上海市物理高考的21个实验5-8Word文档格式.doc
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固定转动轴
[实验目的]研究有固定转动轴的物体的平衡条件.(拓P19)
[实验器材]铁架台、力矩盘、弹簧秤、一组钩码、带套环的横杆、钉子、细线、刻度尺等.
[探究思路]
作用在有固定转动轴物体上的力矩可引起物体沿不同方向转动.从沿着转动轴的某一个方向上看,力矩的作用效果不外乎有两种可能:
引起物体沿逆时针方向转动或者沿顺时针方向转动.于是我们要通过实验来探究的问题是,为了使一个有固定转动轴的物体处于平衡状态,施加在该物体上的能引起它沿逆时针方向转动的力矩和能引起它沿顺时针方向转动的力矩之间究竟需满足怎样的定量关系
[实验步骤]
(1)如图2-12所示,将力矩盘的金属轴O固定在铁架台上,把力矩盘套在轴上并使盘面保持竖直.同时在铁架台上固定一根横杆.力矩盘上画出的同心圆供确定力臂时参考.
(2)将钉子固定在力矩盘的四个任意位置上,其中三枚钉子上用细线悬挂不同个数的钩码,第四个钉子用细线与测力计的钩子相连,测力计的另一端则挂在水平横杆的套环上.
(3)当力矩盘在这四个力的作用下处于平衡状态时,测出各个力的大小及它们的力臂.将力和力臂的数据记录在预先设计的表格中.
(4)改变钉子的位置,重复实验一次.
(5)分析数据,得出结论.
计算各个力对转轴O的力矩;
确认该力矩究竟是逆时针方向力矩还是顺时针方向力矩.然后分别算出能引起物体沿逆时针方向转动和沿顺时针方向转动的力矩之和,并由此得出关于有固定转动轴的物体的平衡条件.
【实验结论】
有固定转动轴物体的平衡条件是:
_________________________________________________________________________________________________________________________________________。
作用在有固定转动轴物体上的力矩可使物体沿不同方向转动。
从转动轴的某个方向看过去,力矩的作用效果不外乎存在两种可能:
引起物体沿顺时针方向转动或者沿逆时针方向转动。
一般的物体平衡条件包括“力平衡条件”和“力矩平衡条件”。
在实际的建筑和桥梁设计中,对于其中的每个部分都应当建立关于力的平衡和力矩平衡条件的方程,得到一个包含大量方程的联立方程组。
对于这样的方程组常常需要利用计算机进行计算和分析,从而选择最佳设计方案。
通过上述实验我们可得到如下结论:
作用在一个物体上的顺时针方向力矩之和与逆时针方向力矩之和相等时,物体将处于“转动平衡”状态。
上述结论也称为“力矩平衡条件”,该条件可用公式表示为
M逆﹦M顺
初中物理课程中介绍的杠杆平衡条件(有时称为杠杆原理)是上述力矩平衡条件的最简单特例。
注意点:
1、为了使实验具有普遍性,可用测力计对圆盘施加非竖直方向的力,圆盘所受几个力的作用点不要和转动轴在同一水平线上。
2、实验前须对圆盘进行检查和调整,若圆盘不能随遇平衡,表明盘的重心偏离轴心,实验时重心处所受的重力力矩会引起误差。
这时可用图钉作配重进行校正。
3、轴杆需保持水平,圆盘与轴杆之间的间隙要小避免圆盘受力时向前倾斜而偏离竖直平面。
4、轴上要加润滑油,使圆盘转动灵活,尽可能减少摩擦力矩。
5、实验时为避免测力计因自重下垂而造成测量误差,可用手扶住测力计,使它与所拉细绳在同一直线上时再读数。
每根细线应挂在钉子的根部。
6、要保证各力均在同一平面内与圆盘平行。
各力臂应尽量取大些,以减少用尺测量误差,各力矩也应尽量大些,以减小轴上摩擦力矩的影响。
7、平衡后轻轻地敲几下圆盘,这样的震动可减小轴上摩擦力矩的影响。
自主活动
从力矩平衡条件推出杠杆原理。
列举几个杠杆原理的应用实例。
误差来源:
⑴钩的误差⑵测力计精度产生的误差⑶轴心空位偏差和作图偏差。
(三)研究有固定转动轴物体的平衡条件
1、力矩盘的平面必须处于_________内,为此,固定转动轴一定要_______地固定在铁架台上。
在“有固定转动轴物体的平衡”实验中,主要器材为力矩盘。
力矩盘的转轴一般设在重心(既盘的圆心),其目的是_______________.
