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专题八中学物理实验第1课时力学实验热点实验例析一、验证性实验1．验证力的平行四边形定则例1在做“验证力的平行四边形定则”的实验时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上带有绳套的两根细绳；先后两次拉伸橡皮条，第一次用两个弹簧测力计通过两细绳互成角度地拉橡皮条，第二次用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条．(1)实验操作中，下列说法正确的是________．A．弹簧测力计、细绳、橡皮条都应贴近木板且与木板平行B．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些C．拉力F1和F2的夹角越大越好D．先将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程，然后只需调节另一个弹簧测力计拉力的大小和方向，把橡皮条另一端拉到O点(2)实验中，要求先后两次力的作用效果相同，指的是______．A．第一次两个弹簧测力计的示数F1和F2之和等于第二次弹簧测力计的示数B．橡皮条沿同一方向伸长C．橡皮条伸长到同一长度D．橡皮条沿同一方向伸长到同一长度解析(1)中C项，夹角越大，合力不变，两个弹簧拉时作用力越大，有可能超弹簧测力计的量程，D项中应同时调整两个弹簧将结点拉至O点．答案(1)AB(2)D以题说法对验证力的平行四边形定则考查的重点是“力的作用效果是等效性”．主要考查实验中注意的问题和操作步骤．针对训练1(2011·江苏·10)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．图1(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，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法．解析(1)由题图知，弹簧测力计A的分度值为0.2N，读数为3.6N.(2)验证力的平行四边形定则，只要记好合力与两分力的大小与方向，与结点位置无关，D错；M的重力即合力，测量前弹簧测力计校零才能测量准确，B对；拉线与木板平行才能保证力在木板平面内，C对．(3)对O点受力分析如图所示，可见若减小FOA可调节FOB的大小或方向，调节OA方向或减小物重G等．答案(1)3.6(2)D(3)①减小弹簧测力计B的拉力；②减小重物M的质量(或将A更换成较大量程的弹簧测力计、改变弹簧测力计B拉力的方向等)．2．验证机械能守恒定律例2为探究物体在下落过程中机械能是否守恒，某同学采用实验装置如图2所示．(1)其设计方案如下：让质量为m的立方体小铁块从开始端自由下落，开始端至光电门的高度差为h，则此过程中小铁块重力势能的减少量为_______；测出小铁块通过光电门时的速度v，则此过程中小铁块动能增加量为_______；比较这两个量之间的关系可得出此过程中机械能是否守恒．(已知当地重力加速度大小为g)图2(2)具体操作步骤如下：A．用天平测定小铁块的质量m；B．用游标卡尺测出立方体小铁块的边长d；C．用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离h(hd)；D．电磁铁先通电(电源未画出)，让小铁块吸在开始端；E．断开电源，让小铁块自由下落；F．计时装置记录小铁块经过光电门所用时间为t，计算出相应速度v；G．改变光电门的位置，重复C、D、E、F等步骤，得到七组(hi，v2i)数据；H．将七组数据在v2－h坐标系中找到对应的坐标点，连线得到如图3所示直线．上述操作中有一步骤可以省略，你认为是____(填步骤前的字母)；计算小铁块经过光电门的速度表达式v＝______.(3)若v2－h图线满足条件________，则可判断小铁块在下落过程中机械能守恒．图3答案(1)mgh12mv2(2)Adt(3)计算出直线斜率的值与2g比较，在误差允许范围内二者相等以题说法对“验证机械能守恒定律”实验中数据处理的方法有两种：一是通过验证ΔEp＝ΔEk，二是通过作v2－h图象，看图象斜率与2g的关系，判断机械能是否守恒．针对训练2利用图4装置验证机械能守恒定律．(1)打点计时器应接________(填“交流”或“直流”)电源．(2)实验步骤如下：A．按图4装置沿竖直方向固定好打点计时器，把纸带下端挂上重物，穿过打点计时器．B．将纸带下端靠近打点计时器附近静止，____________，__________，打点计时器在纸带上打下一系列的点．图4C．图5为打出的一条纸带，用________测出A、B、C与起始点O之间的距离分别为h1，h2，h3.图5(3)设打点计时器的周期为T，重物质量为m，重力加速度为g，则重物下落到B点时的速度v＝________.研究纸带从O下落到B过程中增加的动能ΔEk＝________，减小的重力势能ΔEp＝________.(4)由于纸带受到的摩擦，实验测得的ΔEk____ΔEp(填“大于”或“小于”)．答案(1)交流(2)接通电源释放纸带刻度尺(3)v＝h3－h12TΔEk＝m(h3－h1)28T2ΔEp＝mgh2(4)小于二、探究性实验1．探究弹力与弹簧伸长量的关系例3某同学在做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验时，所用的钩码每只质量都是30g，他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次都测出相应的弹簧总长度，将数据填在了下面的表格中．(弹力始终没有超过弹性限度，取g＝9.8m/s2)砝码质量(g)0306090120150弹簧总长(cm)6.007.158.349.4810.6411.79弹力大小(N)00.2940.5880.8821.1761.470(1)试根据这些实验数据在图6给定的坐标纸上作出弹簧所受弹力大小F跟弹簧总长L之间的函数关系图象；(2)说明图象跟坐标轴交点的物理意义；(3)该弹簧的劲度系数k是多大．图6答案(1)图象如图所示(2)根据实验数据在坐标纸上描出的点基本上在同一条直线上．可以判定F和L间是一次函数关系．画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线的点均匀地分布在直线两侧．该图线跟横轴交点的横坐标表示弹簧的原长．(3)由k＝ΔFΔx可得k＝25N/m(k在25～26之间都可以)针对训练3做“探究弹力与弹簧伸长量关系”的实验步骤如下：A．