浙江选考版高考物理大一轮复习第十四章实验与探究第2讲力学实验二学案.docx
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浙江选考版高考物理大一轮复习第十四章实验与探究第2讲力学实验二学案
第2讲 力学实验
(二)
实验5:
探究作用力与反作用力的关系
一、实验原理
1.用弹簧测力计探究作用力与反作用力的关系
如图1甲所示,任取A、B两个弹簧测力计,使两挂钩钩住,B固定,A用手拉着.读出此时两个弹簧测力计的示数FA和FB,比较FA和FB的大小和方向.
如图乙所示,将两个弹簧测力计挂钩钩住,B连接一块木块,A用手拉着.探究在水平方向运动时,FA和FB的大小和方向.将拉动方向改为竖直方向,如图丙所示,重复上述探究.
图1
2.用力传感器探究作用力与反作用力的关系
如图2所示,用两只力传感器钩住对拉.从计算机屏幕上所显示的力和时间关系图线中读出不同时刻两只力传感器的相互作用力FA和FB,比较FA和FB的大小和方向.
图2
二、实验器材
弹簧测力计3个、包装用泡沫塑料若干、小刀1把、木块1个、力传感器2只、数据采集器1台及计算机1台等.
三、实验过程
1.用弹簧测力计探究作用力与反作用力的关系
(1)探究静止状态时物体间的作用力与反作用力.
①取其中两个弹簧测力计A、B连接在一起,B固定,A用手拉着.在表中记下此时两弹簧测力计的示数FA和FB.加大对A的拉力,重复实验多次.实验中注意观察作用力与反作用力的方向及两弹簧测力计示数变化是否有先后.
②若FA和FB大小不等,可尝试以下步骤:
将弹簧测力计A与弹簧测力计C互拉,根据①中各次实验FA的大小记下对应的弹簧测力计C的示数FA′;将弹簧测力计B与弹簧测力计C互拉,根据①中各次实验FB的大小记下对应的弹簧测力计C的示数FB′.比较FA′与FB′的大小关系.
(2)增加弹簧测力计的“记忆功能”,即在弹簧测力计的指针下面放上一点泡沫塑料.
(3)探究沿水平方向运动时物体间作用力与反作用力的关系.
①将具有“记忆功能”的弹簧测力计A与B挂钩连接在一起,弹簧测力计B连接一块小木块,用手拉A使木块运动一段时间后停下来.根据泡沫塑料的位置读出两弹簧测力计的最大示数FA和FB,记录在表中.实验中要注意观察作用力与反作用力的方向.
②若FA和FB大小不等,则可保持泡沫塑料的位置不变,将弹簧A和B分别与弹簧测力计C互拉,直至A、B两弹簧测力计的示数分别为FA和FB,记下弹簧测力计C的示数FA′和FB′.比较FA′与FB′的大小关系.
③以不同运动状态(匀速直线运动和加速运动)重复实验多次,记下相应数据.
(4)探究沿竖直方向运动时物体间作用力与反作用力的关系.重复(3)中步骤.
2.用力传感器探究作用力与反作用力的关系
(1)探究静止状态时物体间作用力与反作用力的关系.
①取A、B两只力传感器,使两挂钩钩住,B固定,A用手拉着,以不同力拉A一段时间,通过数字化实验系统记录两传感器间的相互作用力FA和FB随时间变化的图线.
②仔细观察FA和FB所对应的两条曲线,比较不同时刻FA和FB大小是否相等.实验中观察体会作用力与反作用力的方向.
③任取8个时刻,结合图线读出这些时刻两只传感器的相互作用力FA和FB,并将所取时刻和对应FA和FB的值填入表中.
(2)探究沿水平方向运动时物体间作用力与反作用力的关系.重复
(1)中步骤.
(3)探究沿竖直方向运动时物体间作用力与反作用力的关系.重复
(1)中步骤.
四、注意事项
1.使用弹簧测力计前,应先调节零刻度.
2.弹簧测力计对拉时作用力要在同一直线上.
