力学实验中的

力学实验中的力学实验中的 纸带类纸带类 问题问题 地位和作用地位和作用 力学实验考点力学实验考点 实验一 研究匀变速直线运动实验一 研究匀变速直线运动 实验二 探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系 实验三 验证力的平行四边形定则 实验四 验证牛顿运动定律实验四 验证牛顿运动定律 实验五 探究动能定理实验五 探究动能定理 实验六 验证机械能守恒定律实验六 验证机械能守恒定律 力学实验中有四个实验涉及到纸带的处理 近几年力学实验中与纸带处理相关的实验 力学创新实验是高考的热点内容 以分组或演示实验为背景 考查对实验方法的领悟情况 灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势 涉及到运动的物理量 如 速度 加速度 质量 力 功率 功 动能 重力势能 动摩擦因数 转速等 的测量均 可考查到与纸带相关的实验 思考 思考 根据纸带上的点迹回答下列问题 如何判定物体做匀速直线运动 匀变速直线运动 如何求解匀变速直线运动的瞬时速度 如何求匀变速直线运动的加速度 典例精析典例精析 例例 1 1 研究匀变速直线运动 研究匀变速直线运动 某实验小组拟用如图 1 所示装置研究滑块的运动 实 验器材有滑块 钩码 纸带 细绳 刻度尺 带滑轮的木板 以及打点计时器等 实验中 滑块在钩码作用下拖动纸带做匀加速直线运动 1 1 已知实验装置中打点计时器的电源为 50Hz 的低压交流电源 若打点的时间间隔 用 T0表示 则 T0 s 2 图 2 是实验中得到的一条纸带 A B C D E F G 为 7 个相邻的计数点 设纸带上七个相邻计数点的间距为 和 相邻的两个计数点之间 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 还有四个点未画出 可用 和 T0表示为 a 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 xa 可用 和 T0表示为 B v 1 x 2 x B v 3 若量出相邻的计数点之间的距离分别为 4 22 cm 4 65 cm 5 08 1 x 2 x 3 x 图 1 打点计时器物块 细绳 滑轮 重物 cm 5 49 cm 5 91 cm 6 34 cm 由此求得加速度的大小 4 x 5 x 6 xa m s2 m s 计算结果取 2 位有效数字 B v 答案 1 B 2 C 3 2 0 123456 T225 xxxxxx a 0 21 T10 xx vB 4 0 31 0 44 题型攻略 题型攻略 在纸带类力学实验中 利用打点计时器打下的纸带 会求运动物体的瞬时速度和加速在纸带类力学实验中 利用打点计时器打下的纸带 会求运动物体的瞬时速度和加速 度是两个最基本问题度是两个最基本问题 打点计时器打点计时器 打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器 它每隔 0 02s 打一次点 由于电源频 率是 50Hz 因此纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置 研究 纸带上点之间的间隔 就可以了解物体运动的情况 纸带的应用纸带的应用 1 物体运动性质的判定 物体运动性质的判定 间距相等间距相等 匀速运动匀速运动 连续相临相等间隔时间内距离差恒定连续相临相等间隔时间内距离差恒定 匀变速直线运动匀变速直线运动 如何求解匀变速直线运动的瞬时速度 2 利用平均速度法求瞬时速度 利用平均速度法求瞬时速度 T xx v nn n 2 1 如何求匀变速直线运动的加速度 3 利用纸带求被测物体的加速度 利用纸带求被测物体的加速度 a 公式法 公式法 利用利用求解求解 2 Tnm xx a nm 逐差法逐差法 求加速度 求加速度 从纸带上取 6 段相邻相等时间内的位移 则 这样数据全部得到利用 以提高准确性 2 321654 9 T xxxxxx a b 图像法 图像法 利用算出相应时刻点的速度 画出 v t 图像 图线的斜率就是加速 T xx v nn n 2 1 度 创新拓展 创新拓展 纸带类问题中打点计时器可以用其他方式替代 比如频闪照片法 滴水法 沙摆法以及转棒法等等 其实不管用那种方式 我们都要抓住相邻两点迹时间 间隔相等 幻灯片展示 幻灯片展示 例例 2 探究合外力做功和动能变化的关系 探究合外力做功和动能变化的关系 如图 1 所示 某组同学借用 探究 a 与 F m 之间的定量关系 的相关实验思想 原理 及操作 