2019届二轮复习力学实验与创新课件（共54张）（江苏专用） 54页

第 1 讲　力学实验与创新 专题七 　 实验技能与创新 内容索引 高考题型 1 　验证力的平行四边形定则 高考题型 2 　纸带类实验 高考题型 3 　力学创新实验 验证力的平行四边形定则 高考题型 1 1. 本实验考查的重点是 “ 力的作用效果的等效性 ”. 2. 对实验步骤中两个分力和合力的大小和方向的确定也是考查的重点 . 3. 本实验中，由作图法得到的合力 F 与实际测量得到的合力 F ′ 一般不会 完全重合，只要在误差范围内 F 与 F ′ 重合，即可验证力的平行四边形定则 . 例 1 　 (2018· 徐州市期中 ) 某同学为了 “ 验证力的平行四边形定则 ” ，准备了三根相同的橡皮筋、木板、重物、刻度尺、三角板、铅笔、细绳套、白纸、钉子等器材 . 操作步骤如下： a. 把三根橡皮筋的一端系在一起，另一端分别系一个细绳套； b. 将白纸固定在木板上，在木板上钉两个钉子，将任意两个橡皮筋上的绳套 分 别 套在两钉子上； c. 立起木板，将重物挂在剩下的一个绳套上， 如 图 1 甲 所示； d. 记录下三根橡皮筋的长度和橡皮筋结点的位置 O 及 每个细绳套的方向； e. 取下白纸，以橡皮筋的伸长量作为拉力大小，画出受力图，验证力的平行 四 边 形定则； f. 换用不同的重物重复实验 . 图 1 (1) 此实验还需 ____ ； A. 测量重物的质量 B. 记录下两个钉子的位置 C. 测量橡皮筋的原长 答案 解析 C 解析　 题述步骤中已经记录了每条细绳套的方向，不需要记录两个钉子的位置， B 错误 ； 本 实验以橡皮筋的伸长量来作平行四边形，步骤 d 中测量了橡皮筋悬挂重物后的长度，要计算伸长量，需要测量橡皮筋的原长，不需要测量重物的质量， A 错误， C 正确 . (2) 某次实验，测得三根橡皮筋的伸长量及方向 . 把橡皮筋的伸长量作为拉力大小，作出力的图示，如图乙所示，请任选两个力，根据平行四边形定则作出合力； 答案 解析 解析　 如图，以其中两个橡皮筋的伸长量为邻边作平行四边形，平行四边形的对角线为合力的理论值； 答案　 见解析图 (3) 在 (2) 问作出的图中，根据 ______________ _________________________________________________________________________ 可以 说明 力的合成满足平行四边形定则 . 答案 解析 解析　 由 平行四边形作出的对角线与第三条橡皮筋的伸长量大小基本相等，方向差不多都在竖直方向上即验证了力的合成满足平行四边形定则； 由 平行四边形作出的对角线与第三条橡皮筋的伸长量大小基本相等，方向差不多都在竖直方向上 (4) 如果换用不同的重物再次重复该实验， ________( 填 “ 需要 ” 或 “ 不需要 ” ) 改变钉子的位置，使橡皮筋的结点回到原来的 O 点 . 答案 解析 解析　 当换用不同的重物再次重复该实验，不需要改变钉子的位置，也不需要使结点回到原来的位置 . 不需要 拓展训练 1 　 如图 2 为 “ 验证力的平行四边形定则 ” 实验装置图，其中 AO 为橡皮筋， A 为固定橡皮筋的图钉， O 为橡皮筋与细绳的结点， OB 、 OC 为细绳 . (1) 关于此实验，下列说法正确的是 ______. A. 实验中，只需记录弹簧测力计的读数和 O 点的位置 B. 橡皮筋及细绳要与板平行 C. 实验中每次都需把 O 点拉到同一位置 D. 橡皮筋 AO 换成细绳，实验效果会 更好 答案 图 2 BC (2) 某同学已在坐标纸中画出两弹簧测力计拉力的图示如图 3 ，已知方格每边长长度表示 2.0 N ，则由图可得出合力的大小为 ________ N. 答案 图 3 12.0 拓展训练 2 　 某同学为了 “ 验证力的平行四边形定则 ” ，先用一个弹簧秤通过细绳悬吊一个钩码；当钩码静止时，弹簧秤的示数为 2.00 N ；再用两个弹簧秤 a 和 b 通过两根细绳互成角度将该钩码悬吊，其中 b 弹簧秤一端固定， a 弹簧秤所拉细绳如图 4 甲所示水平向左，当钩码静止时， b 弹簧秤的示数如图乙所示 . 图 4 答案 (1) 图乙中 b 弹簧秤的示数为 ______________ N ；可求出 a 弹簧秤的拉力为 _______________ N ； 2.50(2.49 ～ 2.51) 1.50(1.49 ～ 1.51) 解析 解析　 依据仪器的读数规则，由准确数字和估计数字组成，则 b 弹簧秤的示数为 2.50 N ； 答案 (2) 保持 a 弹簧秤及其所拉的细绳方向不变，将 b 及其所拉的细绳以 O 为轴沿逆时针方向在图示平面内缓慢转至竖直方向的过程中， b 的示数 ________.( 选填 “ 变大 ”“ 变小 ” 或 “ 不变 ” ) 变小 解析 解析　 根据三力平衡特点，利用图解法可知 b 的示数变小，如图： 纸带类实验 高考 题型 2 1. 四个涉及打点计时器的实验： (1) 速度随时间变化的规律 . (2) 加速度与物体质量、物体受力的关系 . (3) 探究动能定理 . (4) 验证机械能守恒定律 . 