高考物理一轮复习考点精讲精练第37讲　物理实验（二）（原卷版）

第37讲物理实验（二）1、掌握并会利用实验的原理验证机械能守恒定律，并会做出必要的误差分析。2、理解和掌握用单摆测量重力加速度的大小实验原理，并会做出必要的误差分析。3、能够在原型实验基础上，通过对实验的改进或者创新，做出同类探究。实验5\o"探究功与物体速度变化的关系"探究功与物体速度变化的关系【实验原理】探究功与速度变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同的功时物体的速度，为简化实验可将物体初速度设置为零，可用图所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度v.【实验器材】小车(前面带小钩)、100g～200g砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)，打点计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花计时器则不用学生电源)、5～6条等长的橡皮筋、刻度尺．【实验步骤】1．按如图所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力．2．先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，将这一组数据记入表格．3．用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这时橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格．4．用3条、4条……橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格.【数据处理】先对测量数据进行估计，或者作个W－v草图，大致判断两个量可能是什么关系．如果认为可能是W∝v2，对于每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵坐标、v2为横坐标作图，如果这样作出来的图象是一条直线，说明两者关系真的就是W∝v2.【误差分析】1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的条数不成正比．2．没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差．3．利用打点的纸带计算小车的速度时，测量不准会带来误差．（2024•南充二模）某同学用图甲所示的实验装置探究恒力做功与小车动能变化的关系。（1）完成本实验还需要下列哪些实验器材。A.天平B.秒表C.刻度尺D.交流电源（2）图乙为实验得到的一条清晰的纸带，A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点，SAD＝cm。已知电源频率为50Hz，则打点计时器在打D点时纸带的速度v＝m/s（保留两位有效数字）。（3）某同学画出了小车动能变化与拉力对小车所做的功的ΔEk—W关系图像（理论线ΔEk＝W＝mgx），由于实验前遗漏了平衡摩擦力这一关键步骤，他得到的实验图线为图丙中实验线，若已知小车与水平木板间的动摩檫因数为μ，小车与砂桶和砂的质量关系满足mM=k，则实验线的斜率为（用（2024•武侯区校级模拟）某实验小组利用如图甲所示的装置做“验证动能定理”实验，滑块、遮光条和力传感器的总质量为M。（1）先用游标卡尺测得遮光条宽度，示数如图乙所示，则遮光条宽度d＝mm；（2）开通气源，为了保证细线上的拉力等于滑块所受的合外力，除调节光滑定滑轮的高度使细线与导轨平行外，还需要的操作是。（3）调节好实验装置，甲同学保持光电门的位置不变，多次改变所挂钩码的质量进行实验，每次遮光条均在A点时由静止释放滑块，记录每次力传感器的示数F及遮光条遮光时间t，测出遮光条到光电门的距离L，作F−1t2图像，如果图像是一条过原点的直线，且图像的斜率等于（4）乙同学保持所挂钩码的质量不变，多次改变光电门的位置，每次遮光条均在A点时由静止释放滑块，记录力传感器的示数F、每次遮光条到光电门的距离L及遮光时间t，作t2−1L图像，如果图像是一条过原点的直线，且图像的斜率等于（2024•成都三模）某实验小组用如图所示的装置验证在圆周运动中的动能定理，铁架台上固定着拉力传感器。