3.实际的弹簧测力计往往存在一定的示值误差,发现两弹簧测力计示数不等既不能“视而不见”也不能“武断定论”.
4.将弹簧测力计A和B分别与弹簧测力计C互拉,通过与C的示数比较确定两弹簧测力计拉力是否相等,是一种“等效替代”的方法.
5.同一实验步骤中,泡沫塑料位置必须保持不变.
6.用力传感器进行实验时,也需要调零.
7.用力传感器对拉时作用力要在同一直线上.
例1
(2015·浙江9月选考·14)在“探究作用力与反作用力的关系”实验中,某同学用两个力传感器进行实验.
(1)将两个传感器按图3甲方式对拉,在计算机屏上显示如图乙所示,横坐标代表的物理量是________,纵坐标代表的物理量是________.
图3
(2)由图乙可得到的实验结论是________.
A.两传感器间的作用力与反作用力大小相等
B.两传感器间的作用力与反作用力方向相同
C.两传感器间的作用力与反作用力同时变化
D.两传感器间的作用力与反作用力作用在同一物体上
答案
(1)时间(t) 力(F)
(2)AC
变式1
在“探究作用力与反作用力的关系”实验中,某同学把一只力传感器系在一个木块上,另一只握在手中,当通过传感器用力拉木块时,要能用该装置探究作用力与反作用力的关系,下列说法正确的是________.
A.木块必须处于静止或匀速直线运动状态
B.木块处于加速状态也可以
C.握在手中的传感器拉另一只传感器的力应尽量保持不变
D.握在手中的传感器拉另一只传感器的力可以随时变化
答案 BD
变式2
(2017·丽水市普通高中质量监控)如图4所示的甲、乙两图是表示用同一套器材测量铁块P与长金属板间滑动摩擦力的两种不同方法.甲图使金属板静止在水平桌面上,手通过弹簧测力计向右用力F拉P,使P做匀速运动;乙图把弹簧测力计的一端固定在墙上,用力F水平向左拉金属板,使金属板向左运动.则关于这两种测量滑动摩擦力的方法:
图4
(1)________(选填“甲”或“乙”)方法好;
(2)选择正确的方法后,滑动摩擦力的测量值如图丙,示数为________N.
答案
(1)乙
(2)2.40
解析
(1)题图甲中铁块只有在匀速运动时的摩擦力才等于弹簧的拉力,而题图乙中P稳定时弹簧测力计的示数一定等于摩擦力.
(2)弹簧测力计的最小单位为0.1N,应估读到下一位,故其示数为2.40N.
实验6:
研究平抛运动
一、实验原理
平抛物体的运动可以看作是两个分运动的合运动:
一个是水平方向的匀速直线运动,另一个是竖直方向的自由落体运动.令小球做平抛运动,利用描点法描出小球的运动轨迹,即小球做平抛运动的曲线,建立坐标系.
测出曲线上某一点的坐标x和y,根据重力加速度g的数值,利用公式y=
gt2求出小球飞行时间t=
,再利用公式x=vt,求出小球的水平分速度v=x
,即为小球做平抛运动的初速度.
二、实验装置图及器材
如图5所示,
图5
斜槽、小球、木板、坐标纸、图钉、重垂线、直尺、三角板、铅笔等.
三、实验过程
1.安装斜槽轨道,使其末端保持水平.
2.将坐标纸固定在木板上,使木板保持竖直状态,小球的运动轨迹与板面平行,坐标纸方格横线呈水平方向.
3.以斜槽末端为坐标原点沿重垂线画出y轴.
4.让小球从斜槽上适当的高度由静止释放,用铅笔记录小球做平抛运动经过的位置.
5.重复步骤4,在坐标纸上记录多个位置.
6.在坐标纸上作出x轴,用平滑的曲线连接各个记录点,得到平抛运动的轨迹.
7.在轨道上取几个点,使这些点在水平方向间距相等,研究这些点对应的纵坐标y随时间变化的规律.
四、注意事项
1.斜槽末端的切线必须水平.
2.方木板必须处在竖直面内且与小球运动轨迹所在的竖直平面平行,并使小球的运动靠近木板但不接触.
