1、专题九 实验技能与创新第1讲：力学实验与创新一、夯实基础1.在“探究求合力的方法”实验中，橡皮条一端固定于A点.(1)如图1所示，同时使用两只弹簧测力计通过细绳套将橡皮条的另一端拉至O点.分别记录两个拉力的大小和方向，其中一只弹簧测力计的示数如图所示，则其示数为_N.图1(2)关于本实验，下列说法正确的是_.A.细绳套尽可能短一些B.橡皮条的伸长量越大越好C.拉两个细绳套时，两拉力夹角越大越好D.拉细绳套时，拉力应尽量与木板平行(3)某同学通过多次实验得出：力的合成遵循平行四边形定则.图2为根据其中一次实验数据画出的两个力F1、F2的图示，请利用平行四边形定则在图中作出这两个力的合力F合，根据
2、图示可以确定合力大小为_N.图22.在利用如图3甲所示的实验装置做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验.所用的钩码的质量都是30g.实验中，先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将4个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次挂完钩码待弹簧稳定后测出相应的弹簧总长度，并将数据填在了下面的表中.(弹簧始终未超过弹性限度，取g10m/s2)，试完成下列问题：图3实验次数12345钩码总质量(g)0306090120弹簧总长度(cm)6.007.118.209.3110.40(1)请在图乙所示的坐标纸中作出弹簧弹力大小F跟弹簧总长度x之间的函数关系图象.(2)由图象求得该弹簧的劲度系数k_N/m(保留两位有效数字).(
3、3)某同学直接利用表中实验数据，作出了钩码质量m跟弹簧总长度x之间的函数关系图象是一条直线，该图象斜率所表示的物理意义是_；该图象在横轴上截距的物理意义是_.3.为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图4所示的实验装置：图4(1)以下实验操作正确的是()A.将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动B.调节滑轮的高度，使细线与木板平行C.先接通电源后释放小车D.实验中小车的加速度越大越好(2)在实验中，得到一条如图5所示的纸带，已知相邻计数点间的时间间隔为T0.1s，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分别为3.09cm、3.43cm、3.77cm
4、、4.10cm、4.44cm、4.77cm，则小车的加速度a_m/s2(结果保留两位有效数字).图5(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力F的关系，他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条aF图线，如图6所示.图线_是在轨道倾斜情况下得到的(填“”或“”)；小车及车中砝码的总质量m_kg.图6二、能力提升4.如图7甲所示为验证机械能守恒定律的实验简图，地面以下为较松软的泥土.实验时把一质量为m的铁块举到离地面高为H的地方，让其自由下落，落入泥土中.铁块下面贴有力传感器(质量忽略不计)，可测得泥土中任意深度h处铁块受到的阻力Ff，图乙为计算机根据所测数
5、据绘制的拟合图象(横轴表示深度h，单位cm，纵轴表示阻力Ff，单位N).图7分析图象数据，可得出铁块受到的阻力Ff与深度h的关系为_(选填“Ffkh2”、“Ffkh3”或“Ffkh4”).某次实验中，铁块下落深度为h1时停止运动，尝试写出铁块从下落到落地前验证其机械能守恒定律的方程_(比例系数k为已知)5.用如图8所示装置做“验证动能定理”的实验.实验中，小车碰到制动挡板时，钩码尚未到达地面.图8(1)为了保证细绳的拉力等于小车所受的合外力，以下操作必要的是_(选填选项前的字母).A.在未挂钩码时，将木板的右端垫高以平衡摩擦力B.在悬挂钩码后，将木板的右端垫高以平衡摩擦力C.调节木板左端定滑轮
6、的高度，使牵引小车的细绳与木板平行D.所加钩码的质量尽量大一些(2)如图9是某次实验中打出纸带的一部分.O、A、B、C为4个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有4个打出的点没有画出，所用交流电源的频率为50Hz.通过测量，可知打点计时器打B点时小车的速度大小为_m/s.图9(3)甲同学经过认真、规范地操作，得到一条点迹清晰的纸带.他把小车开始运动时打下的点记为O，再依次在纸带上取等时间间隔的1、2、3、4、5、6等多个计数点，可获得各计数点到O的距离s及打下各计数点时小车的瞬时速度v.如图10是根据这些实验数据绘出的v2s图象.已知此次实验中钩码的总质量为0.015kg，小车中砝码的总质量为