2. 纸带常有以下三大应用： (1) 由纸带确定时间 要区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点，每五个点取一个计数点，时间间隔为 Δ t ＝ 0.02 × 5 s ＝ 0.1 s. (2) 求解瞬时速度 利用做匀变速直线运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度 . 如图 5 所示，打 n 点时的瞬时速度 v n ＝ 图 5 (3) 由纸带求做匀变速直线运动的物体的加速度 图 6 ② 图象法：由 “ 平均速度法 ” 求出多个点的速度，画出 v － t 图象，直线的斜率即为加速度 . 例 2 　 (2018· 南京市期中 ) 某同学设计了一个探究加速度与物体所受合力及质量间关系的实验，图 7 甲为实验装置图， A 为小车， B 为打点计时器， C 为装有沙的沙桶， 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的拉力 F 等于沙和沙桶的总重力，小车运动的加速度 a 可由打点计时器在纸带上打出的点求得 . (1) 图乙为某次实验得到的纸带，纸带上两相邻计数点的时间间隔为 0.10 s ，由图中数据求出小车加速度值为 ______ m/s 2 .( 计算结果保留两位有效数字 ) 答案 图 7 0.64 (2) 保持沙和沙桶的质量不变，改变小车质量 m ，分别得到小车加速度 a 与质量 m 及对应 的 数据 如表中所示，根据表中数据，为直观反映 F 不变时， a 与 m 的关系，请在图 8 中选择恰当的物理量和标度建立坐标系，并作出图线 . 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度 a /(m·s － 2 ) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小车质量 m /kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg － 1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 图 8 答案 答案　 如图所示 (3) 从图线中得到 F 不变时小车加速度 a 与质量 m 间的定量关系是 ________. 答案 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度 a /(m·s － 2 ) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小车质量 m /kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg － 1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 (4) 保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度与合力 F 图线如图 9 所示，该图线不通过原点，其可能的原因是 ________________________________. 答案 图 9 没有平衡摩擦力 ( 或平衡摩擦力不足 ) 拓展训练 3 　 (2018· 无锡市高三期末 ) 利用图 10 所示的实验装置探究合力做功与动能变化的关系 . 图 10 答案 (1) 为了消除打点计时器和木板对小车阻力的影响，需要平衡阻力 . 关于该操作环节，下列四种装置图中正确的是 ______. B (2) 甲小组同学正确平衡了阻力，选取的砝码和盘的总质量 m 远小于小车的质量 M ，取砝码和盘的总重力值作为绳子的拉力值，按正确操作得到图 11 所示的一条纸带 . 在纸带上选取三个连续计时点 A 、 B 、 C ，测得它们到静止释放的起始点 O 的距离分别为 s A 、 s B 、 s C ，打点计时器的工作频率为 f ，已知当地重力加速度为 g ，从 O 到 B 的运动过程中，拉力对小车 做功 W ＝ ________ ，小车动能变化量 Δ E k ＝ ___________. 图 11 mgs B 答案 (3) 乙小组同学也正确平衡了阻力，但并未保证选取的砝码和盘的总质量 m 远小于小车的质量 M . 在处理数据时，他们也取砝码和盘的总重力值作为绳子的拉力值，并采用图象法进行数据分析：在纸带上选取多个计数点，测量静止释放的起始点 O 到每个计数点的距离，并计算出每个计数点对应的小车速度 v 以及从 O 点到该计数点对应的过程中绳子拉力所做的功 W . 他们作出的图线为 ______. 