2013年高考试题中的力学实验研究.doc

2011年高考试题中的力学实验研究陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室邢彦君2011年高考试题中的力学实验问题，几乎涵盖了考试大纲所涉及的所有力学实验。试题源于教科书而不拘泥于教科书，试题情境以及设问都是对原基本实验的原理、方法、步骤、仪器器材、数据处理某方面或几个方面的创新与变通，在考查学生实践能力的同时，较好的考查了学生的创新能力及综合运动物理知识与方法，数学知识与方法的能力。一、探究力的平行四边形定则实验实验的基本思路是，运用平行四边形定则，通过作图（力的图示）求得两个互成角度的恒力的合力大小及方向。再运用等效法（两分力共同作用与合力单独作用产生相同效果）或平衡法（三个共点恒力使物体保持静止状态）测出合力大小及方向。比较求得的合力与测出的合力，看二者是否一致。例1（江苏物理）某同学用如图1所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”。弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M。弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置。分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向。（1）本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为_N。（2）下列不必要的实验要求是_。（请填写选项前对应的字母）A应测量重物M所受的重力B弹簧测力计应在使用前校零C拉线方向应与木板平面平行D改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置（3）某次实验中，某同学发现弹簧测力计A指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法。解析：（1）弹簧测力计刻度部分每小格代表0.2N，从图上可以先读出整数位为3N，再读出不足1N部分为：3小格0.2N/小格=0.6N。则弹簧秤的是数为：3.6N。（2）只要验证两弹簧测力计拉力的合力大小等于重物的重力，方向竖直向上即可。每次只需保证O点（重物）保持静止即可，不必要每次都使O点静止在同一位置。选D。（3）如果不更换重物M，即不改变两弹簧测力计拉力的合力大小及方向，欲使A的拉力减小点，可以不改变B的拉力方向而将其大小减小一点；也可不改变B拉力的大小而顺时针增加该力方向与水平方向的夹角。如果保持测力计B的拉力大小、方向不变，可以减少重物M的质量。还可以更换弹簧测力计A，选用量程较大的测力计。二、探究弹簧的弹力与伸长的关系实验的基本思路是利用平衡法，通过挂在竖直固定的轻弹簧下端的钩码的重力测出弹簧不同伸长时的弹力F，通过钩码静止时弹簧的长度与原长的差得出伸长量x，然后建立F-x坐标系，在坐标平面某处各组数据代表的点，连接各点形成弹簧的F-x图象，由图象可知F与x的关系，还可利用图象的斜率测出。也可直接建立弹力与弹簧长度的关系图象进行验证或测量劲度系数。例2（安徽理综）为了测量某一弹簧的劲度系数，将该弹簧竖直悬挂起来，在自由端挂上不同质量的砝码。实验测出了砝码的质量m与弹簧长度l的相应数据，其对应点已在图2上标出。（g=9.8m/s2）（1）作出m-l的关系图线；（2）弹簧的劲度系数为 N/m。解析：（1）连接图中各点，形成如图2所示的直线图象。（2）由于建立的是m-l图象，相当于是F-l图象，其图象的斜率与重力加速度的积，表示弹簧的劲度系数，图象在x轴的截距则代表弹簧的原长。根据画出的m-l图象可求得弹簧的劲度系数在0.2480.262 N/m范围内。三、研究匀变速直线运动利用打点计时器打出的纸带，可测出物体匀加速直线运动的加速度。通常是运用匀变速直线的涉及加速度的公式或推论计算加速度。也可利用光电门、速度传感器测匀变速直线运动的瞬时速度，利用匀变速直线运动的速度公式、位移公式或速度位移关系式建立相关线性图象，由图象的斜率求出加速度。例3（上海物理）如图3所示，为测量作匀加速直线运动小车的加速度，将宽度均为b的挡光片A、B固定在小车上，测得二者间距为d。（1）当小车匀加速经过光电门时，测得两挡光片先后经过的时间t1和t2，则小车加速度a 。（2）为减小实验误差，可采取的方法是A增大两挡光片宽度b B减小两挡光片宽度bC增大两挡光片间距dD减小两挡光片间距d解析：（1）挡光片经过光电门时的平均速度可近似代替小车的瞬时速，所以，小车上的挡光片A、B先后经过光电门时，小车的速度分别为：，。由公式可知，小车的加速度为：。（2）由于是用挡光片经过光电门时的平均速度近似代替小车的瞬时速，所以，小车上的挡光片越窄，挡光片经过光电门时的平均速度越接近于小车的瞬时速度；增大两挡光片间的距离，两个瞬时速度相差越大，计算加速度的误差越小。BC正确。例4（广东理综）图4是“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带，O、A、B、C、D和E为纸带上六个计数点。加速度大小用a表示。（1）OD间的距离为 cm。（2）图5是根据实验数据绘出的图线（s为各计数点至同一起点的距离），斜率表示_；加速度的大小为_m/s2（保留三位有效数字）解析：（1）由O、D两点在刻度尺上所对刻度之差可求得两点间的距离为：1.20cm。由图象可知物体运动的初速度为零，由公式可知，图象的斜率为：。因此，图象的斜率表示加速度一半。因此，可求得物体运动的加速度为：a=0.933m/s2。例5（全国课标卷理综）利用图6所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度。