实验中 （选填“需要”或“不需要”）满足所挂钩码质量远小于小车质量。 （3）某同学根据实验数据作出了加速度a与力F的关系图象如图乙所示，图线不过原点的原因是 A．钩码质量没有远小于小车质量 B．平衡摩擦力时木板倾角过大 C．平衡摩擦力时木板倾角过小或未平衡摩擦力 【解答】解：（1）A、平衡摩擦力时，不需要在动滑轮上挂上钩码，故A错误； B、实验过程改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力，故B错误； C、实验前平衡摩擦力后，在实验过程中改变小车拉力时，不需要重新平衡摩擦力，故C正确； 故选：C。 （2）小车所受拉力可以由力传感器测出，不需要满足钩码质量远小于小车质量； （3）由图示图象可知，拉力为零时小车已经产生加速度，说明小车受到的合力大于细线的拉力， 这是由于平衡摩擦力时木板倾角过大、平衡摩擦力过大造成的，故B正确，AC错误； 故选：B； 故答案为：（1）C；（2）不需要；（3）B。 3. 用如图1所示装置探究钩码和小车（含砝码）组成的系统的“功能关系”实验中，小车碰到制动挡板时，钩码尚未到达地面。 （1）平衡摩擦力时， （填“要”或“不要”）挂上钩码。 （2）如图2是某次实验中打出纸带的一部分。O、A、B、C为4个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有4个打出的点没有画出，所用交流电源的频率为50Hz．通过测量，可知打点计时器打B点时小车的速度大小为 m/s。 （3）某同学经过认真、规范的操作，得到一条点迹清晰的纸带。他把小车开始运动时打下的点记为O，再依次在纸带上取等时间间隔的1、2、3、4、5、6等多个计数点，可获得各计数点到O的距离s及打下各计数点时小车的瞬时速度v。如图3是根据这些实验数据绘出的v2﹣s图象。已知此次实验中钩码的总质量为0.015kg，小车中砝码的总质量为0.100kg，取重力加速度g＝9.8m/s2，根据功能关系由图象可知小车的质量为 kg．（结果保留两位有效数字） （4）研究实验数据发现，钩码重力做的功总略大于系统总动能的增量，其原因可能是 。 A．钩码的重力大于细线的拉力 B．在接通电源的同时释放了小车 C．未完全平衡摩擦力 D．交流电源的实际频率大于50Hz 【解答】解：①小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力，为了在实验中能够把细绳对小车的拉力视为小车的合外力，则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力，所以在平衡摩擦力时，不挂钩码，但要连接纸带， ②相邻的两个计数点之间还有4个打出的点没有画出，计数点间的时间间隔为：t＝0.02×5＝0.1s， 打B点的速度为：vB0.36m/s， ③对系统，由动能定理得：mgx（M+m+m′）v2， 整理得：v2x， v2﹣x图象的斜率：k1， 解得：M＝0.18kg； ④A．钩码的重力大于拉力，钩码做匀加速运动，不影响拉力做功，故A错误； B．接通电源的同时释放了小车，只会使得纸带上一部分点不稳定，故B错误； C．长木板的右端垫起的高度过低，未完全平衡摩擦力时，则摩擦力做负功，会减小系统的机械能，故C正确； D．交流电源的实际频率大于50Hz，所用的时间为0.02s，比真实的时间间隔大，则代入速度公式中求出来的速度偏小，则动能偏小，故D正确 故选：CD。 故答案为：①不要；②0.36；③0.18；④CD。 4. 某兴趣小组的几位成员做“验证机械能守恒定律”的实验，所用打点计时器的打点周期为0.02s。 （1）如图是四位同学释放纸带瞬间的照片，操作正确的是 （2）如图所示是某次实验中经正确操作得到的一条纸带（局部），把第一个点（初速度为零）记作O点，测出点O、A间的距离s0＝68.97cm，点A、C间的距离s1＝15.24cm，点C、E间的距离s2＝16.76cm，已知当地重力加速度为9.8m/s2，重物的质量为m＝1.0kg，则打点计时器在打O点到C点的这段时间内，重物动能的增加量为 J，重力势能的减少量为 J。（结果均保留两位小数） 【解答】解：（1）在释放纸带瞬间应保证纸带竖直，且重物应靠近打点计时器。故A正确，BCD错误。 故选：A。 （2）打C点时，重物的速度大小为 所以O点到C点的这段时间内，重物动能的增加量为 重力势能的减少量为 故答案为：（1）A；（2）8.00，8.25。 5. 在“验证机械能守恒定律”的实验中， （1）图1，下列操作正确的是 。 （2）实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图2所示。已知打点的频率为50Hz，则打点“13”时，重锤下落的速度大小为 m/s（保留三位有效数字）。 （3）某同学用纸带的数据求出重力加速度g＝9.77m/s2，并用此g值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力势能减小值为5.09m，另计算得动能增加值为5.08m（m为重锤质量），则该结果 （选填“能”或“不能”）验证机械能守恒，理由是 。 A.在误差允许范围内 B.没有用当地的重力加速度g 【解答】解：（1）释放纸带时，要保证纸带竖直与限位孔无摩擦，并且物体要靠近打点计时器从而充分利用纸带，故选A。 （2）由f知，T＝0.02s，则打点“13”时重锤的速度v0.01m/s＝3.34m/s （3）计算重力势能时应用当地的重力加速度计算，故不能验证机械能守恒定律，故A错误，B正确； 故选：B。 故答案为：（1）A；（2）3.34；（3）能，B 6. 在探究质量一定时加速度与力的关系，小佳同学设计了如图甲所示的实验装置。其中M为带滑轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量。（动滑轮质量不计） （1）操作本实验时，以下操作步骤正确的有 。 A．为了获得合力大小需用天平测出砂和砂桶的质量m B．为减小实验误差，改变砂和砂桶质量时，必须要满足砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M C．将带滑轮的长木板右端垫高，以补偿阻力 D．为保证纸带上打点的清晰度和点的数量，小车释放时要靠近打点计时器，先释放小车，再接通电源，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数 （2）经正确操作，得到如图乙所示的纸带，已知打点计时器所接交流电源的频率为50Hz，相邻两计数点之间还有四个计时点未画出，则小车运动的加速度大小为 m/s2。（结果保留两位有效数字） （3）正确操作记录若干数据后，小佳同学以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a﹣F图像是一条直线，图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为 。 A．k B． C．2tanθ D． 【解答】解：（1）AB．本实验中小车受到的拉力可直接由弹簧测力计测出，所以不需要测量砂和砂桶的质量，也不需要满足砂和砂桶的质量远小于小车的质量，故AB错误； C．为了使细线拉力等于小车的合外力，所以本实验需要平衡摩擦力，可将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦为力，故C正确； D．为保证纸带上打点的清晰度和点的数量，小车释放时要靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数，故D错误。 故选：C。 （2）相邻两计数点之间还有四个计时点未画出，可知相邻计数点的时间间隔为T0.1s 根据逐差法可知小车运动的加速度为 （3）对小车，根据牛顿第二定律可得 可知图线的斜率为 即 故B正确，ACD错误。 故选：B。 故答案为：（1）C；（2）2.4；（3）B。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！6 学科网（北京）股份有限公司 $$