1、第二讲力学创新实验“力学创新实验”学前诊断 点击链接 考点一 试题情景的设计与创新最近几年的考题在试题情景的设计上进行了较多的创新，不过其考查的实验原理和实验处理方法仍然不变，因此，对于创新型实验的处理，最根本的方法是要把其从新情景中分离出来，找出与常规实验的相通之处，然后运用熟悉的实验原理和数据处理方法进行解答。需要考生在常规实验的基础上学会灵活变通1利用打点计时器或光电门和运动学规律测出滑块加速度，再利用牛顿第二定律得到动摩擦因数，是常见的实验思想。诊断卷第 1 题是利用能量守恒定律，滑块重力做的功与克服摩擦力所做的功的关系测得动摩擦因数，这是本实验情景设计上的创新之处。2在诊断卷第 2
2、题中，利用小球由静止向下摆动的过程验证机械能守恒定律是实验情景的创新，本题由于用遮光条的速度作为小球的速度，出现了 EkEp 的反常实验结论，是属于问题设计上的创新。3在诊断卷第 3 题中，利用凹形桥模拟器和托盘秤测量玩具小车到达凹形桥最低点的速度，是从实验器材、测量原理到测量物理量的整体创新，试题难度相对较大。在解答本题时要注意区别几个示数：图(a)所示对应的示数 1.00 kg为凹形桥模拟器的质量；图(b)所示的示数与图(a)中示数之差为玩具小车的质量；表格中示数的平均值对应的力与凹形桥模拟器的重力之差为小车在凹形桥最低点时对桥的压力。1(2016四川高考)用如图所示的装置测量弹簧的弹性势
3、能。将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在 O 点；在 O 点右侧的 B、C 位置各安装一个光电门，计时器(图中未画出)与两个光电门相连。先用米尺测得 B、C 两点间距离 s，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置 A，静止释放，计时器显示遮光片从 B 到 C 所用的时间 t，用米尺测量 A、O 之间的距离 x。(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是_。(2)为求出弹簧的弹性势能，还需要测量_。A弹簧原长 B当地重力加速度 C滑块(含遮光片)的质量(3)增大 A、O 之间的距离 x，计时器显示时间 t 将_。A增大 B减小 C不变解析：(1)滑块离开弹簧后做匀速直线运动，故滑块的速率v
4、st。(2)根据功能关系，弹簧的弹性势能 Ep12mv2，所以要求弹性势能，还需要测得滑块的质量，故选项 C 正确。(3)弹簧的形变量越大，弹性势能越大，滑块离开弹簧时的速度越大，滑块从 B 运动到 C 的时间越短，故 x 增大时，计时器显示时间 t 将变小，故选项 B 正确。答案：(1)vst(2)C(3)B2某同学利用如图甲所示装置探究平抛运动中机械能是否守恒。在圆弧槽轨道的末端安装一个光电门 B，圆弧槽末端水平。地面上铺有白纸，白纸上铺有复写纸，让小球从圆弧槽上固定位置 A 点由静止释放，通过光电门后落在地面的复写纸上，在白纸上留下打击印。重复实验多次，测得小球通过光电门 B的平均时间为
5、 t2.50 ms。(当地重力加速度 g9.8 m/s2)(1)用游标卡尺测得小球直径如图乙所示，则小球直径为 d_mm，由 此 可 知 小球 通过 光 电门 的 速度 vB_m/s。(2)实验测得轨道末端离地面的高度 h0.441 m，小球的平均落点 P 到轨道末端正下方 O 点的距离 x0.591 m，则由平抛运动规律解得小球平抛的初速度 v0_m/s。(3)在误差允许范围内，实验结果中小球通过光电门的速度vB 与由平抛运动规律求解的平抛初速度 v0 满足_关系，就可以认为平抛运动过程中机械能是守恒的。解析：(1)小球的直径d5 mm0.05 mm05.00 mm小球通过光电门的速度 vB
