【物理】2020届一轮复习人教版力学实验全解学案

【物理】2020届一轮复习人教版力学实验全解学案

专题8.2 力学实验汇编 题型一、三大常见力学实验器材的使用与读数 例1、刻度尺的读数；‎ ‎0‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎10‎ 图1‎ ‎【答案】6.51cm（6.51cm、6.52cm都对）‎ ‎【解析】刻度尺的读数说明 ‎①刻度尺的读数是需要估读的，估读的原则是要读到最小刻度的后一位，也就是分度值的后一位。‎ ‎②在本题中所示的刻度尺最小刻度值是毫米(mm),所以在读数时要估读到毫米（mm）的后一位；‎ ‎③图1中下面条带的长度应读为：6.51cm，或65.1mm，读数中的“5”是毫米（mm）“1”是估读的，也就是最小分度值为毫米的刻度尺的读数形式一定是x.xx（cm）或x.x（ mm）。‎ 例2、刻度尺的读数 图2‎ ‎【答案】6.25cm ‎【解析】图2中A、B 两点的距离式中的“5”是估读的。‎ 例3、螺旋测微器的读数；‎ 图3‎ ‎【答案】6.730mm ‎【解析】螺旋测微器的读数说明：‎ ‎①螺旋测微器是需要估读，螺旋尺的最小分度值为0.01mm，所以当估读到下一位时需要估读到千分位；‎ ‎②螺旋测微器的读数为：S=X+N×0.01；S 为最终读数，X为主尺的读数，N 为螺旋尺的读数（需估读）图3的读数为：6.5+20.3×0.01=6.703mm式中20.3的“3”是估读的；‎ ‎③螺旋测微器的最终读数形式为x.xxx(mm).‎ 例4、螺旋测微器的读数；‎ 图4‎ ‎【答案】4.700mm ‎【解析】图4的读数为：4.5+20.0×0.01=4.700mm 例5、游标卡尺的读数说明 图5‎ ‎【答案】22.40mm ‎【解析】游标卡尺的读数说明：‎ ‎①游标卡尺的读数是不需要估读的但要满足与最小分度值的精确度一致性原则；游标卡尺的分度值不同，读数形式则不同。‎ ‎②游标卡尺的读数形式为：S=X+N.f , S为最终读数，X 为游标尺“0”刻线对应的主尺的读数；N为游标尺上除“0”刻线外第多少个与主尺上某一细线对齐的细线，f为分度值（0.1、0.05、0.02）‎ 分度值的划分要看游标尺上小格子的数目；‎ 游标尺上有50个小格子的为50分度，50分度最小分度值为 游标尺上有20个小格子的为20分度，20分度最小分度值为 游标尺上有10个小格子的为10分度，10分度最小分度值为 ‎③、 50分度的游标卡尺最终读数形式为：X.XX(mm)‎ ‎20分度的游标卡尺最终读数形式为：X.XX(mm)‎ ‎10分度的游标卡尺最终读数形式为：X.X(mm)，准确记住各刻度尺最终的读数形式，是估读问题的最终法宝。‎ 故图5的最终读数为：22mm+40×002=22.40mm 例6、游标卡尺的读数 ‎【答案】50.15mm ‎【解析】如图所示；‎ 图6的最终读数为50.15mm 题型二、探究匀变速直线运动的规律 例7、在做《研究匀变速直线运动》的实验时，某同学得到一条纸带，如图所示，并且每隔四个计时点取一个计数点，已知每两个计数点间的距离为s，且s1＝0.96cm，s2＝2.88cm，s3＝4.80cm，s4＝6.72cm，s5＝8.64cm，s6＝10.56cm，电磁打点计时器的电源频率为50Hz。计算此纸带的加速度大小a＝___________m/s2，，（计算结果保留3位有效数值）打第计数点4时纸带的速度大小v＝_________________m/s。请你依据本实验推断第6记数点和第7记数点之间的距离是___________ cm，纸带的速度方向————————。‎ 图7‎ ‎【答案】1.92m/s 0.768m/s 12.48cm 向左 ‎【解析】‎ 根据逐差法： ‎ 代入相关参数得： ‎ 根据中间时刻的瞬时速度等于物体的平均速度：,‎ 代入相关参数得： ‎ 物体做匀加速直线运动，‎ 代入相关参数得： ‎ 观察发现纸袋从左向右相等时间内的位移逐渐增大，证明纸带向左运动；‎ 方法总结：‎ ‎1、求加速度a的方法有两种（公式法、逐差法）；‎ 公式法：（适用于初略的求解加速度的大小，精度不如逐差法高。）