3.坐标原点(小球做平抛运动的起点)不是槽口的端点,应是小球在槽口时球的球心在木板上的水平投影点.
4.如果是用白纸,则应以小球在槽口时球的球心在木板上的水平投影点为坐标原点,在斜槽末端悬挂重垂线,先根据重垂线方向确定y轴方向,再用直角三角板画出水平线作为x轴,建立直角坐标系.
5.每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始滚下.
6.在平抛轨道上选取距O点远些的点来计算球的初速度,这样可使结果的误差较小.
例2
(2017·浙江4月选考·17)在“研究平抛运动”实验中
(1)图6是横挡条卡住平抛小球,用铅笔标注小球最高点,确定平抛运动轨迹的方法,坐标原点应选小球在斜槽末端点时的________.
图6
A.球心
B.球的上端
C.球的下端
在此实验中,下列说法正确的是________.
A.斜槽轨道必须光滑
B.记录的点应适当多一些
C.用光滑曲线把所有的点连接起来
D.y轴的方向根据重垂线确定
(2)图7是利用图6装置拍摄小球做平抛运动的频闪照片,由照片可判断实验操作错误的是____.
图7
A.释放小球时初速度不为0
B.释放小球的初始位置不同
C.斜槽末端切线不水平
(3)下图是利用稳定的细水柱显示平抛运动轨迹的装置,其中正确的是( )
答案
(1)B BD
(2)C (3)B
解析
(1)因用铅笔标注小球最高点来确定平抛运动轨迹,故坐标原点应选小球在斜槽末端点时的球的上端,所以选B.实验过程中,斜槽不一定光滑,只要能够保证从同一位置静止释放,即使轨道粗糙,摩擦力做功是相同的,离开斜槽末端的速度就是一样的,选项A错误,记录的点适当多一些,能够保证描点平滑,选项B正确;作图象时,要使尽可能多的点在所作曲线上,不在曲线上的点应尽可能均匀分布在所作曲线两侧,选项C错误;y轴必须是竖直方向的,即用重垂线确定,选项D正确.
(2)由题图可知斜槽末端切线不水平,才会造成斜抛运动,故选C.
(3)插入瓶中的另一根吸管使得瓶中压强与外界气压相等,目的就是为了保证水流流速不受瓶内水面下降而减小,能保证水面下降的一段时间内,得到稳定的细水柱,所以选B.
变式3
(2017·嘉兴市期末)
(1)如图8甲所示为“研究平抛运动”的实验装置,在此实验中,下列说法正确的是________.
图8
A.斜槽轨道必须光滑
B.斜槽水平部分轨道必须水平
C.每次实验均需要平衡摩擦力
D.小球每次应从斜槽上同一位置静止释放
(2)某同学采用如图乙所示的装置来研究平抛运动的分运动,用小锤击打弹性金属片,金属片把A球沿水平方向弹出,同时B球被松开,自由下落,观察到两球同时落地,改变小锤击打的力度,即改变A球被弹出的速度,两球仍然同时落地,这说明________________.
答案
(1)BD
(2)平抛运动的竖直分运动是自由落体运动
变式4
(2017·绍兴市选考模拟)研究平抛运动的实验装置如图9所示.
图9
(1)实验时,每次须将小球从轨道________(填字母).
A.同一位置释放
B.不同位置无初速度释放
C.同一位置无初速度释放
(2)上述操作的目的是使小球抛出后________(填字母).
A.只受重力B.轨迹重合
C.做平抛运动D.速度小些,便于确定位置
(3)实验中已测出小球半径为r,则小球做平抛运动的坐标原点位置应是________(填字母).
A.斜槽末端O点
B.斜槽末端O点正上方r处
C.斜槽末端O点正前方r处
D.斜槽末端O点正上方r处在竖直木板上的投影点
答案
(1)C
(2)B (3)D
变式5
图10是“研究平抛运动”的实验装置图,通过描点画出平抛小球的运动轨迹.
图10
(1)以下是实验过程中的一些做法,其中合理的有________.