2、下列关于实验注意事项的叙述,其中正确的是()
A弹簧秤在使用前,必须要检查(或调整)指针是否指在零点
B横杆应尽量高些,而且一定要保持水平
C各力矩宜取得大一些
D测量各力臂时要力求准确
3、简单回答下列各问:
(1)判断力矩盘重心是否在盘的中心的简单方法是_________________________.
(2)判断力矩盘与转轴间摩擦大小的简便方法是__________________________.
(3)实验中除了用钩码外还要用一只弹簧秤,是因为______________________.
(4)挂钩码的悬线不宜过短,是为了避免__________________________.
(5)挂钩码的悬线不宜过长,是为了避免_________________________.
4、实验得到如图12-3-1的结果,已知每个钩码的重是2N,则弹簧秤的示数可能是()
A0.96NB3.2NC4.8ND6.4N
5、接第4题,设钩码G1和G2的悬线拉力对转轴O的力臂分别为L1和L2,若同时撤去G1和G2,而换一个(G1﹢G2)的另一钩码G’,为使弹簧秤的示数不变,则应将G’悬线拉力对O轴的力臂等于__________________.
6、在用力矩盘做固定转动轴物体的平衡条件实验时,发现当力矩盘上的疤痕P在过转动轴O的竖直线的左侧时,测出的顺时针力矩之和∑M顺总是大于逆时针方向的力矩之和∑M逆,而当P在转过轴O的竖直线的右侧时,测出的∑M顺总是小于∑M逆,其原因是力矩盘_________,要使测得的∑M顺能等于∑M逆,则应________________________________.
7、如图12-3-3演示力矩盘平衡的实验图。
图中O是固定转动轴,A、B是两个光滑的定滑轮,两组砝码跨过定滑轮悬挂。
有一组砝码原悬挂在C点,实验中不慎将其悬线跨过P点处的大头针,如图所示的情况。
力矩盘处于平衡状态。
盘上每个圆环间距都是2.0cm,每个砝码重0.10N。
则从图中可得出顺时针方向的力矩之和是N.m。
实验时,由于力矩盘偏心未经调整,实际测出的弹簧秤读数偏大,则力矩盘的重心在轴的_________.(填“右侧”或“左侧”)
8、在“有固定转轴的物体的平衡”实验中,某实验者自选一块圆形薄板代替力矩盘,但其重心不在板的中心(即转轴处)。
这时,为了减小圆盘的重量对实验结果的影响,就要
A用天平测出圆盘的质量
B将圆盘安装到转轴上,静止时,在圆盘上通过中心作出一条竖直线L
C用悬挂法确定圆盘的重心位置,并作出记号,测出重心到圆盘中心的距离
D在支架上挂一只悬锤,使悬线静止时正好与L重合,但不与圆盘接触
E在圆盘上任意选几点,挂上砝码,然后用测力计拉住某一点,注意选择测力计在横梁上的悬点,每次都使L与悬锤的悬线重合,然后记录数据
F测力计在横梁上悬挂点可任意选择,等圆盘静止时,记录有关数据,并注意同时记下L与竖直方向(即悬锤的悬线)之间的夹角
上述做法中,最佳的做法应该是(用字母按正确的顺序填写)_________.
9、某学生在做“有固定转动轴物体的平衡条件”实验时,他把力矩盘调到平衡,如图12-3-4所示。
盘上各园半径分别是0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m,每个钩码的质量均为100g。
若规定逆时针力矩为正,顺时针力矩为负,则F1的力矩_______N.M;
F2的力矩是______N.M。
根据平衡条件,测力计与圆盘连线的拉力T应该是____N,但该学生发现测力计的读数与该值有偏差,除摩擦等原因外,从所示的图中可看出引起误差的原因是_________________________________________________.
