2019-2020年高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第十四章 實驗與探究 第2講 力學(xué)實驗(二)學(xué)案.doc

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2019-2020年高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第十四章 實驗與探究 第2講 力學(xué)實驗(二)學(xué)案 一、實驗原理 1.用彈簧測力計探究作用力與反作用力的關(guān)系 如圖1甲所示，任取A、B兩個彈簧測力計，使兩掛鉤鉤住，B固定，A用手拉著.讀出此時兩個彈簧測力計的示數(shù)FA和FB，比較FA和FB的大小和方向. 如圖乙所示，將兩個彈簧測力計掛鉤鉤住，B連接一塊木塊，A用手拉著.探究在水平方向運動時，F(xiàn)A和FB的大小和方向.將拉動方向改為豎直方向，如圖丙所示，重復(fù)上述探究. 圖1 2.用力傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系 如圖2所示，用兩只力傳感器鉤住對拉.從計算機屏幕上所顯示的力和時間關(guān)系圖線中讀出不同時刻兩只力傳感器的相互作用力FA和FB，比較FA和FB的大小和方向. 圖2 二、實驗器材 彈簧測力計3個、包裝用泡沫塑料若干、小刀1把、木塊1個、力傳感器2只、數(shù)據(jù)采集器1臺及計算機1臺等. 三、實驗過程 1.用彈簧測力計探究作用力與反作用力的關(guān)系 (1)探究靜止?fàn)顟B(tài)時物體間的作用力與反作用力. ①取其中兩個彈簧測力計A、B連接在一起，B固定，A用手拉著.在表中記下此時兩彈簧測力計的示數(shù)FA和FB.加大對A的拉力，重復(fù)實驗多次.實驗中注意觀察作用力與反作用力的方向及兩彈簧測力計示數(shù)變化是否有先后. ②若FA和FB大小不等，可嘗試以下步驟：將彈簧測力計A與彈簧測力計C互拉，根據(jù)①中各次實驗FA的大小記下對應(yīng)的彈簧測力計C的示數(shù)FA′；將彈簧測力計B與彈簧測力計C互拉，根據(jù)①中各次實驗FB的大小記下對應(yīng)的彈簧測力計C的示數(shù)FB′.比較FA′與FB′的大小關(guān)系. (2)增加彈簧測力計的“記憶功能”，即在彈簧測力計的指針下面放上一點泡沫塑料. (3)探究沿水平方向運動時物體間作用力與反作用力的關(guān)系. ①將具有“記憶功能”的彈簧測力計A與B掛鉤連接在一起，彈簧測力計B連接一塊小木塊，用手拉A使木塊運動一段時間后停下來.根據(jù)泡沫塑料的位置讀出兩彈簧測力計的最大示數(shù)FA和FB，記錄在表中.實驗中要注意觀察作用力與反作用力的方向. ②若FA和FB大小不等，則可保持泡沫塑料的位置不變，將彈簧A和B分別與彈簧測力計C互拉，直至A、B兩彈簧測力計的示數(shù)分別為FA和FB，記下彈簧測力計C的示數(shù)FA′和FB′.比較FA′與FB′的大小關(guān)系. ③以不同運動狀態(tài)(勻速直線運動和加速運動)重復(fù)實驗多次，記下相應(yīng)數(shù)據(jù). (4)探究沿豎直方向運動時物體間作用力與反作用力的關(guān)系.重復(fù)(3)中步驟. 2.用力傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系 (1)探究靜止?fàn)顟B(tài)時物體間作用力與反作用力的關(guān)系. ①取A、B兩只力傳感器，使兩掛鉤鉤住，B固定，A用手拉著，以不同力拉A一段時間，通過數(shù)字化實驗系統(tǒng)記錄兩傳感器間的相互作用力FA和FB隨時間變化的圖線. ②仔細(xì)觀察FA和FB所對應(yīng)的兩條曲線，比較不同時刻FA和FB大小是否相等.