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专题十一实验探究1．力学实验部分要求掌握的知识点有：(1)研究匀变速直线运动(2)探究弹力和弹簧伸长的关系(3)验证力的平行四边形定则(4)验证牛顿运动定律(5)探究动能定理(6)验证机械能守恒定律(7)验证动量守2．力学实验的特点(1)在力学实验中打点计时器的应用非常广泛，在七个实验中有五个实验用到了打点计时器．涉及打点计时器及其纸带数据分析的试题几乎年年都考，应引起足够重视．力学实验的创新也是高考的热点内容，实验考查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完成新的实验．(2)力学实验中数据的处理，作图法应用较多，用作图法处理数据的优点是直观、简便，能有效地减少偶然误差对测量结果的影响．由图线的斜率、截距、所包围面积和图线的交点等可以研究物理量之间的变化及其关系．对此应多加训练，熟练掌握．1．通过实验探究弹力和弹簧伸长的关系当在竖直悬挂的弹簧下挂上钩码时，弹簧被拉长，产生向上的弹力．由二力平衡条件可知，钩码静止时，钩码的重力等于弹簧的弹力．当钩码重力增大时，弹力也增大，弹簧弹伸长量增大．所以研究弹簧的弹力与弹簧伸长量之间的关系，可以转换为探究弹簧伸长量与钩码重力的关系．由此可知，实验中需测量的量有：悬挂不同数量钩码时弹簧的伸长量、钩码的重力．【例1】通过“探究弹簧弹力与弹簧伸长长度的关系”实验，我们知道在弹性限度内，弹簧弹力F的大小与弹簧的伸长(或压缩)量x成正比，并且不同的弹簧，其劲度系数不同．已知一根原长为L0、劲度系数为k1的长弹簧A，现把它截成长为L0和L0的B、C两段，设B段的劲度系数为k2、C段的劲度系数为k3，关于k1、k2、k3的大小关系，同学们做出了如下猜想．图911甲同学：既然是同一根弹簧截成的两段，所以，k1=k2=k3乙同学：弹簧越短劲度系数越大，所以，k1k2k3丙同学：弹簧越长劲度系数越大，所以，k1k2k3(1)为了验证猜想，可以通过实验来完成．实验所需的器材除铁架台外，还需要的器材有________．(2)简要写出实验步骤．(3)图911是实验得到的图线．根据图线得出弹簧的劲度系数与弹簧长度有怎样的关系？0110AALA(n)LFmgxLk12LFx刻度尺、已知质量且质量相等的钩码实验步骤：将弹簧悬挂在铁架台上，用刻度尺测量弹簧的长度；在弹簧的下端挂上钩码，记下钩码的个数如个并用刻度尺测量弹簧的长度；由计算弹簧的弹力；由计算出弹簧的伸长量．由答案：①②③计算弹簧的劲度系数；④改变钩码的个数，重复实验步骤②、③，并求出弹簧A的劲度系数k1的平均值．⑤按要求将弹簧A剪断成B、C两段，重复实验步骤①、②、③、④.分别求出弹簧B、C的劲度系数k2、k3的平均值．比较k1、k2、k3得到结论．(说明：不一定严格按以上顺序答题，只要条理清楚、能完成实验的，都算对)(3)同一根弹簧上截下的几段，越短的段，劲度系数越大(或越长的段，劲度系数越小)．【评析】在物理学中经常用到图象处理物理问题．用作图法处理实验数据并得出相关的结论是科学研究中的一种重要方法，也是高考中的重点内容，近年来在高考中出现的几率特别高．在作图时，应该根据所给出的坐标纸合理选取两坐标轴的标度，使得图线大致占满整个区域，以便减小偶然误差．根据描出的点，作出平滑曲线或直线，注意所画出的线不一定过所有点，而是应尽量使各点较均匀地分布在图线的两侧，画直线或曲线的过程就是取平均的过程．如图912所示，将橡皮筋的一端固定于A点，另一端点用互成某个角度的两个拉力F1与F2将其拉到某个位置O，换用一个拉力F′替代前两个拉力F1与F2，也把橡皮筋拉到同一位置O，此时则可以说拉力F1和F2合力的作用效果与一个力F′的作用效果相同．若按比例作力F1、F2、F′的图示，以F1和F2为邻边作平行四边形所得的合力F与F′在误差允许范围内大小相等、方向相同，即可验证两互成角度的共点力的合成遵从平行四边形定则．2．验证力的平行四边形定则由此可知，实验中应记录与测量的是：橡皮筋被拉到的位置O，各次弹簧测力计拉力的大小与方向．图912【例2】(2011·江苏卷)某同学用如图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．(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．拉线方向应与木板平面平行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的指针稍超出量程，请您提出两个解决办法．【解析】(1)由测力计可读出数据为3.6N；(2)因为只要O点受力平衡，三个力的合力为零即可，没有必要每次都要使O点静止在同一位置，D项符合题意；(3)减小重物M的质量，可使测力计的读数减小，更换量程更大的测力计也可．答案：(1)3.6(2)D(3)①改变弹簧测力计B拉力的大小；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)3．研究匀变速直线运动规律(1)判断物体运动的性质根据打点的纸带判断物体的运动情况，一般的方法是测量每相邻两点间的距离，若相邻两点间的距离相等，则物体做匀速直线运动；若相邻两点的距离越来越大则加速，若距离越来越小则减速，若相邻相等时间内的位移差s2-s1=s3-s2=s4-s3=……=常数(Ds=aT2)，则可以判定物体做匀变速直线运动．(2)瞬时速度v的求解方法：1nv2nnssT2241152226335263411232221231236543212“”6333,3333()()(33)axxaTxxaTxxaTxxxxxxaaaTTTaaaaaaaxxxxxxT加速度的求解方法逐差法：从纸带上得到个相邻的相等时间内的位移，则，，，得：，再由、、算出平均值就①是所要测的.vtavta利用图象求：求出各点的即时速度，画出如图的图线，图线的斜率就是加速度②【例3】某同学在做“研究匀变速直线运动”实验时，打出的纸带如图915所示(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(单位：cm)．打点计时器的电源频率为50Hz.