10、在做“有固定转动轴物体平衡”的实验时,如果我们不用弹簧秤而用一个转轴不在中心的均匀圆盘作力矩盘(图12-3-5),能否使实验顺利进行,还需要测量什么物理量?
实验六用DIS研究加速度与力、加速度与质量的关系
【实验目的】
研究小车在质量一定的情况下加速度与作用力的关系。
【实验器材】
DIS(位移传感器,数据采集器,计算机等),带滑轮的轨道,小车,钩码,小车配种片,电子天平等。
【实验结论】实验2用DIS研究加速度与质量的关系
【实验目的】研究小车在受力一定的情况下,加速度与质量的关系。
【实验器材】同前。
探索研究(DIS实验)
在进行探究前,让我么先考虑一下探究的方案。
【设计探究方案】
1.猜想加速度a与作用力F,物体质量m有怎样的关系?
如何研究a,F,m之间的关系?
2.怎样用实验测定a,F,m之间的关系?
3.怎样设计记录采集数据的表格及相关的图像坐标?
4.如果你设计的方案不止一个,则比较一下它们的优劣?
【参考方案】
1.用DIS研究加速度与作用力的关系。
供参考的实验步骤如下:
①用天平测小车的质量。
②测钩码的重力(作为对小车的拉力)
③如图3—11所示,在轨道上放置小车并安装传感器,连接电路,将细线连接小车,跨过滑轮系住小钩码,释放小车测定加速度。
④将上述测得的数据记录在表格中。
⑤保持小车质量不变,改变钩码的大小重复实验。
⑥处理实验数据(包括在图3—12中画图像),归纳得出结论。
a/m/s-2
F/N
本实验应注意:
①轨道应保持水平。
②小车与轨道的摩擦力要小。
③钩码的质量也应该小些。
④小车质量越大实验数据越精确。
2用DIS研究加速度与物体质量之间的关系。
参照前面的实验步骤,写出本实验的步骤:
⑤保持钩码质量不变该变小车质量(加配重片)重复实验
⑥处理实验数据归纳得出实验结论。
【实验结论】在图3—13中画出a—m图像,并在图3—14中通过新设置变量,使图像成为一条直线。
m/kg
四、DIS实验研究加速度与力的关系研究加速度与质量的关系
1图为DIS实验研究加速度与力的关系,研究加速度与质量关系的实验装置图。
从图中可看出,实验时滑块搁置在导轨上,其目的是在实验中忽略滑块运动时的。
实验中应用了2只光电门、数据采集器等DIS实验器材,应用上述器材可测出滑块经过光电门时的(填物理量),进而通过计算机的运算得到滑块的填物理量)。
2实验中,将小钩码悬挂在导轨末端下方,并通过牵引绳与滑块连接,对滑块施加压力使滑块滑动,要求小钩码的质量必须滑块和滑块上砝码的质量(填“等于”、“远大于”或“远小于”)。
3
(1)在研究加速度与力的关系实验中,当滑块质量m一定时,测得滑块在不同拉力F作用下运动的加速度如下表所示,作出相应的-F图线,并由图线填写表中空格。
0.2
0.4
0.6
0.8
1.2
0.05
0.1
0.15
0.3
2在研究加速度与质量的关系实验中,当作用力F一定时,测得滑块在不同质量m下运动加速度如下表所示,填写完表格,并在图中作出—图线。
a/m.s-2
0.5
0.25
0.167
0.125
1.0
3在上述两个实验中,我们采用了哪一种物理学的研究方法?
答
4根据上述两个实验图线分析,你可归纳得到的结论是:
4在研究加速度与力F成正比例关系时,若计算机上得到如图所示的图线。
分析其原因,可能的是()
(A)气垫导轨保持水平,但导轨与滑块之间存在较大的摩擦阻力;
(B)气垫导轨未调水平,滑块初始位置一端处较高;
(C)气垫导轨未调水平,滑块初始位置一端处较低;
(D)气垫导轨保持水平,滑块运动时阻力很小。
答案:
四.1气垫摩擦速度加速度2.远小于3.