實驗中觀察體會作用力與反作用力的方向. ③任取8個時刻，結(jié)合圖線讀出這些時刻兩只傳感器的相互作用力FA和FB，并將所取時刻和對應(yīng)FA和FB的值填入表中. (2)探究沿水平方向運動時物體間作用力與反作用力的關(guān)系.重復(fù)(1)中步驟. (3)探究沿豎直方向運動時物體間作用力與反作用力的關(guān)系.重復(fù)(1)中步驟. 四、注意事項 1.使用彈簧測力計前，應(yīng)先調(diào)節(jié)零刻度. 2.彈簧測力計對拉時作用力要在同一直線上. 3.實際的彈簧測力計往往存在一定的示值誤差，發(fā)現(xiàn)兩彈簧測力計示數(shù)不等既不能“視而不見”也不能“武斷定論”. 4.將彈簧測力計A和B分別與彈簧測力計C互拉，通過與C的示數(shù)比較確定兩彈簧測力計拉力是否相等，是一種“等效替代”的方法. 5.同一實驗步驟中，泡沫塑料位置必須保持不變. 6.用力傳感器進行實驗時，也需要調(diào)零. 7.用力傳感器對拉時作用力要在同一直線上. 例1　(xx浙江9月選考14)在“探究作用力與反作用力的關(guān)系”實驗中，某同學(xué)用兩個力傳感器進行實驗. (1)將兩個傳感器按圖3甲方式對拉，在計算機屏上顯示如圖乙所示，橫坐標(biāo)代表的物理量是________，縱坐標(biāo)代表的物理量是________. 圖3 (2)由圖乙可得到的實驗結(jié)論是________. A.兩傳感器間的作用力與反作用力大小相等 B.兩傳感器間的作用力與反作用力方向相同 C.兩傳感器間的作用力與反作用力同時變化 D.兩傳感器間的作用力與反作用力作用在同一物體上 答案　(1)時間(t)　力(F)　(2)AC 變式1　在“探究作用力與反作用力的關(guān)系”實驗中，某同學(xué)把一只力傳感器系在一個木塊上，另一只握在手中，當(dāng)通過傳感器用力拉木塊時，要能用該裝置探究作用力與反作用力的關(guān)系，下列說法正確的是________. A.木塊必須處于靜止或勻速直線運動狀態(tài) B.木塊處于加速狀態(tài)也可以 C.握在手中的傳感器拉另一只傳感器的力應(yīng)盡量保持不變 D.握在手中的傳感器拉另一只傳感器的力可以隨時變化 答案　BD 變式2　(xx麗水市普通高中質(zhì)量監(jiān)控)如圖4所示的甲、乙兩圖是表示用同一套器材測量鐵塊P與長金屬板間滑動摩擦力的兩種不同方法.甲圖使金屬板靜止在水平桌面上，手通過彈簧測力計向右用力F拉P，使P做勻速運動；乙圖把彈簧測力計的一端固定在墻上，用力F水平向左拉金屬板，使金屬板向左運動.則關(guān)于這兩種測量滑動摩擦力的方法： 圖4 (1)________(選填“甲”或“乙”)方法好； (2)選擇正確的方法后，滑動摩擦力的測量值如圖丙，示數(shù)為________ N. 答案　(1)乙　(2)2.40 解析　(1)題圖甲中鐵塊只有在勻速運動時的摩擦力才等于彈簧的拉力，而題圖乙中P穩(wěn)定時彈簧測力計的示數(shù)一定等于摩擦力.(2)彈簧測力計的最小單位為0.1 N，應(yīng)估讀到下一位，故其示數(shù)為2.40 N. 實驗6：研究平拋運動 一、實驗原理 平拋物體的運動可以看作是兩個分運動的合運動：一個是水平方向的勻速直線運動，另一個是豎直方向的自由落體運動.令小球做平拋運動，利用描點法描出小球的運動軌跡，即小球做平拋運動的曲線，建立坐標(biāo)系. 