6、 dt2.0 m/s。(2)由平抛运动规律可得：xv0t，h12gt2，可求得 v01.97 m/s。(3)在误差允许范围内，可认为 vBv0，平抛运动过程中机械能是守恒的。答案：(1)5.00 2.0(2)1.97(3)vBv0(相等)3(2017淮北市一模)某兴趣小组的同学看见一本物理书上说“在弹性限度内，劲度系数为 k 的弹簧，形变量为 x 时弹性势能为 Ep12kx2。”为了验证这个结论，该小组就尝试用“研究加速度与合外力、质量关系”的实验装置(如图甲)设计了以下实验步骤：A将长木板放置在水平桌面上，并将其右端适当垫高，在它的左端固定一轻质弹簧，通过细绳与小车左端相连，小车的右端连接穿
7、过打点计时器的纸带；B将弹簧拉伸 x 后用插销锁定，测出其伸长量 x；C合上打点计时器的电源开关后，拔掉插销解除锁定，小车在弹簧作用下运动到左端；D在纸带上某处选取合适的 A 点，测出小车获得的速度 v；E取不同的 x 重复以上步骤多次，记录数据并利用功能关系分析结论。实验中已知小车的质量为 m，弹簧的劲度系数为 k，则：(1)将长木板右端适当垫高，其作用是_；(2)在 步 骤 D 中，所 选 取 的 A 点 位 置 应 在 图 乙 中 的_段(选填“s1”“s2”或“s3”)；(3)若 Ep12kx2 成立，则实验中测量出物理量 x 与 m、k、v关系式是 x_。解析：(1)根据实验原理可知
8、，为了让弹簧的弹力更加接近于小车受到的合外力，长木板右端需要适当垫高，其作用是平衡摩擦力；(2)根据实验原理，s2 段点间距均匀，为匀速直线运动阶段，说明小车速度达到最大，故纸带上 A 点位置应在 s2 段；(3)根据实验过程可知，弹簧的弹性势能转化为了小车的动能，由机械能守恒定律有：Ep12kx212mv2解得：xmkv。答案：(1)平衡摩擦力(2)s2(3)mkv考点二 实验器材的等效与替换实验器材的等效与替换是实验考题的主要创新设计思路之一。从近几年的高考命题来看，主要有以下几个方向：(1)用气垫导轨代替长木板，用光电门、频闪相机代替打点计时器(如诊断卷第 5 题)；(2)用电子秤或已知
9、质量的钩码等代替弹簧测力计(如诊断卷第 4 题)。需要考生学会迁移应用1实验器材替换，解决问题的思维方式不变，如诊断卷第 4 题，用电子秤代替弹簧测力计，测出水壶的重力及F1 和 F2 的合力大小。(b)、(c)图中的两次测量，分别测出F1 和 F2，且必须保证结点位置不变(作用效果相同)。2气垫导轨代替长木板时，应调整导轨水平，不必平衡摩擦力。3拉力传感器的示数即为细线对滑块的拉力，与钩码质量大小无关。如诊断卷第 5 题第(3)问。1某活动小组利用图甲装置验证机械能守恒定律。钢球自由下落过程中，先后通过光电门 A、B，计时装置测出钢球通过 A、B 的时间分别为 tA、tB。用钢球通过光电门的
10、平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度。测出两光电门间的距离为 h，钢球直径为 D，当地的重力加速度为 g。(1)用 20 分度的游标卡尺测量钢球的直径 D，读数如图乙所示，则 D_cm。(2)要验证机械能守恒，需要比较_。AD21tA2 1tB2 与 gh 是否相等BD21tA2 1tB2 与 2gh 是否相等CD21tB2 1tA2 与 gh 是否相等DD21tB2 1tA2 与 2gh 是否相等(3)实际上，钢球通过光电门的平均速度_(填“”或“”)钢球球心通过光电门的瞬时速度，由此产生的误差_(填“能”或“不能”)通过增加实验次数减小。解析：(1)根据游标卡尺的读数规则知读数为 0.