‎ 逐差法：，（充分利用实验数据，实验精度高）‎ 说明如果题中给出的是奇数段纸袋需要去掉（首、中、尾任意一段再使用逐差法计算，一般情况优选去掉首段）‎ ‎2、瞬时速度v的的求解，主要用的是中间时刻的瞬时速度等于物体的平均速度来计算；‎ ‎3、处理此类为题需要注意几个易错点： ‎ ‎①对T的准确理解；不同情况“T” 的取值可能是不同，一定要认真读题来辨识；”T”常见的取值有“0.02s”“0.04s”“0.1s” “0.2cm”‎ ‎②对最终结果有效数值的保留问题，以及估读类错误；一定要注意题中关于有效数值的要求，以及计算结果单位的换算问题；‎ ‎③公式中的s1、s2、s3等参数是指的相等时间间隔内的位移，不是前几个T 内的位移；如图所示；‎ 该图中s1=16cm，s2=18cm，而不是34cm这一点很多同学容易犯错；‎ 例8、 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器使用的交流电的频率为50 Hz，记录小车运动的纸带如图所示，在纸带上选择0、1、2、3、4、5的6个计数点，相邻两计数点之间还有四个点未画出，纸带旁并排放着带有最小分度为毫米的刻度尺，零点跟“0”计数点对齐，由图可以读出三个计数点1、3、5跟0点的距离分别为，d1_________cm d2_______cm d3_______cm计算小车通过计数点“2”的瞬时速度为v2 ______ m/s.小车的加速度是a =______ m/s2.（结果保留两位有效数字）‎ ‎【答案】1.20cm、5.40cm、12.00cm 0.21cm 0.60m/s2‎ ‎【解析】根据刻度尺的估读原则，可以分别读出1、3、5各点的值；根据平均速度等于中间时刻的瞬时速度可求得：;；‎ 将1、3的间距设为s1，将3、5的间距设为s2，这样“T”应该取为“0.2”根据公式法：‎ ‎,‎ 题型三、验证力的平行四边形法则 例9、在“探究求合力的方法”的实验中，需要将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上两根细绳，细绳的另一端都有绳套（如图）．实验中需用两个弹簧秤分别勾住绳套，并互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O．‎ ‎（1）某同学在做该实验时认为：‎ A．拉橡皮条的绳细一些且长一些，实验效果较好 B．拉橡皮条时，弹簧秤、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行 C．橡皮条弹性要好，拉结点到达某一位置O时，拉力要适当大些 D．拉力F1和F 2的夹角越大越好 其中正确的是 （填入相应的字母）．‎ ‎（2）若两个弹簧秤的读数均为4N，且两弹簧秤拉力的方向相互垂直，则 （选填“能”或“不能”）用一个量程为5N的弹簧秤测量出它们的合力，理由是 ．‎ ‎【答案】（1）ABC （2）不能 因为这两个力的合力大小超出了弹簧秤的量程 ‎ ‎【解析】两个分力的夹角再60到100度之间实验误差更小；‎ 方法总结：‎ 验证力的平行四边形法则的注意事项 ‎1．同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，若两只弹簧测力计在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换，直至相同为止．‎ ‎2．在同一次实验中，使橡皮条拉长时，结点O位置一定要相同．‎ ‎3．用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时，夹角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之间为宜．‎ ‎4．实验时弹簧测力计应与木板平行，读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度，在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下，拉力的数值尽量大些．‎ ‎5．细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连接，即可确定力的方向．