专题六 力学实验

高三物理 二轮复习 专题六 实验 1 专题解读专题解读 高考要求高考要求 6 个力学实验个力学实验 实验一 研究匀变速直线运动 实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系 实验三 探究求合力的方法 实验四 探究加速度与力 质量的关系 实验五 探究功与速度变化的关系 实验六 验证机械能守恒定律 实验七 探究单摆周期与摆长的关系 一 误差和有效数字一 误差和有效数字 1 误差误差 测量值与真实值的差异叫做误差 误差可分为系统误差和偶然误差两种 系统误差的特点是在多次重复同一实验时 误差总是同样地偏大或偏小 偶然误差总是有时偏大 有时偏小 并且偏大和偏小的机会相同 减小偶然误差的方法 可以多进 行几次测量 求出几次测量的数值的平均值 这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值 2 有效数字有效数字 带有一位不可靠数字的近似数字 叫做有效数字 有效数字是指近似数字而言 只能带有一位不可靠数字 不是位数越多越好 凡是用测量仪器直接测量的结果 读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值 可靠数字 后 再向下估读一位 不可靠数字 这里不受有效数字位数的限制 间接测量的有效数字运算不作要求 运算结果一般可用 2 3 位有效数字表示 二 考试大纲规定的学生实验二 考试大纲规定的学生实验 1 长度的测量 游标卡尺和螺旋测微器 长度的测量 游标卡尺和螺旋测微器 游标卡尺 10 分度的游标卡尺 其读数准确到 0 1mm 20 分度的游标卡尺 其读数准确到 0 05mm 50 分度的游标卡尺 其读数可以准确到 0 02mm 要知道主要构造的名称 主尺 游标尺 外测量爪 内测量爪 深度尺 紧固螺钉 螺旋测微器 固定刻度上的最小刻度为 0 5mm 在中线的上侧 可动刻度每旋 转一圈前进 或后退 0 5mm 在可动刻度的一周上平均刻有 50 条刻线 所以相邻两条刻线间代表 0 01mm 要知道主要构造的名称 以下的 依次是 测砧 测微螺杆 固定刻度 可动刻度 旋钮 微调旋钮和尺架 例 1 读出下列游标卡尺测量的读数 专题六专题六 力学实验力学实验 高三物理 二轮复习 专题六 实验 2 例 2 读出下列螺旋测微器测量的读数 例 3 2012 湖北百校联考 某同学想利用 DIS 测电风扇的转速和叶片长度 他设计的实验装置如图 甲所示 该同学先在每一叶片边缘粘上一小条长为 L 的反光材料 当叶片转到某一位置时 光传感器 就可接收到反光材料反射的激光束 并在计箅机屏幕上显示出矩形波 如图乙所示 已知屏幕横向每大 格表示的时间为 5 00 10 3s 则电风扇匀速转动的周期为 s 若用游标卡尺测得 L 的长度如图 丙所示 则叶片长度为 m 2 研究匀变速直线运动 研究匀变速直线运动 纸带处理 从打点计时器重复打下的多条纸带中选点迹清楚的一条 舍掉开始比较密集的点迹 从 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 A B C 或者说每隔 4 个点取一 个记数点 这样做的好处是相邻记数点间的时间间隔是 0 1s 便于计算 测出相邻计数点间的距离 s1 s2 s3 利用 s1 s2 s3 可以计算相邻相等时间内的位移差 s2 s1 s3 s2 s4 s3 如果它们在允许的误差范 围内相等 则可以判定被测物体的运动是匀变速直线运动 利用纸带可以求被测物体在任一计数点对应时刻的瞬时速度 v 如 T ss vc 2 32 利用纸带求被测物体的加速度 a 具体来说又有 3 种方法 逐差法 从纸带上得到 6 个相邻相等时间内的位移 则 2 321654 9T ssssss a 利用任意两段相邻记数点间的位移求 a 如 2 Tnm ss a nm 利用 v t 图象求 a 求出 A B C D E F 各点的即时速度 画出 如右的 v t 图线 图线的斜率就是加速 度 a 例 4 