(1)图略0.6
(2)52.51.671.251.0图略(3)控制变量法(4)加速度与力成正比,与质量成反比4A,C
A1
A2
07海南14、现要验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律。
给定的器材如下:
一倾角可以调节的长斜面(如图)、小车、计时器一个、米尺。
⑴填入适当的公式或文字,完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响):
①让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑到斜面底端A2,记下所用的时间t。
②用米尺测量A1与A2之间的距离s,则小车的加速度a=。
③用米尺测量A1相对于A2的高度h。
设小车所受重力为mg,则小车所受的合外力F=。
④改变,重复上述测量。
⑤以h为横坐标,1/t2为纵坐标,根据实验数据作图。
如能得到一条过原点的直线,则可验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律。
⑵在探究如何消除上述实验中摩擦阻力影响的过程中,某同学设计的方案是:
①调节斜面倾角,使小车在斜面上匀速下滑。
测量此时A1点相对于斜面底端A2的高度h0。
②进行⑴中的各项测量。
③计算与作图时用(h-h0)代替h。
对此方案有以下几种评论意见:
A.方案正确可行。
B.方案的理论依据正确,但利用所给的器材无法确定小车在斜面上是否做匀速运动。
C.方案的理论依据有问题,小车所受摩擦力与斜面倾角有关。
其中合理的意见是。
14、⑴②③④斜面倾角(或填h的数值)⑵C
(a)
13、(13分)如(a)图,质量为M的滑块A放在气垫导轨B上,C为位移传感器,它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上,经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的位移-时间(s-t)图象和速率-时间(v-t)图象。
整个装置置于高度可调节的斜面上,斜面的长度为l、高度为h。
(取重力加速度g=9.8m/s2,结果可保留一位有效数字)
⑴现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度,A的v-t图线如(b)图所示。
从图线可得滑块A下滑时的加速度a=m/s2,摩擦力对滑块A运动的影响。
(填“明显,不可忽略”或“不明显,可忽略”)
⑵此装置还可用来验证牛顿第二定律。
实验时通过改变,可验证质量一定时,加速度与力成正比的关系;
实验时通过改变,可验证力一定时,加速度与质量成反比的关系。
⑶将气垫导轨换成滑板,滑块A换成滑块A/,给滑块A/一沿滑板向上的初速度,A/的
s-t图线如(c)图。
图线不对称是由于 造成的,通过图线可求得滑板的倾角θ= (用反三角函数表示),滑块与滑板间的动摩擦因数μ=
(b)
(c)
13、⑴6;
不明显,可忽略
⑵斜面高度h;
滑块A的质量M及斜面的高度h,且使Mh不变
⑶滑动摩擦力;
arcsin0.6(arcsin0.57~arcsin0.64);
0.3
14、(09年上海物理)17.(6分)如图为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置。
(1)在该实验中必须采用控制变量法,应保持___________不变,用钩码所受的重力作为___________,用DIS测小车的加速度。
(2)改变所挂钩码的数量,多次重复测量。
在某次实验中根据测得的多组数据可画出a-F关系图线(如图所示)。
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是_________________________________。
②(单选题)此图线的AB段明显偏离直线,造成此误差的主要原因是
A.小车与轨道之间存在摩擦 B.导轨保持了水平状态
C.所挂钩码的总质量太大 D.所用小车的质量太大
(1)小车的总质量,小车所受外力,
(2)①在质量不变的条件下,加速度与外力成正比,②C,
解析:
(1)因为要探索“加速度和力的关系”所以应保持小车的总质量不变,钩码所受的重力作为小车所受外力;
(2)由于OA段a-F关系为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速度与外力成正比;
由实验原理:
得,而实际上,可见AB段明显偏离直线是由于没有满足M>
>
m造成的。
钩码
A
B
27、(6分)如图所示,是用DIS实验系统探究"物体的加速度与力和质量的关系"实验装置。
(1)为了使小车所受的合力等于绳子的拉力,在实验测量前,还需要对实验装置作必要的调整,请你写出该如何调整:
_______________________________________________________________________。
(2)保持小车所受拉力不变,改变小车的质量,测得了下表所示的6组数据:
组别
1
2
3
4
5
6
0.7
a/m·
s-2
0.95
0.72
0.61
0.49
0.40
0.35
请根据6组数据在右图中选择合适的坐标作出加速度与质量的关系图线。
(3)如果钩码的重力越来越大时,小车的加速度会无限制地增加吗?