答案 B 拓展训练 4 　 (2018· 扬州中学 5 月模拟 ) 用落体法验证机械能守恒定律，器材安装如图 12 . (1) 请指出图中的错误及不妥之处 ( 至少写出两处 ) ① ________________________________________________ ② _____________________ ___________________________ 答案 图 12 答案　 ① 使用的是直流电源　 ② 重物离打点计时器太远　 ③ 没有从上方提着纸带，而是用手托着重物 (2) 改进实验中错误及不妥之处后，打出如图 13 所示一条纸带 . 已知打点计时器所接电源频率为 50 Hz ，根据纸带所给数据，打 C 点时重物的速度为 ______ m/s( 结果保留三位有效数字 ). 答案 图 13 2.25 (3) 某同学选用两个形状相同、质量不同的重物 a 和 b 进行实验测得几组 数 据 ，画 出 － h 的图象如图 14 所示，求出图线的斜率 k ，由图象可知 a 的 质 量 m 1 ______ b 的质量 m 2 ( 选填 “ 大于 ” 或 “ 小于 ” ). 答案 图 14 大于 (4) 通过分析发现造成 k 2 值偏小的原因是实验过程中存在各种阻力，已知实验所用重物的质量 m 2 ＝ 0.052 kg ，当地重力加速度 g ＝ 9.78 m/s 2 ，求出重物所受的平均阻力 F f ＝ ________ N.( 结果保留三位有效数字 ) 答案 0.031 2 拓展训练 5 　如图 15 所示，在验证动量守恒定律实验时，小车 A 的前端粘有橡皮泥，推动小车 A 使之做匀速运动 . 然后与原来静止在前方的小车 B 相碰并粘合成一体，继续匀速运动，在小车 A 后连着纸带，电磁打点计时器电源频率为 50 Hz ，长木板右端下面垫放薄木片用以平衡摩擦力 . 图 15 (1) 若获得纸带如图 16 所示，并测得各计数点间距 ( 已标在图上 ). A 为运动起始的第一点，则应选 _____ 段来计算 A 的碰前速度，应选 _____ 段来计算 A 和 B 碰后的共同速度 ( 填 “ AB ” 或 “ BC ” 或 “ CD ” 或 “ DE ” ). 图 16 答案 BC DE 解析　 A 与 B 碰后粘在一起，速度减小，相等时间内的间隔减小，可知通过 BC 段来计算 A 的碰前速度，通过 DE 段计算 A 和 B 碰后的共同速度 . 解析 (2) 已测得小车 A 的质量为 m 1 ＝ 0.30 kg ，小车 B 的质量为 m 2 ＝ 0.20 kg ，由以上测量结果可得碰前系统总动量为 ________ kg·m /s ，碰后系统总动量为 ________ kg·m/s.( 结果保留四位有效数字 ) 答案 1.035 1.030 解析 碰前总动量： p 1 ＝ m 1 v 1 ＝ 0.3 × 3.450 kg·m/s ＝ 1.035 kg·m/s 碰后的总动量： p 2 ＝ ( m 1 ＋ m 2 ) v 2 ＝ 0.5 × 2.060 kg·m /s ＝ 1.030 kg·m/s (3) 实验结论： __________________________________________________ _____________. 答案 在实验误差允许范围内，碰前和碰后的总动量相等， 系 统的动量守恒 解析　 在 误差允许范围内， A 、 B 碰撞过程中，系统动量守恒． 解析 高考 题型 3 力学创新实验 实验题的创新主要体现在对课本实验的改编、拓展或延伸，常见情况如下： 1. 课本实验的装置、器材等不变，但实验的目的变了 . 利用所测数据，求另一物理量或验证另一个物理规律 . 2. 实验装置、器材变化，但实验原理、方法等不变或者原理不变，实验方法、处理数据的方法变了 . 3. 利用学过的物理规律和实验方法设计或解答新情景实验 . 例 3 　 (2018· 江苏单科 ·11) 某同学利用如图 17 所示的实验装置来测量重力加速度 g . 细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为 M 的重锤 . 实验操作如下 ： ① 用米尺量出重锤 1 底端距地面的高度 H ； ② 在重锤 1 上加上质量为 m 的小钩码； ③ 左手将重锤 2 压在地面上，保持系统静止 . 释放重锤 2 ， 同时 右手开启秒表，在重锤 1 落地时停止计时， 记录下落 时间； ④ 重复测量 3 次下落时间，取其平均值作为测量值 t . 图 17 请回答下列问题： (1) 步骤 ④ 可以减小对下落时间 t 测量的 ________( 选填 “ 偶然 ” 或 “ 系统 ” ) 误差 . 解析　 对同一物理量多次测量取平均值的目的是减小偶然误差 . 答案 解析 偶然 (2) 实验要求小钩码的质量 m 要比重锤的质量 M 小很多，主要是为了 _____. A. 使 H 测得更准确 B. 使重锤 1 下落的时间长一些 C. 使系统的总质量近似等于 2 M D. 使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等 答案 解析 B 解析　 设系统运动的加速度为 a ，则根据牛顿第二定律得 ( M ＋ m ) g － Mg ＝ (2 M ＋ m ) a (3) 滑轮的摩擦阻力会引起实验误差 . 