某同学在做 测定匀变速直线运 t s 0 T 2T 3T 4T 5T 6T v ms 1 高三物理 二轮复习 专题六 实验 3 A O B a b c 动的加速度 实验时 从打下的若干纸带中选出了如图所示的一条 每两点间还有 4 个点没有画出来 图中上部的数字为相邻两个计数点间的距离 打点计时器的电源频率为 50Hz 由这些已知数据计算 该匀变速直线运动的加速度 a m s2 与纸带上 D 点相对应的瞬时速度 v m s 答案均要求保留 3 位有效数字 例 5 物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数 实验装置如右图 一表面粗糙 的木板固定在水平桌面上 一端装有定滑轮 木板上有一滑块 其 一端与电磁打点计时器的纸带相连 另一端通过跨过定滑轮的细线 与托盘连接 打点计时器使用的交流电源的频率为 50Hz 开始实验 时 在托盘中放入适量砝码 滑块开始做匀加速运动 在纸带上打 出一系列小点 1 下图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分 0 1 2 3 4 5 6 7 是计数点 每相邻两计数点间还有 4 个打 点 图中未标出 计数点间的距离如下图所示 根据图中数据计算的加速度 a 保留三位有 效数字 2 为测量动摩擦因数 下列物理量中还应测量的有 填入所选物理量前的字母 A 木板的长度 l B 木板的质量 m1 C 滑块的质量 m2 D 托盘和砝码的总质量 m3E 滑块运动的时间 t 3 滑块与木板间的动摩擦因数 用被测物理量的字母表示 重力加速度为 g 与 真实值相比 测量的动摩擦因数 填 偏大 或 偏小 写出支持你的看法的一个论据 3 3 探究弹力和弹簧伸长的关系 探究弹力和弹簧伸长的关系 1 1 实验原理实验原理 弹簧受到拉力会伸长 平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等 弹簧受到拉力会伸长 平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等 弹簧的伸长越大 弹力也就越大 弹簧的伸长越大 弹力也就越大 2 2 实验装置如图所示实验装置如图所示 3 3 实验步骤 实验步骤 例例 6 6 为了测量某一弹簧的劲度系数 降该弹簧竖直悬挂起来 在自由端挂上不同质量的砝码 实验册除了砝码的质量 m 与弹簧长度 l 的 相应数据 七对应点已在图上标出 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 4 4 探究求合力的方法 探究求合力的方法 原理是两只弹簧秤成角度拉橡皮条 AB 和一只弹簧秤拉橡皮条 AB 的效 果相同 这个效果就是指橡皮条的形变量 大小和方向 相同 在画力的图示时 必须有箭头 标度 刻度 实验往往有一定的偶然误差 只要用平行四 边形定则求得的合力 F 和一只弹簧秤的拉力 F 的图示大小和方向在误差允许的范围内相同就 可以了 注意事项 高三物理 二轮复习 专题六 实验 4 用弹簧秤测拉力时 应使拉力沿弹簧秤的轴线方向 橡皮条 弹簧秤和细绳套应位于与纸面平行的 同一平面内 同一次实验中 橡皮条拉长后的结点位置 O 必须保持不变 例 7 橡皮筋的一端固定在 A 点 另一端栓上两根细绳 每根细绳分别连着一个量程为 5N 最小刻度 为 0 1N 的弹簧测力计 沿着两个不同的方向拉弹簧测力计 当橡皮筋的活动端拉到 O 点时 两根细绳 相互垂直 如图所示 这时弹簧测力计的读数可从图中读出 由图可读得两个相互垂直的拉力的大 小分别为 N 和 N 只须读到 0 1N 在右图的方格纸中按作图法的要求画出这两个力及它 们的合力 例 8 2012 河南郑州第一次质量检测 某同学利用如图所示的装置探究共点力合成的规律 图中GE 是橡皮条 甲图表示用两个互成角度的拉力牵拉橡皮条 乙图表示用一个拉力牵拉橡皮条 下列说法 正确的是 A 甲图中两个拉力的方向必须相互垂直 B 甲 乙两图中 橡皮条拉伸方向 必须水平 