7、0.100kg，取重力加速度g9.8m/s2，则由图象可知小车的质量为_kg(结果保留两位有效数字).图10(4)在钩码总质量远小于小车质量的情况下，乙同学认为小车所受拉力大小等于钩码所受重力大小.但经多次实验他发现拉力做的功总是要比小车动能变化量小一些，造成这一情况的原因可能是_(选填选项前的字母).A.滑轮的轴处有摩擦B.小车释放时离打点计时器太近C.长木板的右端垫起的高度过高D.钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力6.某同学用如图11所示的装置验证机械能守恒定律.一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条.将钢球拉
8、至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v作为钢球经过A点时的速度.记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小Ep与动能变化大小Ek，就能验证机械能是否守恒.图11(1)用Epmgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到_之间的竖直距离.A.钢球在A点时的顶端B.钢球在A点时的球心C.钢球在A点时的底端(2)用Ekmv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图12所示，其读数为_cm.某次测量中，计时器的示数为0.0100s，则钢球的速度为v_m/s.图12(3)下表为该同学
9、的实验结果：Ep(102J)4.8929.78614.6919.5929.38Ek(102J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的Ep与Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点？请说明理由.(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议.三、课外拓展7在“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验中，小明同学用甲、乙两根规格不同的弹簧进行实验，由实验得到弹簧伸长量x与弹簧受到的拉力F的关系如图13(a)所示，由图求得弹簧乙的劲度系数为_N/m。若要在两根弹簧中选用一根来制作精确程度较高的弹簧秤，应选弹簧_；用制作好的弹簧秤来测量物体的重力，如图(b)所示，物体重_N。
10、图138在“探究求合力的方法”的实验中，王同学用了两个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计来测量拉力，实验之前他先检查了弹簧测力计，然后进行实验。先将橡皮条的一端固定在水平放置的木板上，用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使结点到达某一位置O，记录下O点的位置和拉力F1、F2的大小及方向；然后用一个弹簧测力计拉橡皮条，仍将结点拉到O点，再记录拉力F的大小及方向；最后取下白纸作图，研究合力与分力的关系。(1)实验前必须对弹簧测力计进行检查，以下检查项目必需的是_。A对弹簧测力计进行调零B将弹簧测力计用力拉，看是否能达到最大量程C将两只弹簧测力计水平互钩对拉，检测两弹簧测力
11、计读数是否相同(2)如图14是王同学研究合力与分力关系时在白纸上画出的图，根据物理实验读数和作图要求与规范，请指出图中存在的三种错误。图14_；_；_。9如图15甲所示为做“探究外力做功和速度变化的关系”的实验装置图。甲(1)本实验平衡摩擦力时，小车应_(填“拖着”或“不拖”)纸带。(2)某同学在实验中得到了如图乙所示的纸带，测得AB1.44 cm，BC1.64 cm，CD1.64 cm，DE1.59 cm。已知相邻两点的打点时间间隔为0.02 s，应选择_段计算小车的最大速度，小车的最大速度为v_m/s。乙图1510.用图16中装置验证动量守恒定律。实验中(1)为了尽量减小实验误差，在安装斜
12、槽轨道时，应让斜槽末端保持水平，这样做的目的是_。图16A.使入射球与被碰小球碰后均能从同一高度飞出B.使入射球与被碰小球碰后能同时飞出C.使入射球与被碰小球离开斜槽末端时的速度为水平方向D.使入射球与被碰小球碰撞时的动能不损失(2)若A球质量为m150 g，两小球发生正碰前后的位移时间(s-t)图象如图17所示，则小球的B的质量为m2_。图17(3)调节A球自由下落高度，让A球以一定速度v与静止的B球发生正碰，碰后两球动量正好相等，则A、B两球的质量之比应满足_。四、高考链接11.(2016四川理综8)用如图18所示的装置测量弹簧的弹性势能.将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在O点；