測出曲線上某一點的坐標(biāo)x和y，根據(jù)重力加速度g的數(shù)值，利用公式y(tǒng)＝gt2求出小球飛行時間t＝ ，再利用公式x＝vt，求出小球的水平分速度v＝x，即為小球做平拋運動的初速度. 二、實驗裝置圖及器材 如圖5所示， 圖5 斜槽、小球、木板、坐標(biāo)紙、圖釘、重垂線、直尺、三角板、鉛筆等. 三、實驗過程 1.安裝斜槽軌道，使其末端保持水平. 2.將坐標(biāo)紙固定在木板上，使木板保持豎直狀態(tài)，小球的運動軌跡與板面平行，坐標(biāo)紙方格橫線呈水平方向. 3.以斜槽末端為坐標(biāo)原點沿重垂線畫出y軸. 4.讓小球從斜槽上適當(dāng)?shù)母叨扔伸o止釋放，用鉛筆記錄小球做平拋運動經(jīng)過的位置. 5.重復(fù)步驟4，在坐標(biāo)紙上記錄多個位置. 6.在坐標(biāo)紙上作出x軸，用平滑的曲線連接各個記錄點，得到平拋運動的軌跡. 7.在軌道上取幾個點，使這些點在水平方向間距相等，研究這些點對應(yīng)的縱坐標(biāo)y隨時間變化的規(guī)律. 四、注意事項 1.斜槽末端的切線必須水平. 2.方木板必須處在豎直面內(nèi)且與小球運動軌跡所在的豎直平面平行，并使小球的運動靠近木板但不接觸. 3.坐標(biāo)原點(小球做平拋運動的起點)不是槽口的端點，應(yīng)是小球在槽口時球的球心在木板上的水平投影點. 4.如果是用白紙，則應(yīng)以小球在槽口時球的球心在木板上的水平投影點為坐標(biāo)原點，在斜槽末端懸掛重垂線，先根據(jù)重垂線方向確定y軸方向，再用直角三角板畫出水平線作為x軸，建立直角坐標(biāo)系. 5.每次小球應(yīng)從斜槽上的同一位置由靜止開始滾下. 6.在平拋軌道上選取距O點遠(yuǎn)些的點來計算球的初速度，這樣可使結(jié)果的誤差較小. 例2　(xx浙江4月選考17)在“研究平拋運動”實驗中 (1)圖6是橫擋條卡住平拋小球，用鉛筆標(biāo)注小球最高點，確定平拋運動軌跡的方法，坐標(biāo)原點應(yīng)選小球在斜槽末端點時的________. 圖6 A.球心 B.球的上端 C.球的下端 在此實驗中，下列說法正確的是________. A.斜槽軌道必須光滑 B.記錄的點應(yīng)適當(dāng)多一些 C.用光滑曲線把所有的點連接起來 D.y軸的方向根據(jù)重垂線確定 (2)圖7是利用圖6裝置拍攝小球做平拋運動的頻閃照片，由照片可判斷實驗操作錯誤的是____. 圖7 A.釋放小球時初速度不為0 B.釋放小球的初始位置不同 C.斜槽末端切線不水平 (3)下圖是利用穩(wěn)定的細(xì)水柱顯示平拋運動軌跡的裝置，其中正確的是(　　) 答案　(1)B　BD　(2)C　(3)B 解析　(1)因用鉛筆標(biāo)注小球最高點來確定平拋運動軌跡，故坐標(biāo)原點應(yīng)選小球在斜槽末端點時的球的上端，所以選B.實驗過程中，斜槽不一定光滑，只要能夠保證從同一位置靜止釋放，即使軌道粗糙，摩擦力做功是相同的，離開斜槽末端的速度就是一樣的，選項A錯誤，記錄的點適當(dāng)多一些，能夠保證描點平滑，選項B正確；作圖象時，要使盡可能多的點在所作曲線上，不在曲線上的點應(yīng)盡可能均勻分布在所作曲線兩側(cè)，選項C錯誤；y軸必須是豎直方向的，即用重垂線確定，選項D正確. (2)由題圖可知斜槽末端切線不水平，才會造成斜拋運動，故選C. (3)插入瓶中的另一根吸管使得瓶中壓強與外界氣壓相等，目的就是為了保證水流流速不受瓶內(nèi)水面下降而減小，能保證水面下降的一段時間內(nèi)，得到穩(wěn)定的細(xì)水柱，所以選B. 變式3　(xx嘉興市期末)(1)如圖8甲所示為“研究平拋運動”的實驗裝置，在此實驗中，下列說法正確的是________. 圖8 A.