请简要回答理由和结论
(1)倾斜平衡摩擦力
(2)作a-1/m图(3)对钩码来说合力小于重力,加速度小于重力加速度
:
______________________________________________________________________________。
实验七用单摆测定重力加速度
[学生实验]
[实验目的]用单摆测定重力加速度
[实验器材]
单摆、停表、直尺、游标卡尺、铁架台等。
[实验原理]
由单摆振动的周期公式可得,测出L、T就可以计算策略加速度g。
[实验步骤]
用单摆测定重力加速度的基本步骤如下:
选取一个摆线长的1m的单摆,把线的上端用铁夹固定在铁架台上,把铁架台放在实验桌边,使铁夹伸到面以外,让摆球自由下垂(图7-5)。
用米尽量出悬线长度l,精确到毫米;
用游标卡尺测量摆球的直径,然后算出摆球的半径r,也精确到米。
L+r就是单摆的摆长。
把单摆从平衡位置拉开一个很小的偏角(不超过5°
),然后放开小球让它摆,用有测出单摆做30—50次全振动所用的时间。
计算出平均摆一次的时间,这个时间就是单摆的振动周期。
再根据单摆的周期公式,计算出重力加速度。
设计一个表格,把测得的数据和计算结果填入表中。
最后,求出几次实验得到的重力加速度的平均值,即可看作本地区的重力加速度。
注意事项:
1、选择材料时应选择细、轻又不易伸长的线,长度一般在1m左右,小球应选用密谋较大的金属球,直径应较小,最好不超过20m。
2、单摆悬线的上端不可随意卷在铁夹的杆上,应夹紧在铁夹中,以免摆动时产生摆线下滑,摆长改变的现象。
3、注意摆动时控制摆线偏离竖起方向不超过5°
,可通过估算振幅的办法掌握。
4、摆球振动时,要这保持在同一竖直平面内,不要形成圆锥摆。
5、计算单摆的振动次数时,应以摆球通过最低位置时开妈计时,以后摆球从同一方向通过最低点时,进行计数,且在数“零”的同时,按下秒表,开始计时计数。
[DIS实验]
本实验也可用DIS实验系统来做,其方法如下:
应用计算机辅助系统,将图7-6中的光电传感器接到数据采集器的输入口,点击实验菜单中的“用单摆测重力加速度”。
实验时,测出摆球的半径与摆线的长度。
单摆摆动后,点击“记录数据”,显示屏将得出一组单摆的周期与重力加速度的值。
练习题:
1、对于该单摆实验,下列说明正确的是()
A、摆长应为摆线长加上小球直径
B、计时起点应选小球通过平衡位置时
C、小球应在同一竖直平面内振动,摆角不大于5°
D、用秒表测30-50次全振动的时间,计算出平均周期
2、如图12-5-1是演示摆振动图象,沙摆的摆动看作简谐振动,若平均拉纸的速度为0.2m/s,图上可读出图线尺寸,从中可算出这个砂摆的摆长是m。
3、在发生下列情况时,单摆周期将增大的是()
A、适当增加摆球质量B、适当增大振幅
C、把单摆从高山上移到平地D、把单摆从北极移动赤道附近
4、某同学用单摆测量重力加速度,测得的结果比当地重力加速度的真实值偏大,他在实验操作上可能出现的失误是
A、测量悬线长度作为摆长,没有加上摆球的半径
B、选用摆球的质量偏大
C、在时间t内的n次全振动误记为n+1次
D、在时间t内的n次全振动误记为n-1次
5、用单摆测重力加速度实验中:
(1)用刻度尺测量摆长t时(如图12-5-2),正确的长度应为()
ABCD
(2)如果单摆完成50次全振动时,秒表指针的位置如图12-5-3所示,该秒表的读数是
(3)实验时,将单摆人人平衡位置位开的角
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