13、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.图18(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12(2016全国卷，22)某同学用图19(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、
14、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图(b)所示。(a)(b)图19该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其它题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。(2)已测得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为_Hz。13(2016全国卷，22)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图2
15、0(a)所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接。向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能。(a)(1)实验中涉及到下列操作步骤：把纸带向左拉直松手释放物块接通打点计时器电源向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是_(填入代表步骤的序号)。(2)图(b)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果。打点计时器所用交流电的频率为50 Hz。由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为_m/s。比较两纸带可知，_(填“M”或
16、“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大。(b)图2014(2016全国卷，23)某物理课外小组利用图21(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N5个，每个质量均为0.010 kg。实验步骤如下：(a)(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。(2)将n(依次取n1，2，3，4，5)个钩码挂在轻绳右端，其余(Nn)个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放
17、小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制st图象，经数据处理后可得到相应的加速度a。(3)对应于不同的n的a值见下表。n2时的st图象如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表。n12345a/ms20.200.580.781.00(b)(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点，并作出an图象。从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。(c)图21(5)利用an图象求得小车(空载)的质量为_kg(保留2位有效数字，重力加速度取g9.8 ms2)。(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确
18、的是_(填入正确选项前的标号)Aan图线不再是直线Ban图线仍是直线，但该直线不过原点Can图线仍是直线，但该直线的斜率变大参考答案1. 答案(1)2.60(2)D(3)如图所示7.0解析(1)根据弹簧测力计指针的指示可知，其读数为2.60N；(2)细绳套尽可能长一些，减小力的方向的误差.故A错误；橡皮条的伸长量不是越大越好，方便作图即可，故B错误；两条细绳的夹角不是越大越好，以方便作平行四边形为宜.故C错误.拉细绳套时，橡皮条、细绳套和弹簧测力计平行贴近木板，使得结点所受的几个力在同一平面内，故D正确.(3)根据力的平行四边形定则画出图象如图所示：根据图象可知，合力大小为F合7.0N.2.
19、答案(1)如图所示(2)27(3)弹簧的劲度系数与当地重力加速度的比值弹簧的原长3. 答案(1)BC(2)0.34(3)0.5解析(1)将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动，以使小车的重力沿斜面分力和摩擦力抵消，那么小车的合力就是细线的拉力，故选项A错误；细线的拉力为小车的合力，所以细线与木板平行，则应调节定滑轮的高度使细线与木板平行，故B正确；实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放，先接通电源后释放小车，故选项C正确；实验时，为了减小实验的误差，小车的加速度适当大一些，故D错误.(2)根据作差法得：a0.34m/s2.(3)由图象可知，当F0时，a0，也就是