一小钢球（可视为质点）用不可伸长的轻绳悬挂在拉力传感器的下端，拉力传感器可记录小钢球在摆动过程中各时刻受到的拉力大小。将小钢球拉至A点，用刻度尺量出轻绳的长度L以及拉到A点时小钢球到拉力传感器下端的竖直高度H，释放小钢球，小钢球在竖直平面内来回摆动，记录拉力传感器的最大示数F和此时小钢球的位置O点。已知小钢球的质量为m，当地重力加速度大小为g，不计空气阻力。（1）拉力传感器的最大示数F（填“大于”、“小于”或“等于”）小钢球的重力mg。（2）小钢球从A点运动到O点的过程中，合外力对小钢球做的功为（用题中所给物理量的字母表示）。（3）小钢球从A点运动到O点的过程中，小钢球动能的变化量为（用题中所给物理量的字母表示）。（4）在误差允许范围内，合外力对小钢球做的功和小钢球动能的变化量近似相等，则可验证动能定理成立。实验6验证机械能守恒定律【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，动能的增加量为。如果即，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两点间的平均速度。计算打第n个点瞬时速度的方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离和，由公式或算出，如图所示。【实验器材】铁架台(含铁夹)，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)．【实验步骤】1．将实验装置按要求装好（如图），将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器。2．先用手提起纸带，使重物静止在靠近计时器的地方。3．接通电源，松开纸带，让重物自由下落，这样计数器就在纸带上打下一系列点。4．重复以上步骤，多做几次。5．从已打出的纸带中，选出第一、二点间的距离接近2mm并且点迹清晰的纸带进行测量。6．在挑选的纸带上，记下第一点的位置O，并在纸带上从任意点开始依次选取几个点1、2、3、4、.…并量出各点到位置O的距离，这些距离就是物体运动到点1、2、3、4、…时下落的高度7．利用公式分别求出物体在打下点2、3、4、…时瞬时速度8．把得到的数据填入表格，算出重物运动到点2、3、4、…减少的重力势能再算出物体运动到点2、3、4、…增加的动能，根据机械能守恒定律比较与，与，与…，结果是否一致。【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2mm的纸带，这样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点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出1、2、3、4…并量出各点到位置O点的距离再利用公式计算出各点对应的瞬时速度计算各点对应的重力势能的减少量和动能的增加量，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。数据处理的另一思路：选取点迹清晰的一条纸带，如图，选取B、M两个位置作为过程的开始和终结位置，量出BM之间距离，求出B点速度，M点速度，比较重力势能的减少与动能的增加是否相等，从而验证机械能是否守恒。【误差分析】1．实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量必定稍小于势能的减少量，这是属于系统误差，减少空气阻力影响产生的方法是：使纸带下挂的重物重力大些，且体积要小。2．打点计时器产生的误差：（1）由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；（2）计数点选择不好；振动片振动不均匀；纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差；（3）打点时的阻力对纸带的运动性质有影响，这也属于系统误差。3．由于测长度带来的误差属偶然误差，减少办法是测距离时都应从O点量起，二是多测几次取平均值。（2024•开福区校级模拟）某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住小球，悬挂在铁架台上，小球静止于A点。