C 甲 乙两图中必须将橡皮条拉到相同位置O D 甲图实验完成后 可更换橡皮条 继续进行乙图实验 5 探究加速度与力 质量的关系 探究加速度与力 质量的关系 了解该实验的系统误差的来源 用砂和砂桶的总重量代替小车受 到的拉力 由牛顿第二定律可知 由于砂桶也在做匀加速运动 因此 砂和砂桶的总重量肯定大于小车受到的实际拉力 可以推导出结 论 只有在小车的总质量 M 远大于砂和砂桶的总质量 m 时 才 能使该系统误差足够小 没有考虑摩擦阻力的作用 应该用平 衡摩擦力的方法来消除这个系统误差 为研究 a F m 三者的关系 要利用 控制变量法 分别研究 a 与 F a 与 m 的关系 用图象法验证 a F a m 1 后者必须用 a m 1 图象 不能用 a m 图象 例 9 2012 江西模拟 某实验小组利用如下图所示的实验装置来探究当合 外力一定时 物体运动的加速度与其质量之间的关系 1 实验前用刻度尺测出两个光电门中心之间的距离 s 并测得遮光条的 宽度 d 该实验小组在做实验时 将滑块从图所示位置由静止释放 由数字 计时器可以读出遮光条通过光电门 1 的时间 t1 遮光条通过光电门 2 的 时间 t2 则滑块经过光电门 1 时的瞬时速度的表达式 v1 滑块经过光电门 2 时的瞬时速度的表达式 v2 则滑块的加速度的表达式 a 以上表达式均用直接测量的物理量的字母表示 2 在本次实验中 实验小组通过改变滑块质量做了 6 组实验 得到如下表所示的实验数据 实验次数123456 质量 m g 250300350400500800 加速度 a m s2 2 021 651 431 251 000 63 通过计算分析上表数据后 得出的结论是在合外力不变的情况下 物体运动的加速度跟物体的质量成 反比 如果想通过图象法进一步确认自己的结论 须建立 填 a m 或 a m 1 坐标系 打点计时器 图 1 高三物理 二轮复习 专题六 实验 5 根据实验数据描点作图 如果图线是一条 就可确认上述结论 例 10 2012 福建省六校联考 如图所示 为 探究加速度与力 质量的关系 实验装置图 图中 A 为小车 B 为砝码及砝码盘 C 为一端带有定滑轮的长木板 小车通过纸带与电火花打点计时器相 连 计时器接 50Hz 交流电 小车 A 的质量为 m1 砝码及砝码盘 B 的质量为 m2 1 下列说法正确的是 A 每次改变小车质量时 应重新平衡摩擦力 B 实验时应先释放小车后接通电源 C 本实验 m2应远大于 m1 D 在用图象探究加速度与质量关系时 应作 a 1 1 m 图象 2 实验时 某同学由于疏忽 遗漏了平衡摩擦力这一步骤 他测量得到的 a F 图像 可能是图中的图线 选填 甲 乙 丙 3 如图所示为某次实验得到的纸带 纸带中相邻计数点间的距离已标出 相邻计数点间还有四个 点没有画出 由此可求得小车的加速度大小 m s2 结果保留二位有效数字 6 探究功与速度变化的关系 探究功与速度变化的关系 该实验是新增实验 值得注意的是该实验具有 探究性质 在课本必修 2 P64 有该实验的 描述 其原理与 验证机械能守恒定律 相似 是否还有其它实验方法 可能是高考命题的一个方向 但不管如何 始终把握住动能定理 合 WEk 1 实验原理 合外力做功 动能的变化 动能 速度 2 实验装置 如图所示 思考 1 探究过程中 如何获得橡皮筋做功 探究过程中 如何获得橡皮筋做功 是是 否需要测出橡皮筋做功的具体数值 否需要测出橡皮筋做功的具体数值 注意 为了使弹力功的大小与橡皮筋的条数成正比 因此 每次拉长橡皮筋的长度应该相等 注意 为了使弹力功的大小与橡皮筋的条数成正比 因此 每次拉长橡皮筋的长度应该相等 思考 2 小车获得的速度怎样计算 小车获得的速度怎样计算 思考思考 3 3 实验完毕后用什么方法分析橡皮筋对小车作的功和小车速度的关系 实验完毕后用什么方法分析橡皮筋对小车作的功和小车速度的关系 思考思考 4 4 小车在木板上运动时会受到阻力 可以采用什么方法进行补偿 小车在木板上运动时会受到阻力 可以采用什么方法进行补偿 可使木板略微倾斜 平衡摩擦力 