A.安装斜槽轨道,使其末端保持水平
B.每次小球释放的初始位置可以任意选择
C.每次小球应从同一高度由静止释放
D.为描出小球的运动轨道,描绘的点可以用折线连接
(2)实验得到平抛小球的运动轨迹,在轨迹上取一些点,以平抛起点O为坐标原点,测量它们的水平坐标x和竖直坐标y,下列图中y-x2图象能说明平抛小球运动轨迹为抛物线的是________.
(3)图11中是某同学根据实验画出的平抛小球的运动轨迹,O为平抛的起点,在轨迹上任取三点A、B、C,测得A、B两点竖直坐标y1为5.0cm、y2为45.0cm,A、B两点水平间距Δx为40.0cm.则平抛小球的初速度v0为________m/s,若C点的竖直坐标y3为60.0cm,则小球在C点的速度vC为______m/s.(结果均保留两位有效数字,g取10m/s2)
图11
答案
(1)AC
(2)C (3)2.0 4.0
解析
(1)斜槽末端要保持水平,使小球飞出后做平抛运动,A项正确;要使每次小球做平抛运动的初速度相同,则每次小球应从同一高度由静止释放,B项错误,C项正确;描绘轨迹时应用平滑曲线连接各点,D项错误.
(2)对平抛运动,水平位移x=v0t,竖直位移y=
gt2,
联立上述两式得y=
x2,故y-x2图线应为直线,故选C.
(3)由y=
gt2解得,从O点运动到A、B、C各点的时间分别为t1=0.1s、t2=0.3s、t3=0.2
s,
则平抛初速度v0=
=2.0m/s,
在C点速度vC=
=4.0m/s.
实验7:
探究做功与物体速度变化的关系
一、实验原理
1.不直接测量对小车做的功,用改变橡皮筋的条数确定对小车做的功为W0、2W0、3W0……
2.作出W-v、W-v2图象,分析图象,寻求橡皮筋对小车做的功与小车获得速度的定量关系.
二、实验装置图及器材
图12
橡皮筋、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、木板、钉子.
三、实验步骤
1.按图12组装好实验器材,由于小车在运动中会受到阻力,使木板适当倾斜来平衡摩擦力.
2.先用一条橡皮筋进行实验,把橡皮筋拉伸一定长度,理顺纸带,接通电源,放开小车.
3.换用纸带,改用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验,每次实验中橡皮筋拉伸的长度都相同.
4.由纸带算出小车获得的速度,把第1次实验获得的速度记为v1,第2次、第3次……记为v2、v3……
5.对测量数据进行估计,大致判断两个量可能的关系,然后以W为纵坐标,以v2(或v、v3、
)为横坐标作图.
四、数据处理
1.测量小车的速度:
为探究橡皮筋弹力做功和小车速度变化的关系,需要测量弹力做功结束时小车的速度,即小车做匀速运动的速度,由纸带可求得.
2.实验数据处理及分析
(1)观察法:
当橡皮筋的条数成倍增加,即合外力做的功成倍增加时,观察小车的速度或速度的平方如何变化,有何变化规律.
(2)图象法:
在坐标纸上画出W-v或W-v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位).
3.实验结论:
从图象可知做功与物体速度变化的关系为W∝v2.
五、注意事项
1.平衡摩擦力很关键,将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡.方法是轻推小车,由打点计时器打在纸带上点的均匀程度判断小车是否匀速运动,找到木板一个合适的倾角.
2.测小车速度时,纸带上的点应选点迹均匀的部分,也就是选小车做匀速运动状态的部分.
3.橡皮筋应选规格一样的.力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可,不必计算出具体数值.
4.小车质量应大一些,使纸带上打的点多一些.
例3
(2017·绍兴一中高一期末)用如图13所示的装置探究做功与物体速度变化的关系.实验时,先适当垫高木板,然后由静止释放小车,小车在橡皮筋弹力的作用下被弹出,沿木板滑行.小车滑行过程中带动通过打点计时器的纸带,记录其运动情况.观察发现纸带前面部分点迹疏密不均匀,后面部分点迹比较均匀,回答下列问题:
图13
(1)适当垫高木板是为了________________.