‎ ‎6．在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些．‎ ‎7.用两个弹簧秤拉橡皮条时要做“三记录”；记录两弹簧秤的示数、两绳的方向和结点o的位置。‎ 用一个弹簧称拉橡皮条时要做到“二记录”；记录弹簧秤的示数和绳的方向；还要做到“一注意”，‎ 结点o的位置必须在同一位置。‎ 题型四、探究弹力和弹簧伸长的关系 例10、某同学想要精确的探究弹力和弹簧伸长的关系，并测弹簧的劲度系数k。做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上，然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧，并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上。当弹簧自然下垂时，指针指示的刻度数值记作L0，弹簧下端挂一个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L1;弹簧下端挂两个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L2;……;挂七个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L7。‎ ‎①下表记录的是该同学已测出的6个值,其中有两个数值在记录时有误,它们的代表符号分别是 ‎ 和 .‎ 测量记录表：‎ 代表符号 L0‎ L1‎ L2‎ L3‎ L4‎ L5‎ L6‎ L7‎ 刻度数值/cm ‎1.70‎ ‎3.40‎ ‎5.10‎ ‎8.60‎ ‎10.3‎ ‎12.1‎ ‎7‎ ‎14‎ ‎②实验中，L3和L7两个值还没有测定，请你根据上图将这两个测量值填入记录表中。‎ ‎③为充分利用测量数据，该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差，分别计算出了三个差值：‎ 请你给出第四个差值：d4= ＝ cm。‎ ‎④根据以上差值，可以求出每增加50g砝码的弹簧平均伸长量。用d1、d2、d3、d4‎ 表示的式子为：ΔL＝____________ ‎ 代入数据解得ΔL＝ cm。‎ ‎⑤计算弹簧的劲度系数k＝ N/m。（g取9.8m/s2）‎ ‎【答案】①答：L5, L6 ②答：6.85(6.84-6.86) 14.05(14.04-14.06) ③答：L7 –L3 7.20 ④ ΔL＝1.75cm ⑤28N/m ‎【解析】‎ 本实验用指针所对刻度尺示数标志指针位置。刻度尺读数应估读到最小刻度值的下一位，因所用刻度尺最小刻度是毫米，故应估读到毫米刻度下一位，结果应为“×.×” mm（毫米的下一位是估读的），若以厘米作单位，小数点后面应有两位即：“×.××”cm，故选出L5和L6。‎ ‎②答：6.85(6.84-6.86) 14.05(14.04-14.06)按照所给图示读数即可得出，注意估读也应追求准确。‎ ‎③答：L7 –L3 7.20(7.18-7.22)所给刻度尺的读数差值表示四个钩码对弹簧的拉力所引起的形变 。追寻前面三个差值的计算规律，即可得出 L7－L3=7.20cm ‎④答： ΔL＝1.75cm ‎ 所给的刻度尺读数差值表示四个钩码对弹簧的拉力所引起的形变 设每个钩码质量为m0，对弹簧的拉力所引起的形变为∆L，由胡克定律有：‎ 所以有①+②+③+④得：‎ 故：‎ ‎⑤答：‎ 由胡克定律：求得k=28N/m 方法总结：‎ 探究弹力与弹簧伸长的关系要点“二三四”‎ 两种考法：‎ ‎（1）根据测量数据，画出弹力与弹簧伸长量的关系图线，或根据弹力与弹簧伸长长度的关系图线，利用其斜率等于弹簧的劲度系数，与横轴的截距为弹簧原长。‎ ‎（2）根据砝码质量与弹簧伸长量的关系处理相关问题。‎ 三个不要：‎ 实验过程中注意拉力不要超过弹簧弹性限度。‎ 测量弹簧的长度时，不要用手拉弹簧，在弹簧竖直状态下测量。‎ 在画F-L图像是时不要画成折线；‎ 四个要注意：‎ 要注意只知道弹力的大小时，弹簧可能被压缩也可能被拉伸，弹簧对应的长度有两个值。