作为补偿 轻推一下小车 观察小车是否做匀速直线运动可使木板略微倾斜 平衡摩擦力 作为补偿 轻推一下小车 观察小车是否做匀速直线运动 思考思考 5 5 纸带上的点距并不都是均匀的 应该采用那些点距来计算小车的速度 为什么 纸带上的点距并不都是均匀的 应该采用那些点距来计算小车的速度 为什么 A B 纸带纸带 C a 0 F 乙丙 甲 单位 cm 2 402 893 39 高三物理 二轮复习 专题六 实验 6 滑块 打点计时器 图 乙 纸带 例 11 2012 四川期末 探究动能定理 的实验装置如下图所示 当小车在两条橡皮筋作用下弹出时 橡皮筋对小车做的功记为 W0 当用 2 条 3 条 4 条 完全相 同的橡皮筋并在一起进行第 2 次 第 3 次 第 4 次 实验时 橡皮筋对小车做的功记为 2W0 3W0 4W0 每次实验中由静 止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出 关于该实验 下列说法正确的是 A 某同学在一次实验中 得到一条记录纸带 纸带上打出的点 两端密 中间疏 出现这种情况的原 因 可能是木板倾角过大 B 当小车速度达到最大时 小车在两个铁钉的连线处 C 应选择纸带上点距均匀的一段计算小车的最大速度 D 应选择纸带上第一点到最后一点的一段计算小车的最大速度 例12 2012 安徽联考 为了 探究动能改变与合外力做功 的关系 某 同学设计了如下实验方案 A 第一步他把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起 把质量为的滑块M 通过细绳与质量为的带夹重锤相连 然后跨过定滑轮 重锤夹后连一m 纸带 穿过打点计时器 调整木板倾角 直到轻推滑块后 滑块沿木板 匀速运动如图甲所示 B 第二步保持长木板的倾角不变 将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处 取下细绳和钩码 将滑块 与纸带相连 使其穿过打点计时器 然后接通电源释放滑块 使之从静止开始加速运动 打出纸带 如图乙所示打出的纸带如下图 试回答下列问题 已知相邻计数的时间间隔为 根据纸带求滑块速度 当打点计时器打OABCDEF t 点时滑块速度 打点计时器打点时滑块速度 A A V B B V 已知重锤质量 当地的重加速度 要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑mg 块 写出物理名称及符号 合外力对滑块做功的表达式 W合 测出滑块运动段 合外力对滑块所做的功 OAOBOCODOE段 段 段 段 以为纵轴 以为横轴建坐标系 描点作出图象 可知它是一条过 ABCDE VVVVV 2 vW 2 vW 坐标原点的倾斜直线 若直线斜率为 则滑块质量 kM 重锤 打点计时器 图 甲 纸带 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x OABC DE F 6 x 高三物理 二轮复习 专题六 实验 7 6 验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律 本实验要求验证自由下落过程中机械能守恒 图示纸带的左端是用夹子夹重物的一端 先接通电源后松开纸带 让重锤自由下落 要多做几次实验 选点迹清楚 且第一 二两点间距离接近 2mm 的纸带进行测量 用刻度尺量出从 0 点到 1 2 3 4 5 各点的距离 h1 h2 h3 h4 h5 利用 匀变速直线运动中间 时刻的即时速度等于该段位移内的平均速度 算出 2 3 4 各点对应的即时速度 v2 v3 v4 验证与 2 3 4 各点对应的重力势能减少量 mgh 和动能增加量是否相等 2 2 1 mv 由于摩擦和空气阻力的影响 本实验的系统误差总是使 2 2 1 mvmgh 本实验不需要在打下的点中取计数点 也不需要测重物的质量 例 13 在用落体法验证机械能守恒定律时 某同学按照正确的操作选得纸带如右 其中 O 是起始点 A B