进行 探究合外力做功和动能变化的关系 的实验 1 为达到平衡阻力的目的 取下细绳和托盘 通过调节垫片的位置 改变长木板倾 斜程度 根据打出的纸带判断小车是否做 运动 2 在 条件下可认为细绳对小车的拉力近似等 于砝码和托盘的总重力 3 连接细绳及托盘 放入砝码 通过实验得到图 2 所示的纸带 纸带上 O 为小车 运动起始时刻所打的点 选取时间间隔为 0 1s 的相邻计数点 A B C D E F G 实 验时小车所受拉力为 0 2N 小力车的质量为 0 2kg 请计算小车所受合外力做的功 W 和小车动能的变化 补填表中空格 结果保留 k E 至少小数点后第四位 O BO CO DO EO F W J0 04320 05720 07340 0915 J k E 0 04300 05700 07340 0907 分析上述数据可知 在实验误差允许的范围内 与理论推导结果一致 k EW 4 实验前已测得托盘的质量 7 7 10 3kg 实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应 为 kg g 取 9 8m s2 结果保留至小数点后第三位 题型攻略 题型攻略 利用打点计时器打出的纸带 测量距离计算出做功 在利用位移 计算出瞬 T xx v nn n 2 1 时速度并计算该点的动能 然后与做功的大小进行比较 本实验采用了等效法即在平衡摩擦力以及 M m 条件下 mg 等效于不受阻力时的合外 力 误差来源于实验原理不完善造成的系统误差和摩擦力平衡不准确 测量不准确 纸带和细绳不平行木板 答案 2 匀速直线 0 1115 0 1105 0 015 解析 2 0 2 0 55750 1115WFsJJ 2 OGOE F ss v T 2 1 2 kF Em v A 车 代入 数据得0 1105 k EJ A mgFma 得 F m ga 逐差法求小车加速度 a 0 9856m s2 即砝码与托盘的加速度 m砝码 盘 m m代入计算的 得 0 015mkg 砝码 创新拓展 创新拓展 探究做功与动能变化量的关系还有其他常见方案 如 橡皮筋法 自由落体法 斜面 连接体法 幻灯片展示 幻灯片展示 巩固练习 巩固练习 如图所示 用包有白纸的质量为 1 00kg 的圆柱棒替代纸带和重物 蘸有颜料的毛笔固 定在电动机的飞轮上并随之匀速转动 以替代打点计时器 烧断悬挂圆柱棒的线后 圆柱 棒竖直自由下落 毛笔就在圆柱棒上面的纸上画出记号 如图所示 设毛笔接触棒时不影 响棒的运动 测得记号之间的距离依次为 26 0mm 50 0mm 74 0mm 98 0mm 122 0mm 146 0mm 由此可验证机械能守恒定 律 已知电动机铭牌上标有 1200r min 字样 根据以上内容回答下列问题 毛笔画相邻两条线的时间间隔 T s 根据图所给的数据可知 毛笔画下记号 3 时 圆柱棒下落的速度 V3 m s 画下记号 6 时 圆柱棒下落的速度 V6 m s 在毛笔画下记号 3 到画下记号 6 的这段时间内 棒的动能的增加量为 J 重力势能的减少量为 J 由此可得出的结论是 在误差允许范围内圆柱下落过程中机械 能守恒 g 9 8m s2 结果保留三位有效数字 方法点拨 方法点拨 电动机匀速转动 相邻两线时间间隔相等 打点计时器 纸带 橡皮筋 对实验中的高度用刻度尺去测量 在本实验中一定要利用 求解 而不能用或 T xx v nn n 2 1 2 2 1 mvmgh t nT 去求 v gtvn 拓展 拓展 利用本实验装置 若把圆柱棒看作自由落体运动 已知重力加速度 利用打出的纸 带去求电动机的转速 小结 纸带类问题处理中的关键在于求出加速度和瞬时速度 再运用其它小结 纸带类问题处理中的关键在于求出加速度和瞬时速度 再运用其它 知识进行处理达到实验目的 知识进行处理达到实验目的 课后作业课后作业 1 4 课后作业 课后作业 1 研究匀变速直线运动 研究匀变速直线运动 某同学利用图甲所示的实验装置 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 50 Hz 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 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 图甲 打点计时器物块 细绳 滑轮 重物 单位 cm 1 3 00 2345 5 01 7 01 9 00 11 01 67891011 12 28 10 60 8 61 6 60 4 60 图乙 