光电门固定在A的正下方，在小球底部竖直地粘住一片宽度为d的轻质遮光条。将小球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门时挡光时间t可由计时器测出，取v=dt作为小球经过A点时的瞬时速度。记录小球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较小球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEP与动能变化大小ΔE（1）用ΔEp＝mgh计算小球重力势能变化的大小，式中小球下落高度h应测量释放时的小球球心到之间的竖直距离。A.小球在A点时的顶端B.小球在A点时的球心C.小球在A点时的底端（2）用Ek=12mv2计算小球动能变化的大小。用刻度尺测量遮光条宽度，示数如上图所示，其读数为cm。某次测量中，计时器的示数为0.01s，则小球的速度v＝（3）如表为该同学的实验结果：ΔEp（10﹣2J）4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk（10﹣2J）5.0410.115.120.029.8他发现表中的ΔEk与ΔEP之间存在差异，造成的原因，下列分析正确的是。A.存在空气阻力B.小球的质量没有测准C.小球的速度没有测准（4）为了减小上述（3）步骤中的差异，该同学进行了如下改进：分别测出来光电门中心和球心到悬点的长度L和s，请写出小球动能变化的大小表达式ΔEk＝（用m、L、s、d及t表示）。（5）为了进一步减小实验误差，下列操作可取的是。A.遮光条尽量窄一些B.小球应选择质量大，体积小的钢球C.更换细线为细橡皮条D.小球拉离竖直位置尽量小一些（2024•渝中区校级二模）某同学采用如图甲所示装置验证物块A与物块B（带有遮光条）组成的系统机械能守恒。图中光电门安装在铁架台上且位置可调，滑轮质量不计，细线与滑轮之间的摩擦可以忽略不计，细线始终伸直。mB＝2mA，遮光条质量不计，遮光条通过光电门的平均速度看作滑块通过光电门的瞬时速度，实验时将物块B由静止释放。（1）用螺旋测微器测出遮光条宽度d，如图乙所示，则d＝mm。（2）某次实验中，测得t＝11.60ms，则此时A的速度为m/s（保留2位有效数字）。（3）改变光电门与物块B之间的高度h，重复实验，测得各次遮光条的挡光时间t，以h为横轴、1t2为纵轴建立平面直角坐标系，在坐标系中作出图像，如图丙所示，该图像的斜率为k，在实验误差允许范围内，若k＝（2024•通州区一模）某小组同学在“验证机械能守恒定律”实验中，将打点计时器固定在铁架台上，使重锤带动纸带从静止开始自由下落。（1）在实验操作中出现如图1所示的四种情况，其中操作正确的是（填选项下字母）。（2）实验中，按照正确的操作得到如图2所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重锤的质量为m，从打O点到打B点的过程中，重锤的重力势能减少量ΔEp＝，动能增加量ΔEk＝。在误差允许的范围内，如果ΔEp＝ΔEk，则可验证机械能守恒。（3）在实验中，该组同学根据测得的数据计算发现ΔEp＜ΔEk，检查测量与计算均无错误，他们发现是操作错误引起的，即先松手后接通电源。他仅利用这条纸带能否实现验证机械能守恒定律的目的？并说明理由。（4）利用本实验的实验器材，不能完成的实验是（填选项前字母）。A．研究自由落体运动规律B．探究加速度与物体质量大小的关系C．研究匀变速直线运动的规律D．测量重力加速度的大小实验7用单摆测定重力加速度1．实验原理当偏角很小时，单摆做简谐运动，其运动周期为T＝2πeq\r(\f(l,g))，它与偏角的大小及摆球的质量无关，由此得到g＝eq\f(4π2l,T2).因此，只要测出摆长l和振动周期T，就可以求出当地的重力加速度g的值．2．实验器材带有铁夹的铁架台、中心有小孔的金属小球，不易伸长的细线(约1米)、秒表、毫米刻度尺和游标卡尺．3．实验步骤(1)让细线的一端穿过金属小球的小孔，然后打一个比小孔大一些的线结，做成单摆．(2)把细线的上端用铁夹固定在铁架台上，把铁架台放在实验桌边，使铁夹伸到桌面以外，让摆球自然下垂，在单摆平衡位置处作上标记，如实验原理图所示．