C 是打点计时器连续打下的 3 个点 该同学 用毫米刻度尺测量 O 到 A B C 各点的距离 并记 录在图中 单位 cm 这三个数据中不符合有效数字读数要求的是 应记作 cm 该同学用重锤在 OB 段的运动来验证机械能 守恒 已知当地的重力加速度 g 9 80m s2 他用 AC 段的平均速度作为跟 B 点对应的物体的即时速度 则该段重锤重力势能的减少量为 而动能的增加量为 均保留 3 位有效数字 重锤 质量用 m 表示 这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量 动能的增加量 原因是 另一位同学根据同一条纸带 同一组数据 也用重锤在 OB 段的运动来验证机械能守恒 不过 他数了一下 从打点计时器打下的第一个点 O 数起 图中的 B 是打点计时器打下的第 9 个点 因此他 用 vB gt 计算跟 B 点对应的物体的即时速度 得到动能的增加量为 这样验证时的系统误差总 是使重力势能的减少量 动能的增加量 原因是 例 14 2012 安徽期中 实验 用 DIS 研究机械能守恒定律 的装置如下图 a 所示 某组同学在一次 实验中 选择 DIS 以图象方式显示实验的结果 所显示的图象如下图 b 所示 图象的横轴表示小球 距 D 点的高度 h 纵轴表示摆球的重力势能 EP 动能 EK 或机械能 E 图 b 的图象中 表示小球的 重力势能 EP 动能 EK 或机械能 E 随小球距 D 点的高度 h 变化关系的图线分别是 A 丙 乙 甲 高三物理 二轮复习 专题六 实验 8 B 乙 甲 丙 C 甲 乙 丙 D 丙 甲 乙 8 研究单摆周期与摆长的关系研究单摆周期与摆长的关系 摆长的测量 让单摆自由下垂 用米尺量出摆线长 L 读到 0 1mm 用游标卡尺量出摆球直径 读 到 0 1mm 算出半径 r 则摆长 L L r 开始摆动时需注意 摆角要小于 5 要保证做简谐运动 不要使摆动成为圆锥摆 从摆球通过最低点时开始计时 测出单摆做50 次全振动所用的时间 算出周期的平均值T 改变摆长重做几次实验 计算每次实验得到的重力加速度 再求这些重力加速度的平均值 例 15 一组同学在做 用单摆测定重力加速度 的实验中 用正确的操作方法 测定了 6 组摆长 L 和周期 T 的对应值 为了求出当地的重力加速度 g 4 位同学提出了 4 种不同的方法 从测定的 6 组数据中 任意选取 1 组 用公式 g 4 2L T 2求出 g 作为测量值 分别求出 6 个 L 值的平均值 和 6 个 T 值的L 平均值 用公式 g 4 2 2求出 g 作为测量值 分别用 6 组 L T 的对应值 用公式 g 4 2L T 2 TL T 求出 6 个对应的 g 值 再求这 6 个 g 的平均值作为测量值 在坐标纸上作出 T 2 L 图象 从图象中计 算出图线的斜率 K 根据 g 4 2 K 求出 g 作为测量值 你认为以上 4 种方法中 错误的是哪一种 填代号即可 其余正确方法中偶然误差最小的是 哪一种 填代号即可 例 16 某同学在家里做用单摆测定重力加速度的实验 但没有合适的摆球 他找到了一块大小为 3cm 左 右 外形不规则的大理石块代替小球 他设计的实验步骤是 A 将石块用细尼龙线系好 结点为 M 将尼龙线的上端固定于 O 点 B 用刻度尺测量 OM 间尼龙线的长度 L 作为摆长 C 将石块拉开一个大约 30 的角度 然后由静止释放 D 从摆球摆到最高点时开始计时 测出 30 次全振动的总时间 t 由 T t 30 得出周期 E 改变 OM 间尼龙线的长度再做几次实验 记下相应的 L 和 T F 求出多次实验中测得的的平均值作为计算时使用的数据 带入公式求出重力加速度 g L T g 2 2 你认为该同学以上实验步骤中有重大错误的是 为什么 该同学用 OM 的长作为摆长 这样做引起的系统误差将使重力加速度的测量值比真实值偏大还 是偏小 你认为用什么方 法可以解决摆长无法准确测量的困 难 例 17 2012 长春高三第一次调研 关于高中物理实验 下列说法中正 确的是 A 利用打点计