斜槽軌道必須光滑 B.斜槽水平部分軌道必須水平 C.每次實驗均需要平衡摩擦力 D.小球每次應(yīng)從斜槽上同一位置靜止釋放 (2)某同學(xué)采用如圖乙所示的裝置來研究平拋運動的分運動，用小錘擊打彈性金屬片，金屬片把A球沿水平方向彈出，同時B球被松開，自由下落，觀察到兩球同時落地，改變小錘擊打的力度，即改變A球被彈出的速度，兩球仍然同時落地，這說明________________. 答案　(1)BD　(2)平拋運動的豎直分運動是自由落體運動 變式4　(xx紹興市選考模擬)研究平拋運動的實驗裝置如圖9所示. 圖9 (1)實驗時，每次須將小球從軌道________(填字母). A.同一位置釋放 B.不同位置無初速度釋放 C.同一位置無初速度釋放 (2)上述操作的目的是使小球拋出后________(填字母). A.只受重力 B.軌跡重合 C.做平拋運動 D.速度小些，便于確定位置 (3)實驗中已測出小球半徑為r，則小球做平拋運動的坐標(biāo)原點位置應(yīng)是________(填字母). A.斜槽末端O點 B.斜槽末端O點正上方r處 C.斜槽末端O點正前方r處 D.斜槽末端O點正上方r處在豎直木板上的投影點 答案　(1)C　(2)B　(3)D 變式5　圖10是“研究平拋運動”的實驗裝置圖，通過描點畫出平拋小球的運動軌跡. 圖10 (1)以下是實驗過程中的一些做法，其中合理的有________. A.安裝斜槽軌道，使其末端保持水平 B.每次小球釋放的初始位置可以任意選擇 C.每次小球應(yīng)從同一高度由靜止釋放 D.為描出小球的運動軌道，描繪的點可以用折線連接 (2)實驗得到平拋小球的運動軌跡，在軌跡上取一些點，以平拋起點O為坐標(biāo)原點，測量它們的水平坐標(biāo)x和豎直坐標(biāo)y，下列圖中y－x2圖象能說明平拋小球運動軌跡為拋物線的是________. (3)圖11中是某同學(xué)根據(jù)實驗畫出的平拋小球的運動軌跡，O為平拋的起點，在軌跡上任取三點A、B、C，測得A、B兩點豎直坐標(biāo)y1為5.0 cm、y2為45.0 cm，A、B兩點水平間距Δx為40.0 cm.則平拋小球的初速度v0為________ m/s，若C點的豎直坐標(biāo)y3為60.0 cm，則小球在C點的速度vC為______ m/s.(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字，g取10 m/s2) 圖11 答案　(1)AC　(2)C　(3)2.0　4.0 解析　(1)斜槽末端要保持水平，使小球飛出后做平拋運動，A項正確；要使每次小球做平拋運動的初速度相同，則每次小球應(yīng)從同一高度由靜止釋放，B項錯誤，C項正確；描繪軌跡時應(yīng)用平滑曲線連接各點，D項錯誤. (2)對平拋運動，水平位移x＝v0t，豎直位移y＝gt2， 聯(lián)立上述兩式得y＝x2，故y－x2圖線應(yīng)為直線，故選C. (3)由y＝gt2解得，從O點運動到A、B、C各點的時間分別為t1＝0.1 s、t2＝0.3 s、t3＝0.2 s， 則平拋初速度v0＝＝2.0 m/s， 在C點速度vC＝＝4.0 m/s. 實驗7：探究做功與物體速度變化的關(guān)系 一、實驗原理 1.不直接測量對小車做的功，用改變橡皮筋的條數(shù)確定對小車做的功為W0、2W0、3W0…… 2.作出W－v、W－v2圖象，分析圖象，尋求橡皮筋對小車做的功與小車獲得速度的定量關(guān)系. 二、實驗裝置圖及器材 圖12 橡皮筋、打點計時器、小車、紙帶、復(fù)寫紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、木板、釘子. 