‎ 安装装置时要要保持刻度尺竖直并靠近弹簧。‎ 为了减小误差，要尽量多测几组数据取平均值。‎ 在处理数据时要以弹簧弹力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标作图，连线得出结论。‎ 例11、某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时，安装好实验装置，让刻度尺零刻度与弹簧上端平齐，在弹簧下端挂1个钩码，静止时弹簧长度为l1，如图1所示，图2是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺（最小分度是1毫米）上位置的放大图，示数l1＝       cm.。‎ 在弹簧下端分别挂2个、3个、4个、5个相同钩码，静止时弹簧长度分别是l2、l3、l4、l5。已知每个钩码质量是50g，挂2个钩码时，弹簧弹力F2＝  N（当地重力加速度g＝9.8m/s2）。要得到弹簧伸长量x，还需要测量的是   。作出F-x曲线，得到弹力与弹簧伸长量的关系。‎ ‎【答案】25.85 0.98 弹簧的原长 ‎【解析】按照刻度尺的读数原则进行估读，F2=2×0.05×9.8=0.98N.弹簧的伸长量，l是弹簧的总长l0是弹簧的原长。‎ 题型五、探究加速度与外力以及质量之间的关系；‎ 例12、某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图(a)所示为实验装置简图。(交流电的频率为50Hz)‎ 实验次数 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ 小车加速度a/m·s－2‎ ‎1.90‎ ‎1.72‎ ‎1.49‎ ‎1.25‎ ‎1.00‎ ‎0.75‎ ‎0.50‎ ‎0.30‎ 小车质量m/kg ‎0.25‎ ‎0.29‎ ‎0.33‎ ‎0.40‎ ‎0.50‎ ‎0.71‎ ‎1.00‎ ‎1.67‎ m(1)/kg－1‎ ‎4.00‎ ‎3.45‎ ‎3.03‎ ‎2.50‎ ‎2.00‎ ‎1.41‎ ‎1.00‎ ‎0.60‎ (1) 根据图b可知小车的加速度大小为_____________,（结果保留三位有效数字）该实验用的物理研究方法叫做____________;‎ (2) 实验中接电火花打点计时器的电源应该为________V除了如图所示的实验器材外还需要__________,‎ (3) 根据下图可知砂桶的质量为____________;‎ ‎（4）改变实验方案，保持小车的质量不变，改变砂桶的质量如果在实验过程中忘记平衡摩擦力以下四幅图中哪个与之对应________,出现图D 所示的情况是由什么原因引起的______________;‎ ‎【答案】‎ ‎（1）3.19m/s2 控制变量法 ‎ （2） ‎220V 刻度尺 ‎ （3） ‎ 0.5kg ‎ ‎（4） B 不能保证小车的质量远大于砂桶的质量 ‎【解析】（1）根据逐差法： ‎ 代入参数：（注意时间间隔“T”为0.04s）‎ 该实验要研究F=ma的关系，第一种方案是控制m不变求F 与a的正比关系，第二种方案是控制m不变求F 与1/m的正比例关系；将三个参数种的一个参数控制不变，讨论另外两个参数的关系叫做控制变量法；‎ ‎（2）打点计时器分为电火花打点计时器和电磁式打点计时器，电火花打点计时器需要连接220V 的交流电源；电磁式打点计时器则需要连接6V 的支流电源；还需要刻度尺来测量计数点的间距；‎ ‎（3）图像的斜率为 F 为砂桶的质量代入参数为0.5kg；‎ ‎（4）该实验中认为砂桶的重力即为小车所受的拉力F ，其实将小车和砂桶当作连接体处理可以求得：‎ ‎，也就是说拉力F 的值小于砂桶的重力的，但是只要保证M远大于m，就可得到F近似等于mg；‎ 在实验中随着砂桶的质量不断增大，就不能保证M 远大于m了，所以拉力F 的值就小于了mg。这时应该与D图对应；‎ 例13、某同学将力传感器固定在小车上，然后把绳的一端固定在传感器的控钩上，用来测量绳对小车的拉力，探究在小车及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系，根据所测数据在坐标系中作出了如图所示的a－F图象。