以弹簧伸长量为横坐标，以弹力为纵坐标，描出各组数据(x，F)对应的点，并用平滑的曲线连接起来．B．记下弹簧不挂钩码时，其下端在刻度尺上的刻度L.C．将铁架台固定在桌子上(也可在横梁的另一端挂上一定的配重)，并将弹簧的一端系于横梁上，在弹簧附近竖直固定一刻度尺(如图7所示)．图7D．依次在弹簧下端挂上2个、3个、4个……钩码，分别记下钩码静止时弹簧下端所对应的刻度，并记录在表格内，然后取下钩码．E．以弹簧伸长量为自变量，写出弹力与伸长量的关系式，首先尝试写成一次函数，不行再写成二次函数．F．解释函数表达式中常数的物理意义．G．整理仪器．(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来,为：________.(2)某同学在做探究弹力与弹簧伸长量的关系实验时，作出弹力F与弹簧总长度L的关系图线如图8所示．该实验始终在弹簧的弹性限度内进行．如图可知：该弹簧的自然长度为________；该弹簧的劲度系数为________．(后一空保留三位有效数字)图8答案(1)CBDAEFG(写成CBDGAEF的也可以)(2)10(或10.0)cm50.0N/m(写成0.500N/cm的也可以)2．探究加速度与外力、质量的关系例4某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图9所示．已知小车质量M＝214.6g，砝码盘质量m0＝7.8g，所使用的打点计时器交流电频率f＝50Hz.其实验步骤是：图9A．按图中所示安装好实验装置；B．调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；C．取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；D．先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；E．重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码质量，重复B－D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度．回答下列问题：(1)按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？________(填“是”或“否”)．(2)实验中打出的其中一条纸带如图10所示，由该纸带可求得小车的加速度a＝________m/s2.图10(3)某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中，如下表，次数12345砝码盘中砝码的重力F/N0.100.200.290.390.49小车的加速度a/m·s－20.881.441.842.382.89他根据表中的数据画出a－F图象(如图11)．造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是______，从该图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是________，其大小为________．图11答案(1)否(2)0.88(3)在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力(只要涉及“未考虑砝码盘的因素”就算正确)砝码盘的重力0.08N(0.07～0.08N均正确)以题说法本题是对教材实验原理的拓展和延伸，避免了原实验应满足M≫m的条件，减小了系统误差．在解决此类题目时我们应注意和教材中实验对照，从实验原理改造和创新上多思考．针对训练4某实验小组利用如图12甲所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系．(1)做实验时，将滑块从图甲所示位置由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt1、Δt2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x，用游标卡尺测得遮光条宽度d.则滑块经过光电门1时的速度表达式v1＝________；滑块加速度的表达式a＝______.(以上表达式均用已知字母表示)．如图乙所示，若用20分度的游标卡尺测量遮光条的宽度，其读数为________mm.甲乙图12(2)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h(见图甲)．关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端的高度h”的正确操作方法是________．A．M增大时，h增大，以保持二者乘积增大B．M增大时，h减小，以保持二者乘积不变C．M减小时，h增大，以保持二者乘积不变D．M减小时，h减小，以保持二者乘积减小答案(1)dΔt1(dΔt2)2－(dΔt1)22x8.15(2)BC3．探究功与速度变化的关系例5某实验小组采用如图13甲所示的装置探究功与速度变化的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，打点计时器工作频率为50Hz.甲(1)实验中木板略微倾斜，这样做____________(填答案前的字母)．A．是为了释放小车后，小车能匀加速下滑B．是为了增大橡皮筋对小车的弹力C．是为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功D．是为了使橡皮筋松驰后小车做匀加速运动乙图13(2)若根据多次测量数据画出的W－v草图如图乙所示，根据图线形状可知，对W与v的关系作出的以下猜想肯定不正确的是________．A．W∝vB．W∝1vC．W∝v2D．W∝v3答案(1)C(2)AB针对训练5某课外活动小组利用力传感器和位移传感器进一步探究变力作用下的“动能定理”．如图14所示，他们用力传感器通过定滑轮直接拉固定在小车上的细绳，测出拉力F；用位移传感器测出小车的位移s和瞬时速度v.已知小车质量为200g.图14(1)某次实验得出拉力F随位移s变化规律如图15甲所示，速度v随位移s变化规律如图乙所示，数据如表格．利用所得的F－s图象，求出s＝0.30m到0.52m过程中变力F做功W＝________J，此过程动能的变化ΔEk＝________J(保留两位有效数字)．甲乙图15s/mF/Nv/(m·s－1)0.301.000.000.310.990.310.320.950.44