三、實驗步驟 1.按圖12組裝好實驗器材，由于小車在運動中會受到阻力，使木板適當(dāng)傾斜來平衡摩擦力. 2.先用一條橡皮筋進行實驗，把橡皮筋拉伸一定長度，理順紙帶，接通電源，放開小車. 3.換用紙帶，改用2條、3條……同樣的橡皮筋進行第2次、第3次……實驗，每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都相同. 4.由紙帶算出小車獲得的速度，把第1次實驗獲得的速度記為v1，第2次、第3次……記為v2、v3…… 5. 對測量數(shù)據(jù)進行估計，大致判斷兩個量可能的關(guān)系，然后以W為縱坐標(biāo)，以v2(或v、v3、)為橫坐標(biāo)作圖. 四、數(shù)據(jù)處理 1.測量小車的速度：為探究橡皮筋彈力做功和小車速度變化的關(guān)系，需要測量彈力做功結(jié)束時小車的速度，即小車做勻速運動的速度，由紙帶可求得. 2.實驗數(shù)據(jù)處理及分析 (1)觀察法：當(dāng)橡皮筋的條數(shù)成倍增加，即合外力做的功成倍增加時，觀察小車的速度或速度的平方如何變化，有何變化規(guī)律. (2)圖象法：在坐標(biāo)紙上畫出W－v或W－v2圖線(“W”以一根橡皮筋做的功為單位). 3.實驗結(jié)論：從圖象可知做功與物體速度變化的關(guān)系為W∝v2. 五、注意事項 1.平衡摩擦力很關(guān)鍵，將木板一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡.方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上點的均勻程度判斷小車是否勻速運動，找到木板一個合適的傾角. 2.測小車速度時，紙帶上的點應(yīng)選點跡均勻的部分，也就是選小車做勻速運動狀態(tài)的部分. 3.橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的.力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值. 4.小車質(zhì)量應(yīng)大一些，使紙帶上打的點多一些. 例3　(xx紹興一中高一期末)用如圖13所示的裝置探究做功與物體速度變化的關(guān)系.實驗時，先適當(dāng)墊高木板，然后由靜止釋放小車，小車在橡皮筋彈力的作用下被彈出，沿木板滑行.小車滑行過程中帶動通過打點計時器的紙帶，記錄其運動情況.觀察發(fā)現(xiàn)紙帶前面部分點跡疏密不均勻，后面部分點跡比較均勻，回答下列問題： 圖13 (1)適當(dāng)墊高木板是為了________________. (2)通過紙帶求小車速度時，應(yīng)使用紙帶的________(選填“全部”“前面部分”或“后面部分”). (3)若實驗做了n次，所用橡皮筋分別為1根、2根……n根，通過紙帶求出小車的速度分別為v1、v2……vn，用W表示橡皮筋對小車所做的功，作出的W－v2圖線是一條過坐標(biāo)原點的直線，這說明W與v的關(guān)系是________. 答案　(1)平衡摩擦力　(2)后面部分　(3)W與v2成正比(或W∝v2) 解析　(1)適當(dāng)墊高木板是為了平衡摩擦力. (2)橡皮筋彈力對小車所做的功全部完成后，打出來的點才能反映物體的速度，所以應(yīng)使用紙帶的后面勻速部分. (3)W－v2圖線是一條過坐標(biāo)原點的直線，根據(jù)數(shù)學(xué)知識可確定W與速度v的平方成正比. 變式6　在“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗中，某同學(xué)安裝了如圖14所示的實驗器材： 圖14 (1)要完成實驗?zāi)康?