(3)用毫米刻度尺量出摆线长度l′，用游标卡尺测出摆球的直径，即得出金属小球半径r，计算出摆长l＝l′＋r.(4)把单摆从平衡位置处拉开一个很小的角度(不超过5°)，然后放开金属小球，让金属小球摆动，待摆动平稳后测出单摆完成30～50次全振动所用的时间t，计算出金属小球完成一次全振动所用时间，这个时间就是单摆的振动周期，即T＝eq\f(t,N)(N为全振动的次数)，反复测3次，再算出周期eq\x\to(T)＝eq\f(T1＋T2＋T3,3).(5)根据单摆周期公式T＝2πeq\r(\f(l,g))计算当地的重力加速度g＝eq\f(4π2l,T2).(6)改变摆长，重做几次实验，计算出每次实验的重力加速度值，求出它们的平均值，该平均值即为当地的重力加速度值．(7)将测得的重力加速度值与当地的重力加速度值相比较，分析产生误差的可能原因．4．注意事项(1)构成单摆的条件：细线的质量要小、弹性要小，选用体积小、密度大的小球，摆角不超过5°.(2)要使摆球在同一竖直面内摆动，不能形成圆锥摆，方法是将摆球拉到一定位置后由静止释放．(3)测周期的方法：①要从摆球过平衡位置时开始计时．因为此处速度大、计时误差小，而最高点速度小、计时误差大．②要测多次全振动的时间来计算周期．如在摆球过平衡位置时开始计时，且在数“零”的同时按下秒表，以后每当摆球从同一方向通过平衡位置时计数1次．(4)本实验可以采用图象法来处理数据．即用纵轴表示摆长l，用横轴表示T2，将实验所得数据在坐标平面上标出，应该得到一条倾斜直线，直线的斜率k＝eq\f(g,4π2).这是在众多的实验中经常采用的科学处理数据的重要办法．5．数据处理处理数据有两种方法：(1)公式法：测出30次或50次全振动的时间t，利用T＝eq\f(t,N)求出周期；不改变摆长，反复测量三次，算出三次测得的周期的平均值eq\x\to(T)，然后代入公式g＝eq\f(4π2l,T2)求重力加速度．(2)图象法：由单摆周期公式不难推出：l＝eq\f(g,4π2)T2，因此，分别测出一系列摆长l对应的周期T，作l－T2的图象，图象应是一条通过原点的直线，求出图线的斜率k＝eq\f(Δl,ΔT2)，即可利用g＝4π2k求得重力加速度值，如图所示．6．误差分析(1)系统误差的主要来源：悬点不固定，球、线不符合要求，振动是圆锥摆而不是在同一竖直平面内的振动等．(2)偶然误差主要来自时间的测量上，因此，要从摆球通过平衡位置时开始计时，不能多计或漏计振动次数．（多选）（2024•曲靖一模）惠更斯发现“单摆做简谐运动的周期T与重力加速度的二次方根成反比”。为了通过实验验证这一结论，某同学创设了“重力加速度”可以人为调节的实验环境。如图1所示，在水平地面上固定一倾角θ可调的光滑斜面，把摆线固定于斜面上的O点，使摆线平行于斜面。拉开摆球至A点，静止释放后，摆球在ABC之间做简谐运动，摆角为α。摆球自然悬垂时，通过力传感器（图中未画出）测得摆线的拉力为F1，摆球摆动过程中，力传感器测出摆线的拉力随时间变化的关系如图2所示，其中F2、F3、T0均已知。当地的重力加速度为g。下列选项正确的是（）A．多次改变图1中θ角的大小，即可获得不同的等效重力加速度 B．单摆n次全振动的时间为nT0 C．多次改变摆角α，只要得出T∝1sinαD．在图2的测量过程中，满足F3＝3F1﹣2F2的关系（2024•德庆县模拟）某实验小组利用单摆周期公式T=2πL（1）为了较精确地测量重力加速度的值，以下四种单摆组装方式，应选择。（2）组装好单摆，先用刻度尺测量摆线长度，再用游标卡尺测量小球的直径，其示数如图甲，则小球直径为mm。（3）周期公式中的L是单摆的摆长，其值等于摆线长与之和。（4）某次实验时，改变摆长并测出对应的周期，得到如表的实验数据并描点在图乙的坐标系中，请在图乙中作出T2﹣L图像。次数12345L/m0.500.600.700.800.90T/s1.421.551.671.851.90T2/s22.022.402.793.423.61（5）根据T2﹣L图像算出重力加速度g＝m/s2（结果保留3位有效数字）。（2024•合肥二模）如图（a）所示，某兴趣小组用单摆测量重力加速度。选用的实验器材有：智能手机、小球、细线、铁架台、夹子、游标卡尺、刻度尺等，实验操作如下：（1）用铁夹将细线上端固定在铁架台上，将小球竖直悬挂；（2）用刻度尺测出摆线的长度为l，用游标卡尺测出小球直径为d；（3）将智能手机置于小球平衡位置的正下方，启用APP《手机物理工坊》的“近距秒表”功能；（4）将小球由平衡位置拉开一个角度（θ＜5°），静止释放，软件同时描绘出小球与手机间距离随时间变化的图像，如图（b）所示。