根据计算可得：与纸带上D点相对应的瞬时速度v=________m/s，该匀变速直线运动的加速度a=________m/s2.(结果保留三位有效数字)22Dv1.1755/2a91.180.011.930.1.18/1.9/013CEmsTEFDECDBmsCABOATms点对应速度，加速度【解析】答案： (1)如图所示，保持小车质量不变，改变小桶内砂的质量，从而改变细线对小车的牵引力，测出小车的对应加速度，作出加速度和力的关系图线，验证加速度是否与外力成正比.4．验证牛顿运动定律221232satsaTD保持小桶和砂的质量不变，改变小车的质量，测出小车的对应加速度，做出加速度和质量倒数的关系图线，验证加速度是否与质量成反比．采用控制变量法．用公式或测量加速度【例4】为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图所示的器材：A为小车，B为电火花计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F等于砝码和小桶的总重量．请思考探究思路并回答下列问题：(1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取什么做法？___________________________.(2)在“探究加度与质量的关系”时，保持砝码和小桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m数据如下表：次数12345小车加速度a/(m·s-2)0.780.380.250.200.16小车质量m/(kg)0.200.400.600.801.00根据上述实验数据，用计算机绘制出a-m图象如图甲所示：通过对图象(图918甲)的观察，可猜想在拉车F一定的情况下a与m的关系可能是：a∝m-1、a∝m-2、a∝m-3等等，为了验证猜想，请在图918乙中作出最能直观反映a与m之间关系的图象．(3)在“探究加速度与力的关系”时，保持小车的质量不变，改变小桶中砝码的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a与力F图线如图919，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因是_______________________.919【解析】(1)把木板的右端垫高，利用重力沿木板向下的分力来平衡滑动摩擦力；(2)可以分别画出a∝m-1、a∝m-2、a∝m-3等图象，发现a∝m-1呈线性关系，这是最能直观反映a与m之间关系的，故在图918乙中作出a∝m-1图象；(3)由图919看出当加速度为0时，F可以不为0，说明未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分．．【答案】(1)把木板的右端(或安装打点计时器的那端)适当垫高，以平衡摩擦力(2)如图所示(3)实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分1Famam明确一定时，和成【评析】反比，一般作的图象．方法一：采用如图所示装置，让小车在橡皮筋作用下弹出，使小车获得速度后沿木板匀速滑行，当用一条橡皮筋弹出时对小车做的功为W，则用2条、3条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次…实验，每次橡皮筋都拉伸到同一5．探究动能定理222W,3WvvWWvWvWvv位置释放时，实验中橡皮筋所做的功分别为小车获得的速度根据打点计时器打出的纸带得到．当得出若干组功和速度的数据后，以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，分别以小车获得的速度、、为横坐标，以第一次实验时的功为单位，用描点法分别作出、、曲线，分析曲线，得出橡皮筋对小车做的功与小车获得速度的定量关系．方法二：(1)实验原理：和探究牛顿第二定律的原理相同．(2)实验器材：打点计时器，纸带及复写纸，小车，一端附有滑轮的长木板，小桶，细绳，砂，低压交流电源，两根导线，天平，刻度尺，砝码．(3)实验步骤及器材调整：①用天平测出小车和小桶(含砂)的质量M和m，把数值记录下来．②把实验器材安装好．③平衡摩擦力：在长木板不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动其位置，直至不挂砂桶的小车刚好在斜面上保持匀速运动为止．④将砂桶通过细绳系在小车上，接通电源，放开小车，使小车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上标上号码．⑤改变砂和砂桶或小车中砝码的质量，更换纸带，重复④中操作．221221s1vvmgsm(45vv)2mM数据处理：选择打点清晰的纸带，量出某两个计数点的距离，计算出这两个计数点的速度，，比较和在误差范围注意事项：在本实验中，必须平衡摩擦力，方法是将长木板的一端垫起，而垫起的位置要恰当．在位置确定以后，不能再更换倾角．改变和的大小时，每次小车开始释放时尽量靠近打点计时器，而且先通电再释放小车．①②内是否相等．【例5】某实验小组采用图9111所示的装置探究“动能定理”．图9111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．打点计时器工作频率为50Hz.9111(2)图9112是钩码质量为0.03kg，砝码质量为0.02kg时得到的一条纸带，在纸带上选择起始点O及A、B、C、D和E五个计数点，可获得各计数点到O的距离s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．9112表1纸带的测量结果测量点s/cmv/(m·s-1)O0.000.35A1.510.40B3.200.45CD7.150.54E9.410.60(3)在小车的运动过程中，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中的图线(其中Dv2=v2-v)．根据图线可获得的结论是_________.要验证“动能定