，除了圖示器材，在下列實驗器材中還需要的有________. A.毫米刻度尺 B.4～6 V直流電源 C.4～6 V交流電源 D.沙桶或鉤碼 (2)下列紙帶(左邊為先打下的點)，哪個比較符合實驗要求________，平衡摩擦力過度的是________. 答案　(1)AC　(2)B　D 解析　(1)要測量紙帶上打出點間的距離，需要毫米刻度尺，用電磁打點計時器，需要4～6 V交流電源，故選A、C； (2)符合要求的紙帶是后面的點跡均勻，所以選B；平衡摩擦力過度，則橡皮筋回復(fù)原狀后小車仍有加速度，則相鄰點間的距離越來越大，故選D. 變式7　(xx金華市義烏模擬)某實驗小組利用如圖15甲所示裝置探究“外力做功與滑塊動能變化的關(guān)系”，主要步驟如下： 圖15 A.按圖示器材連接好裝置； B.托盤內(nèi)加砝碼，當(dāng)托盤和砝碼的總質(zhì)量為m0時，輕推滑塊，滑塊恰好做勻速直線運動，稱出滑塊的質(zhì)量為M，若紙帶與打點計時器之間的摩擦不計，則滑塊與長木板間的動摩擦因數(shù)μ＝________； C.本實驗采用電磁打點計時器進行研究，在撥動學(xué)生電源開關(guān)前，圖乙中存在一個明顯的錯誤，請指出：________； D.撤去托盤和砝碼，并取下細(xì)線，先接通電源，再輕推滑塊，使滑塊獲得一定初速度后撤去外力，滑塊運動過程中打出一條紙帶，截取紙帶的最后一段，如圖丙所示，則紙帶的運動方向為________(選填“a→b”或“b→a”)； E.用刻度尺測量AB、BC、CD、DE、EF間的距離，分別記為x1、x2、x3、x4、x5，相鄰兩點間的時間間隔為T，則B、E之間動能定理表達(dá)式可用上述物理量表示為：________. F.實驗結(jié)束，整理儀器. 答案　　工作電壓過高　b→a m0g(x2＋x3＋x4)＝M()2－M()2 解析　由于小車勻速運動，所以托盤和砝碼的重力等于小車所受的滑動摩擦力，即m0g＝μMg所以μ＝.打點計時器的工作電壓是4～6 V，而乙圖中的工作電壓過高，故應(yīng)選擇4～6 V 的交流電. 據(jù)題意可知，紙帶做減速運動，所以相同的時間內(nèi)位移逐漸減小，故紙帶應(yīng)向左運動，即由b→a.據(jù)勻變速直線運動的推論，可知：vB＝，vE＝ 據(jù)題圖丙可知，BE間的距離為：x2＋x3＋x4 據(jù)動能定理得：μMg(x2＋x3＋x4)＝M2－M2， 由μ＝得m0g(x2＋x3＋x4)＝M()2－M()2. 實驗8：驗證機械能守恒定律 一、實驗原理 1.在只有重力做功的自由落體運動中，物體的動能與重力勢能相互轉(zhuǎn)化，但總的機械能保持不變.若某一時刻物體下落的瞬時速度為v，下落高度為h，則應(yīng)有mgh＝mv2.借助打點計時器，測出重物某時刻的下落高度h和該時刻的瞬時速度v，即可驗證機械能是否守恒. 2.測定第n點的速度的方法：vn＝或vn＝. 二、實驗裝置圖 圖16 三、實驗步驟 1.按圖16安裝實驗器材，電源接學(xué)生電源，并將輸出電壓調(diào)至4～6 V交流.接通電源前，用手提升紙帶至重物靠近打點計時器處. 2.先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落.關(guān)閉電源，取下紙帶備用. 3.重復(fù)步驟2兩次. 4.取點跡清晰，且第一、二點距離接近2 mm的紙帶進行測量.先將第一點記為0點，然后在紙帶上任取5個連續(xù)的點(或間隔點數(shù)相同的點)，如圖17所示. 圖17 5.