11、8 cm0.05 mm100.850 cm。(2)由题意知钢球通过光电门的平均速度等于瞬时速度，即 vDt，由机械能守恒定律知 mgh12mD21tB2 1tA2，所以只要比较 D21tB2 1tA2 与 2gh 是否相等即可，D 正确。(3)由匀变速直线运动规律知钢球通过光电门的平均速度等于此过程中中间时刻的瞬时速度，钢球通过光电门的平均速度小于钢球球心通过光电门的瞬时速度；由此产生的误差不能通过增加实验次数来减小。答案：(1)0.850(2)D(3)不能2(2017全国百所名校示范卷)“用 DIS 研究加速度与力的关系”的实验装置如图(a)所示，实验中用所挂钩码的重力作为细线对小车的拉力
12、F。通过增加钩码的数量，多次测量，可得小车运动的加速度 a 和所受拉力 F 的关系图像。他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条 a-F 图线，如图(b)所示。(1)图线_(选填“”或“”)是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的；(2)在轨道水平时，小车运动的阻力 Ff_N；(3)图(b)中，拉力 F 较大时，a-F 图线明显弯曲，产生误差。为避免此误差可采取的措施是_。A调整轨道的倾角，在未挂钩码时使小车能在轨道上匀速运动B在增加钩码数量的同时在小车上增加砝码，使钩码的总质量始终远小于小车的总质量C将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替钩码的重力
13、D更换实验中使用的钩码规格，采用质量较小的钩码进行上述实验解析：(1)在水平轨道上，由于受到摩擦力，拉力不为零时，加速度仍然为零，可知图线是在轨道水平的情况下得到的。当轨道的右侧抬高过高时(平衡摩擦力过度)，拉力等于0 时，会出现加速度，所以图线是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的。(2)根据牛顿第二定律得，Ffma，aFm fm，图线的斜率表示质量的倒数；因为 F0.5 N 时，加速度为零，解得f0.5 N。(3)由于开始段 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：mgMa 得 amgM FM，而实际上 a mgMm，可见 AB 段和 AB段明显偏
14、离直线是由于没有满足 Mm 造成的。所以更换实验中使用的钩码规格，采用质量较小的钩码进行上述实验，可以减小弯曲的程度，而将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替钩码的重力可以避免出现这种情况。故最佳的答案是 C 选项。答案：(1)(2)0.5(3)C考点三 实验结论的拓展与延伸通过研究纸带、频闪照片或光电装置得出物体的加速度，再利用牛顿第二定律求出物体所受的阻力或小车与木板间的动摩擦因数，这是对实验结论的拓展与延伸。从近几年的高考命题看，这是实验创新的一个热点。建议对本考点重点攻坚利用牛顿第二定律求物体所受的阻力或滑块与木板间的动摩擦因数时要根据试题情景列方程。如
15、诊断卷第 6 题中，测出滑块的加速度后，可由 agsin 37gcos 37求出滑块与斜面间的动摩擦因数；诊断卷第 7 题中，由牛顿第二定律 mgkmgma 求出加速度 a，再利用 a 与交流电频率f 的关系求出频率 f。1在测定滑块与桌面间的动摩擦因数时，设计的实验装置如图 1所示，进行如下操作：首先用天平测出滑块的质量 M300 g，将纸带与滑块拴接在一起穿过打点计时器，拴接在滑块另一端的轻绳跨过定滑轮连接一定数量的质量均为 m100 g 的钩码，在实验过程中通过调节应始终让轻绳与水平桌面平行。接通电源，由静止释放滑块，让滑块在钩码的牵引下做加速运动，得到一条纸带。在纸带上选取点迹清晰的
16、A 点为第一个计数点，然后每间隔四个点选择一个计数点，经测量各相邻计数点间的距离如图 2 所示。如果该打点计时器的打点周期为 T0.02 s，重力加速度为 g10 m/s2。回答下列问题：(1)由纸带求出打点计时器打 B 点时的速度为 vB_m/s；(2)滑块的加速度大小为 a_m/s2；(3)由以上可知，钩码数量为 2 个时，该滑块与水平桌面之间的动摩擦因数为 _。(以上结果均保留两位有效数字)解析：(1)滑块做匀变速直线运动，一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，又由题意可知相邻计数点间的时间间隔为 t5T50.02 s0.1 s，则 vB v ACxAC2t 0.147 320.1
17、m/s0.74 m/s。(2)利用逐差法可求得滑块的加速度 axDExCDxBCxAB4t232.0114.7314.7310240.12 m/s20.64 m/s2。(3)对滑块，由牛顿第二定律可得：2mgMg(2mM)a，代入数据解得：0.56。答案：(1)0.74(2)0.64(3)0.562(2017安阳二模)如图甲所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫导轨上安装了一个光电门 B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块及遮光条都从位置 A 处由静止释放。(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度 d，如图乙所示，则
18、d_ mm。(2)实验时，将滑块从 A 位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门 B 的时间 t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是_。(3)改变钩码质量，读出对应的力传感器的示数 F 和遮光条通过光电门的时间 t，该同学已经将实验中的数据描入了图丙所示 F-1t2坐标系中，请用平滑的曲线将各点连接起来。(4)若图丙中所作的 F-1t2图像的斜率为 k，设 AB 间的距离为 L，当遮光条的宽度为 d 时，则滑块和遮光条的总质量为 M_。解析：(1)由题图知第 5 条刻度线与主尺对齐，d2 mm50.05 mm2.25 mm。(2)实验时，将滑块从 A 位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门 B 的时间 t，滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光电门的平均速度。根据运动学公式得：若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是遮光条到光电门的距离 L。(3)如图所示。(4)由题意可知，该实验中保持滑块和遮光条的总质量 M 不变，因此有：v22aL，vdt，aFM可得：d2t22FML，解得：M2FLt2d2 2kLd2图线的斜率kF1t2Ft2。答案：(1)2.25(2)遮光条到光电门的距离 L(3)见解析图(4)2kLd2