现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？ 答案 解析 解析　 由于摩擦阻力的影响，会产生系统误差，可利用平衡摩擦阻力的方法，平衡摩擦力，其方法为在重锤 1 上粘上橡皮泥，调整橡皮泥的质量使轻拉重锤 1 时能观察到其匀速下落 . 答案　 在重锤 1 上粘上橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤 1 能观察到其匀速下落 . (4) 使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的 质 量 为 m 0 . 用实验中的测量量和已知量表示 g ，得 g ＝ _______________. 答案 解析 解析　 根据牛顿第二定律得 ( M ＋ m ) g － Mg ＝ (2 M ＋ m ＋ m 0 ) a 拓展训练 6 　 (2018· 南京市三模 ) 如图 18 甲所示，在水平桌面上，一轻质弹簧左端固定，右边紧贴着一个带有遮光片的物块 ( 物块与弹簧不拴接 ) ，物块在 B 处时，弹簧处于原长， B 处放置有光电门，开启光电门，缓慢推动物块向左移动至 A 处，然后将物块由静止释放，物块被弹出经过光电门，最终停在 C 处，重力加速度为 g . 图 18 (1) 若要用上述装置测定物块和水平桌面之间的动摩擦因数 μ ，除了测量遮光片宽度 d 和遮光片挡光时间 t ，还需测量的物理量是 _________. 若 该 物理量 用字母 x 表示，则动摩擦因数的表达式为 μ ＝ ______( 用符号表示 ). 答案 解析 BC 长度 解析　 根据极限的思想，在时间很短时，可以用这段时间内的平均速度来代替瞬时速度，所以物块通过光电门的速度是 v ＝ ， 由 F f ＝ μF N 可知要求 μ 需要知道摩擦力和压力的大小；物块在水平桌面上运动经过 B 处的光电门，最后停在 C 处，物块在 B 、 C 间做的是匀减速直线运动，根据 B 点和 C 点之间的距离 x ，由速度位移的关系式可得： v 2 ＝ 2 ax (2) 如图乙，用游标卡尺测得遮光片宽度 d ＝ ______ cm. 答案 解析 0.600 解析　 游标卡尺主尺读数为 0.6 cm ，游标尺上第 0 个刻度与主尺上某一刻度对齐，所以最终读数为： 0.6 cm ＋ 0.000 cm ＝ 0.600 cm ； (3) 某同学认为，若再测出物块质量 m ，就可以测得物块在 A 处时弹簧 的 弹性势 能，即 E p 测 ＝ . 显然 E p 测 ___ E p 真 ( 选填 “ > ”“ < ” 或 “ ＝ ” ). 答案 解析 < 解析　 若物块质量为 m 且 A 点到 B 点之间的水平桌面光滑，则压缩弹簧的弹性势能全部转化为物块的动能，但由于桌面与物块存在摩擦力，故弹簧的弹性势能一定大于测出的物块在 B 点处的动能 . 拓展训练 7 　 (2018· 南通等六市一调 ) 实验小组采用如图 19 甲所示实验装置测量木块与木板间的动摩擦因数 μ ，提供的器材有：带定滑轮的长木板，有凹槽的木块，质量为 20 g 的钩码 10 个，打点计时器，电源，纸带，细线等 . 实验中将部分钩码悬挂在细线下，剩余的钩码放在木块的凹槽中，保持长木板水平，利用打出的纸带测量木块的加速度 . 图 19 (1) 正确进行实验操作，得到一条纸带，从某个清晰的打点开始，依次标注 0 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 ，分别测出位置 0 到位置 3 、位置 6 间的距离，如图乙所示 . 已知打点周期 T ＝ 0.02 s ，则木块的加速度 a ＝ _____ m/s 2 . 答案 解析 3.33 解析　 已知打点周期 T ＝ 0.02 s ，根据逐差法可得木块的加速度为： (2) 将木块凹槽中的钩码逐个添加到细线下端，改变悬挂钩码的总质量 m ，测得相应的加速度 a ，作出 a － m 图象如图丙所示 . 已知当地重力加速度 g ＝ 9.8 m/s 2 ，则木块与木板间动摩擦因数 μ ＝ ________________( 保留两位有效数字 ) ； μ 的测量值 ________( 选填 “ 大于 ”“ 小于 ” 或 “ 等于 ” ) 真实值，原因是 __________________________________________________ ( 写出一个即可 ). 答案 解析 0.34(0.32 ～ 0.36) 大于 滑轮与轴承、细线间有摩擦，纸带与打点计时器间有摩擦等 (3) 实验中 ________( 选填 “ 需要 ” 或 “ 不需要 ” ) 满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量 . 答案 解析 不需要 解析　 实验中没有采用细线拉力等于重力，所以不需要满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量 .