‎ ‎(1)图象不过坐标原点的原因是___________________；‎ ‎(2)本实验中是否仍需要细沙和桶的 总质量远小于小车和传感器的总质量________(填 “是”或“否”)；‎ ‎(3)由图象求出小车和传感器的总质量为________kg。‎ ‎【答案】(1)平衡摩擦力不足； 否 1kg ‎【解析】实验中默认为砂桶的总质量等于小车所受的拉力F，但其实是不等于的，分别对砂桶和小车受力分析：F=Ma(1) Mg=(m+M)a(2)‎ 联立1、2式可得：，当M远大于m时，m可以忽略，此时F=mg。但在本题中因为在绳子上加了力传感器，实验中拉力的大小直接通过力传感器读出，所以无需满足小车的质量远大于砂桶的质量；‎ 题型六、结合物体的运动规律求摩擦因素；‎ 例14、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50 Hz.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） 上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)回答下列两个问题：‎ ‎①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m3‎ E.滑块运动的时间t ‎②测量①中所选定的物理量时需要的实验器材是__________________; .‎ ‎（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： ‎ ‎【答案】(1) (0.495~0.497m/s2均可) (2)① CD ，②天平 ‎ (1) ‎， 测量值比真实值偏大，纸带与打点计时器的限位孔之间有摩擦阻力.‎ ‎【解析】‎ ‎（1）去掉0-1段1.40cm，依次将后边的标记为s2-s7，利用逐差法得： ‎ 代入相关参数得：a=0.496m/s2；‎ ‎(2)对滑块受力分析得：F-um2g=m2a...(1) ‎ 将滑块、砝码以及托盘当做整体受力分析：m3g-um2g=(m2+m3)a..(2)‎ 联立1、2两式得：，所以只有测得滑块的质量m2 、托盘和砝码的总质量m3才能求得u。‎ 例15、（2018全国2）某同学用图（a）所示的装置测量木块与木板之间的摩擦因数。跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连，滑轮和木块之间的细线保持水平，在木块上放置砝码。缓慢向左拉动水平放置的木板，当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时，弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小。某次实验所得数据在下表中给出，其中的值从图（b）中弹簧秤的示数读出。‎ 砝码的质量m/kg ‎0.05‎ ‎0.10‎ ‎0.15‎ ‎0.20‎ ‎0.25‎ 滑动摩擦力f/N ‎2.15‎ ‎2.36‎ ‎2.55‎ ‎2.93‎ 回答下列问题 ‎（1）=__________N ‎（2）在图（c）的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f-m图线；‎ ‎（3）f与m、木块质量M、木板和木块之间的滑动摩擦因数及重力加速度大小g之间的关系式f ‎=__________，f-m图线（直线）的斜率的表达式k=____________;‎ ‎（4）取g=9.80 m/，由绘出的f-m图线求得（保留2位有效数字）‎ ‎【答案】（1）2.75 （2）如图所示 （3）μ（M+m）g μg （4）0.40‎ ‎【解析】从图b读出f4=2.75N，木块受到木板给的的滑动摩擦力的大小，从图表中可以观察当m每增加0.05kg，摩擦力f增加0.2N，故可见f与砝码的质量成正比，故本题中木块的质量为近似0；‎ 木块受到的摩擦力可表达为，所以图像的斜率表示为，图像与纵轴的截距为，图像近似过原点，M近似为0 ，代入相关参数可得： ‎