请回答下列问题：（i）根据图（b）可知，单摆的周期T＝s；（ii）重力加速度g的表达式为4π（iii）改变摆线长度l，重复步骤（2）、（3）、（4）的操作，可以得到多组T和l的值，进一步描绘出如图（c）的图像，则该图像以为横坐标（选填“1T”、“T”或“T2”），若图线的斜率为k，则重力加速度的测量值为（2024•乌鲁木齐三模）用如图1所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验，已知打点计时器的打点周期为T，当地的重力加速度的大小为g。（1）实验室有两个质量差不多的重物，实验时应选体积较（填“大”或“小”）的重物。（2）若实验时所选重物的质量为m、某次实验中打出的纸带如图2所示，把纸带上的第1个点记作O，另选4个连续的计时点A、B、C、D作为测量点，测得A、B、C、D各点到O点的距离分别为h1、h2、h3、h4，则从打下O点到打下C点的过程中，测得重物重力势能的减少量为，动能的增加量为。（2024•福建模拟）如图甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验．有一直径为d、质量为m的金属小球由A处由静止释放，下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为H（H＞＞d），光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g．则：（1）如图乙所示，用20分度的游标卡尺测得小球的直径d＝cm．（2）多次改变高度H，重复上述实验，作出1t2随H的变化图象如图丙所示，当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足以下表达式：02=（3）实验中发现动能增加量ΔEK总是稍小于重力势能减少量ΔEP，增加下落高度后，则ΔEp﹣ΔEk将（选填“增加”、“减小”或“不变”）．（2024•兴宁区二模）某学生实验小组利用图甲所示装置探究验证动能定理。实验步骤如下：①用天平测量物块和遮光片的总质量m、重物的质量也为m；用螺旋测微器测量遮光片的宽度d；用米尺测量两光电门之间的距离x；②调整气垫导轨和轻滑轮，使气垫导轨和细线水平；③开动气泵，让物块从光电门A的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间Δt和12回答下列问题：（1）测量遮光片的宽度d时，某次螺旋测微器的示数如图乙所示。其读数为mm，由读数引起的误差属于（填“偶然误差”或“系统误差”）。（2）物块和遮光片从光电门A到B的过程中，若动能定理成立，其表达式为3d（2024•泸州模拟）某实验小组利用无线力传感器和光电门传感器探究“动能定理”。将无线力传感器和挡光片固定在小车上，用不可伸长的细线通过一个定滑轮与重物相连，无线力传感器记录小车受到拉力的大小。在水平轨道上A、B两点各固定一个光电门传感器，用于测量小车的速度v1和v2，如图所示。在小车上放置砝码来改变小车质量，用不同的重物来改变拉力的大小。实验主要步骤如下：（1）测量小车和拉力传感器的总质量M1。正确连接所需电路，接下来（填“需要”或“不需要”）平衡小车的摩擦力。（2）按合理要求操作后，把细线的一端固定在力传感器上，另一端通过定滑轮与重物相连；将小车停在点C，由静止开始释放小车，小车在细线拉动下运动，除了光电门传感器测量速度和力传感器测量细线拉力的数据以外，还应该测量的数据是；（3）改变小车的质量或重物的质量，重复（2）的操作。下表是实验所得的部分数据。次数M/kg|vΔEk/JF/NW/J10.6000.8400.2520.5000.25020.6001.40ΔEk20.8380.41930.6002.500.7501.492W3（4）表格中M是M1与小车中砝码质量之和，ΔEk为小车、拉力传感器及车中砝码的动能变化量，F是拉力传感器的拉力，W是F在A、B间所做的功。表中的ΔEk2＝J，W3＝J（结果均保留三位有效数字）。（5）该小组组员发现每组数据始终有W＜ΔEk，排除偶然因素造成误差外，最可能出现以上结果的原因是。（2024•沈