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 a g 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 答案 6 7 或 7 6 1 00 1 20 2 00 偏大 方法点拨方法点拨 1 问中求解 6 点的速度 不能贸然不能贸然应用 因为 6 7 点之间物体 T xx v 2 65 6 由加速变为减速 由加速变为减速 求解 6 点的速度必须要从之前的点打开突破口打开突破口应用运动学公式 0 vvat 2 滴水法研究匀变速直线运动 滴水法研究匀变速直线运动 一个小车 M 上装有一个滴墨水的容器 每分钟滴出 120 滴墨水 重物 N 通过滑轮用细绳拉动小车做匀加速直线运动 小车经过处 在桌面上留下一系列墨滴 如图测出 12 01cm 13 99cm 10 x 12 x 16 00cm 18 01cm 19 99cm 22 00 则小车在 2 5 处的瞬时速 23 x 34 x 45 x 56 x 度分别为 小车的加速度为 m s2 0123456 3 沙摆法研究匀变速直线运动 沙摆法研究匀变速直线运动 研究某实验小组拟用如图 1 所示装置研究滑块的运动 实验器材有滑块 钩码 纸带 米尺 带滑轮的木板 以及由漏斗和细线组成的单摆等 实验中 滑块在钩码作用下拖动纸带做匀 加速直线运动 同时单摆垂直于纸带运动方向摆动 漏斗漏出的有色液体在纸带带下留下 的痕迹记录了漏斗在不同时刻的位置 在图 2 中 从 纸带可看出滑块的加速度和速度方向一致 用该方法测量滑块加速度的误差主要来源有 写出 2 个即可 4 研究加速度和力的关系 研究加速度和力的关系 某同学利用图甲所示的实验装置做了这样的实验 按住小车 在小吊盘中放入适当质量的物块 释放小车 小车由 静止开始运动 按实验要求正确装上纸带 让小车靠近打点计时器 按住小车 打开打点计时器电源 释放小车 获得一条带有点列的纸带 在获得的纸带上清晰的部分 每 5 个间隔标注一个计数点 A B C 测量相邻计数点的间距 S1 S2 S3 并将其记录在纸带上对 应的位置处 完成下列填空 已知实验装置中打点计时器的电源为 50Hz 的低压交流电源 若打点的时间间隔用 t 表示 则 t s 设纸带上五个相邻计数点的间距为 S1 S2 S3和 S4 a 可用 S1 S4和 t 表示为 a VB可用 S1 S2和 t 表示为 VB 图乙为用米尺测量所得纸带上的 S1 S2 S3和 S4的情况 由图可读出 S1 cm S2 cm S4 cm 由此求得加速度的大小 a m s2 VB m s 计算结果取 3 位有效数字 答案 0 02 1 68 2 42 3 88 0 735 0 205 2 14 75 t ss 2 21 10 t ss 5 探究动能定理 探究动能定理 某实验小组采用图所示的装置探究 动能定理 图中小车中可放置砝码 实验中 小 车碰到制动装置时 钩码尚未到达地面 打点针时器工作频率为 50 Hz 1 实验的部分步骤如下 在小车中放入砝码 把纸带穿过打点计时器 连在小车后端 用细线连接小车和钩 码 将小车停在打点计时器附近 小车拖动纸带 打点计时器 在纸带上打下一列点 改变钩码或小车中砝码的数量 更换纸带 重复 的操作 2 图 1 2 是钩码质量为 0 03 kg 砝码质量为 0 02 kg 时得到的一条纸带 在纸 带上选择起始点 0 及 A B C D 和 E 五个计数点 可获得各计数点到 0 的距 离 5 及对应时刻小车的瞬时速度 v 请将 C 点的测量结果填在表 1 中的相 应位置 图 1 2 3 在上车的运动过程中 对于钩码 砝码和小车组成的系统 做正功 做负功 4 实验小组根据实验数据绘出了图 13 中的 v 2 s 图线 v 2 s 其中 v 2 v 2 v 0 2 根据图线可获得的结论是 要验证 动能定理 还需要测量的物理量是 摩擦力和 纸带的测量结果如下表 6 验证机械能守恒定律 验证机械能守恒定律 在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中 质量为 m 1 00kg 的重物自由下落 打点计时器在纸带上打出一系列 点 如图所示为选取的一条符合实验要求的纸带 O 为打点计时器 打出的第一个点 点 A B C 为从合适位置开始选取的三个连续点 其他点未画出 已 知打点计时器每隔 0 02s 打一次点 当地的重力加速度为 g 9 8m s2 那么 1 纸带的 端 选填 左 或 右 与重物相连 2 根据下图上所得的数据 应取图中 O 点和 B 点来验证机械能守恒定律 3 从 O 点到所取点 重物重力势能减少量 P E 1