一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动，当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t。改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离s，记下相应的t值；所得数据如下表所示。s（m）0.5000.6000.7000.8000.9000.950t(ms)292.9371.5452.3552.8673.8776.4s/t(m/s)1.711.621.551.451.341.22完成下列填空和作图：（1）若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度vt测量值s和t四个物理量之间所满足的关系式是_；（2）根据表中给出的数据，在图7给出的坐标纸上画出图线；解析：（1）由于摩擦力恒定，因此滑块沿斜面的运动是匀加速直线运动，故有：，。解得：。因此，。（2）由可知，建立图象，图象的斜率绝对值等于加速度的一半，即。由表中数据作出图象如图7所示，可求得：a=2.00m/s2。四、测量动摩擦因数测量动摩擦因数的实验，需要综合运用力学知识与方法，实验的原理有共点力平条件、牛顿第二定律、动能定理等。其基本思路是设定一个物体相对另一物体滑动，使动摩擦因数关联于滑动摩擦力的表达式中。例6（山东理综）某探究小组设计了“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方案。如图8所示，将一个小球和一个滑块用细绳连接，跨在斜面上端。开始时小球和滑块均静止，剪断细绳后，小球自由下落，滑块沿斜面下滑，可先后听到小球落地和滑块撞击挡板的声音，保持小球和滑块释放的位置不变，调整挡板位置，重复以上操作，直到能同时听到小球落地和滑块撞击挡板的声音。用刻度尺测出小球下落的高度H、滑块释放点与挡板处的高度差h和沿斜面运动的位移x。（空气阻力对本实验的影响可以忽略）（1）滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为_。（2）滑块与斜面间的动摩擦因数为_。（3）以下能引起实验误差的是_。A滑块的质量B当地重力加速度的大小C长度测量时的读数误差D小球落地和滑块撞击挡板不同时解析：（1）对于滑块的运动及小球的自由落体，分别有：，。解得：。（2）对滑块在斜面的运动，运用牛顿第二定律有：，即：，代入解得：。（3）由表达式可以看出，影响测量误差的原因有x、h、H的测量。另外，实验必须严格控制，使小球落地与滑块撞击挡板同步，这是成立的前提。本题选CD。例7（重庆理综）某同学设计了如图9所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数。滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为，托盘和盘中砝码的总质量为m，实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10m/s2。（1）为测量滑块的加速度a，须测出它在A、B间运动的 与 ，计算a的运动学公式是 ；（2）根据牛顿运动定律得到a与m的关系为：他想通过多次改变m，测出相应的a值，并利用上式来计算。若要求a是m的一次函数，必须使上式中的 保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于 ；（3）实验得到a与m的关系如图10所示，由此可知= （取两位有效数字）解析：（1）由于滑块做初速度为零的匀加速直线运动，只要测出由A至B的运动时间t及位移s，就可由公式计算出滑块的加速度。（2）由关系式可知，实验中是以滑块M、滑块上的砝码、托盘m为研究对象的。所以，欲使表达式中a是m的一次函数，就要使（M+m）保持不变。所以，实验中应将从托盘中取出的砝码置于滑块上。（3）从图象上选取两个相距较远的点，将其坐标分别代入，将得到关于的方程组，代入g=10m/s2解得：=0.23。 五、研究机械能守恒定律研究或验证机械能守恒定律，如果不涉及弹性势能，就必须设定一个只有重力对物体或物体系统做功的运动过程，选取这一运动过程中的两个位置，测出两位置间物体或物体系统的高度差，计算出重力势能的减少量（或增量）；测出物体或物体系统经过两个位置时的瞬时速度，计算出动能的增量（或减少量）。然后比较，看两者是否相等。例8（海南）现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图11所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测试遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到导轨低端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示A、B两点的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作图；（1）若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_。动能的增加量可表示为_。若在运动过程中机械能守恒，与s的关系式为= _。（2）多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A点）下滑，测量相应的s与t值，结果如下表所示：12345s（m）0.6000.8001.0001.2001.400t（ms）8.227.176.445.855.431/t2（104?s-2）1.481.952.412.923.39以