(2)通过纸带求小车速度时,应使用纸带的________(选填“全部”“前面部分”或“后面部分”).
(3)若实验做了n次,所用橡皮筋分别为1根、2根……n根,通过纸带求出小车的速度分别为v1、v2……vn,用W表示橡皮筋对小车所做的功,作出的W-v2图线是一条过坐标原点的直线,这说明W与v的关系是________.
答案
(1)平衡摩擦力
(2)后面部分 (3)W与v2成正比(或W∝v2)
解析
(1)适当垫高木板是为了平衡摩擦力.
(2)橡皮筋弹力对小车所做的功全部完成后,打出来的点才能反映物体的速度,所以应使用纸带的后面匀速部分.
(3)W-v2图线是一条过坐标原点的直线,根据数学知识可确定W与速度v的平方成正比.
变式6
在“探究做功与物体速度变化的关系”实验中,某同学安装了如图14所示的实验器材:
图14
(1)要完成实验目的,除了图示器材,在下列实验器材中还需要的有________.
A.毫米刻度尺B.4~6V直流电源
C.4~6V交流电源D.沙桶或钩码
(2)下列纸带(左边为先打下的点),哪个比较符合实验要求________,平衡摩擦力过度的是________.
答案
(1)AC
(2)B D
解析
(1)要测量纸带上打出点间的距离,需要毫米刻度尺,用电磁打点计时器,需要4~6V交流电源,故选A、C;
(2)符合要求的纸带是后面的点迹均匀,所以选B;平衡摩擦力过度,则橡皮筋回复原状后小车仍有加速度,则相邻点间的距离越来越大,故选D.
变式7
(2017·金华市义乌模拟)某实验小组利用如图15甲所示装置探究“外力做功与滑块动能变化的关系”,主要步骤如下:
图15
A.按图示器材连接好装置;
B.托盘内加砝码,当托盘和砝码的总质量为m0时,轻推滑块,滑块恰好做匀速直线运动,称出滑块的质量为M,若纸带与打点计时器之间的摩擦不计,则滑块与长木板间的动摩擦因数μ=________;
C.本实验采用电磁打点计时器进行研究,在拨动学生电源开关前,图乙中存在一个明显的错误,请指出:
________;
D.撤去托盘和砝码,并取下细线,先接通电源,再轻推滑块,使滑块获得一定初速度后撤去外力,滑块运动过程中打出一条纸带,截取纸带的最后一段,如图丙所示,则纸带的运动方向为________(选填“a→b”或“b→a”);
E.用刻度尺测量AB、BC、CD、DE、EF间的距离,分别记为x1、x2、x3、x4、x5,相邻两点间的时间间隔为T,则B、E之间动能定理表达式可用上述物理量表示为:
________.
F.实验结束,整理仪器.
答案
工作电压过高 b→am0g(x2+x3+x4)=
M(
)2-
M(
)2
解析 由于小车匀速运动,所以托盘和砝码的重力等于小车所受的滑动摩擦力,即m0g=μMg所以μ=
.打点计时器的工作电压是4~6V,而乙图中的工作电压过高,故应选择4~6V的交流电.
据题意可知,纸带做减速运动,所以相同的时间内位移逐渐减小,故纸带应向左运动,即由b→a.据匀变速直线运动的推论,可知:
vB=
,vE=
据题图丙可知,BE间的距离为:
x2+x3+x4
据动能定理得:
μMg(x2+x3+x4)=
M
2-
M
2,
由μ=
得m0g(x2+x3+x4)=
M(
)2-
M(
)2.
实验8:
验证机械能守恒定律
一、实验原理
1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的动能与重力势能相互转化,但总的机械能保持不变.若某一时刻物体下落的瞬时速度为v,下落高度为h,则应有mgh=
mv2.借助打点计时器,测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v,即可验证机械能是否守恒.
2.测定第n点的速度的方法:
vn=
或vn=
.