20、说当细线上没有拉力时小车就有加速度，该同学实验操作中平衡摩擦力过大，即倾角过大，平衡摩擦力时木板的右端垫得过高，所以图线是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的，根据Fma得aF图象的斜率k，由aF图象得图象斜率k2，所以m0.5kg.4. 答案Ffkh3mgHkhmgh1(不能移项，移项物理意义不清晰)解析由题图乙知，当h2cm时，Ff8N，当h2.5cm时，Ff15.6N，可知铁块受到阻力Ff与深度h的关系为Ffkh3，对进入泥土的过程运用动能定理得：mgh1Wf0mv2，Ffh图线围成的面积表示克服摩擦力做功，运用数学微积分得：Wfkh，可知落地的动能为：Ekmv2khmgh1，根据机械能守
21、恒有：mgHmv2，即mgHkhmgh1.5. 答案(1)AC(2)0.36(3)0. 18(4)C解析(1)为保证细绳的拉力等于小车所受的合外力，需要平衡摩擦力，平衡时应不挂钩码，同时需保证细绳与木板平行，故选A、C.(2)vBm/s0.36 m/s.(3)设钩码的总质量为m，小车的质量为M，砝码的总质量为m0，对钩码mgFTma对小车和砝码FT(m0M)a，可推出a，再代入运动学公式v22as得v22s，由此可知图象斜率为，由图象可知图象斜率k1(注意横轴单位)，代入可得小车质量M0.18kg.(4)若拉力做功小于小车动能增量，说明有其他力做功，可能是平衡摩擦力过度，故C正确.6. 答案(
22、1)B (2)1.501.50(3)不同意理由见解析(4)见解析解析(1)钢球下落高度h，应测量释放时钢球球心到钢球在A点时的球心之间的竖直距离，故选B.(2)遮光条的宽度d1.50cm，钢球的速度v1. 50m/s(3)不同意，因为空气阻力会造成Ek小于Ep，但表中Ek大于Ep.(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算Ek时，将v折算成钢球的速度vv.7答案200甲4.00解析由弹簧伸长量x与弹簧受到的拉力F的关系图象可求得弹簧乙的劲度系数k200 N/m；要制作精确程度较高的弹簧秤，应选在同样力作用下弹簧伸长量大的甲弹簧。图(b)所示的物体重4.00 N。8答案 (1)AC(2)
23、矢量F1、F2、F未画上箭头记录力的大小的有效数字有错误F与F1、F2末端连线应该用虚线解析(1)实验前必须对弹簧测力计进行检查，需要对弹簧测力计进行调零，将两只弹簧测力计水平互钩对拉，检查两弹簧测力计读数是否相同，选项A、C正确。(2)画力的合成矢量图时，力是用带箭头的线段表示，按照弹簧测力计的读数规则记录数据，辅助线用虚线，据此可以指出图中存在的三种错误。9答案(1)拖着(2)BD (BC、CD也正确)0.82解析(1)平衡摩擦力时，也应该平衡掉纸带受到的阻力。(2)应该选择纸带上点和点之间的距离最大的部分计算小车的最大速度，所以应该选BC段、CD段或BD段，小车的最大速度v m/s0.8
24、2 m/s。10. 答案(1)C(2)20 g(3)11，令碰前动量为p，所以碰后两球动量均为，因碰撞过程中动能不可能增加，所以有，即3，所以13。11. 答案(1)(2)C(3)B解析(1)滑块离开弹簧后做匀速直线运动，v.(2)根据功能关系可得，Epmv2，则还需要测量滑块(含遮光片)的质量，选项C正确.(3)增大A、O之间的距离x，弹簧的弹性势能增大，滑块离开弹簧后的速度增大，从B到C的时间t将减小，选项B正确.12答案(1)(s1s2)(s2s3)(s3s1)(2)40解析(1)由于重物匀加速下落，B点的速度vB等于AC段的平均速度，即vB由于T，故vB(s1s2)同理可得vC(s2s
25、3)匀加速直线运动的加速度a故a(s3s1)(2)重物下落的过程中，由牛顿第二定律可得mgF阻ma由已知条件F阻0.01mg由得a0.99g由得f，代入数据得f40 Hz13答案(1)(2)1.29M解析(1)根据该实验操作过程，正确步骤应为。(2)物块脱离弹簧时速度最大，v m/s1.29 m/s；由动能定理Epmv2，据纸带中打点的疏密知M纸带获得的最大速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大。14答案(3)0.39(0.370.41范围内都给分)(4)见解析图(5)0.45(0.430.47范围内都给分)(6)BC解析(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将图(b)中点(2，0.78)代入sat2可得，a0.39 m/s2。(4)根据描点法可得如图所示图线。(5)根据牛顿第二定律可得nmg(M5m)a，则an，图线斜率k，可得M0.45 kg(6)若不平衡摩擦力，则有nmgM(5n)mg(M5m)a，则ang，所以an图线仍是直线，但直线不过原点，斜率变大，故B、C正确。