二、实验装置图
图16
三、实验步骤
1.按图16安装实验器材,电源接学生电源,并将输出电压调至4~6V交流.接通电源前,用手提升纸带至重物靠近打点计时器处.
2.先接通电源,再松开纸带,让重物自由下落.关闭电源,取下纸带备用.
3.重复步骤2两次.
4.取点迹清晰,且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量.先将第一点记为0点,然后在纸带上任取5个连续的点(或间隔点数相同的点),如图17所示.
图17
5.验证0点到2点过程机械能守恒的方程为:
mgh2=
m
2,其中T为1点到2点(或2点到3点)之间的时间间隔,如果在误差允许的范围内等式成立,那么实验就是成功的.同理,可以验证0点到3点过程、0点到4点过程的机械能是否守恒.
6.拆下器材,放回原处.
四、数据处理
1.测量计算
在起始点标上0,在某点以后各点依次标上1、2、3……用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3……利用公式vn=
计算出点2、点3……的瞬时速度v2、v3……
2.验证守恒
方法一:
利用起始点和第n点计算,代入ghn和
vn2,如果在实验误差允许的范围内,ghn=
vn2,则机械能守恒.
方法二:
任取两点计算.
①任取两点A、B测出hAB,算出ghAB.
②算出
vB2-
vA2的值.
③在实验误差允许的范围内,如果ghAB=
vB2-
vA2,则机械能守恒.
方法三:
图象法.从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,然后以
v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出
v2-h图线,若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒.
五、注意事项
1.打点计时器竖直安装,纸带沿竖直方向拉直.
2.重物要选用密度大、体积小的物体,以减小阻力.
3.先接通电源,待打点稳定后再释放纸带.
4.测量下落高度时,必须从起始点算起,为了减小测量h值的相对误差,选取的各个计数点要离起始点远一些,纸带也不宜过长,有效长度可在60~80cm之内.
5.速度不能用vn=gtn或vn=
计算,因为只要认为加速度为g,机械能就一定守恒,即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律,况且用vn=gtn计算出的速度比实际值大,会得出机械能增加的结论,而因为摩擦阻力的影响,机械能应该减小,所以速度应从纸带上直接测量计算.同样的道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺直接测量,而不能用hn=
gtn2或hn=
计算得到.
例4
(2016·浙江4月选考·17)
(1)在下列学生实验中,需要用到打点计时器的实验有______(填字母).
A.“探究求合力的方法”
B.“探究加速度与力、质量的关系”
C.“探究做功与物体速度变化的关系”
D.“探究作用力与反作用力的关系”
(2)做“验证机械能守恒定律”的实验,已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器,还必须选取的器材是图中的________(填字母).
某同学在实验过程中,①在重物的正下方地面铺海绵;②调整打点计时器的两个限位孔连线为竖直;③重复多次实验.以上操作可减小实验误差的是________(填序号).
答案
(1)BC
(2)BD ②③
解析
(1)A选项实验需要弹簧测力计、刻度尺;D选项实验与打点计时器无关.
(2)需要B重物,需要D刻度尺测量下落距离;②可以减小摩擦带来的影响;③可以减小偶然误差.
变式8
(2017·金华十校联考)如图18所示,某同学用自由落体法“验证机械能守恒定律”,从图示位置静止释放纸带连接的重物.
图18
(1)图中操作不合理的地方是________.
(2)除了图中器材外,下列实验器材中还必须选取的有________.
A.秒表B.刻度尺C.干电池
(3)本实验所取的重力加速度g的值,应该________.
A.取当地的实际g值
B.根据打出的纸带,用Δx=gT2求出
C.近似取10m/s2
答案
(1)重物释放时离打点计时器太远
(2)B (3)A
变式9
(2017·绍兴一中高一期末)在验证机械能守恒定律的实验中,已知打点计时器所用电源的频率为f,查得当地重力加速度为g,测出所用重物的质量为m,实验中得到一条点迹清晰的纸带,如图19所示,把第一个点记作O,另选连续的4个点A、B、C、D作为测量点,经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为x1、x2、x3、x4,根据以上数据,可知重物由O点运动到C点,重力势能的减少量为
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