驗證0點到2點過程機械能守恒的方程為：mgh2＝m2，其中T為1點到2點(或2點到3點)之間的時間間隔，如果在誤差允許的范圍內(nèi)等式成立，那么實驗就是成功的.同理，可以驗證0點到3點過程、0點到4點過程的機械能是否守恒. 6.拆下器材，放回原處. 四、數(shù)據(jù)處理 1.測量計算 在起始點標(biāo)上0，在某點以后各點依次標(biāo)上1、2、3……用刻度尺測出對應(yīng)下落高度h1、h2、h3……利用公式vn＝計算出點2、點3……的瞬時速度v2、v3…… 2.驗證守恒 方法一：利用起始點和第n點計算，代入ghn和vn2，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，ghn＝vn2，則機械能守恒. 方法二：任取兩點計算. ①任取兩點A、B測出hAB，算出ghAB. ②算出vB2－vA2的值. ③在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，如果ghAB＝vB2－vA2，則機械能守恒. 方法三：圖象法.從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出v2－h(huán)圖線，若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒. 五、注意事項 1.打點計時器豎直安裝，紙帶沿豎直方向拉直. 2.重物要選用密度大、體積小的物體，以減小阻力. 3.先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶. 4.測量下落高度時，必須從起始點算起，為了減小測量h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點遠(yuǎn)一些，紙帶也不宜過長，有效長度可在60～80 cm之內(nèi). 5.速度不能用vn＝gtn或vn＝計算，因為只要認(rèn)為加速度為g，機械能就一定守恒，即相當(dāng)于用機械能守恒定律驗證機械能守恒定律，況且用vn＝gtn計算出的速度比實際值大，會得出機械能增加的結(jié)論，而因為摩擦阻力的影響，機械能應(yīng)該減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計算.同樣的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接測量，而不能用hn＝gtn2或hn＝計算得到. 例4　(xx浙江4月選考17)(1)在下列學(xué)生實驗中，需要用到打點計時器的實驗有______(填字母). A.“探究求合力的方法” B.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系” C.“探究做功與物體速度變化的關(guān)系” D.“探究作用力與反作用力的關(guān)系” (2)做“驗證機械能守恒定律”的實驗，已有鐵架臺、鐵夾、電源、紙帶、打點計時器，還必須選取的器材是圖中的________(填字母). 某同學(xué)在實驗過程中，①在重物的正下方地面鋪海綿；②調(diào)整打點計時器的兩個限位孔連線為豎直；③重復(fù)多次實驗.以上操作可減小實驗誤差的是________(填序號). 答案　(1)BC　(2)BD　②③ 解析　(1)A選項實驗需要彈簧測力計、刻度尺；D選項實驗與打點計時器無關(guān). (2)需要B重物，需要D刻度尺測量下落距離；②可以減小摩擦帶來的影響；③可以減小偶然誤差. 變式8　(xx金華十校聯(lián)考)如圖18所示，某同學(xué)用自由落體法“驗證機械能守恒定律”，從圖示位置靜止釋放紙帶連接的重物. 圖18 (1)圖中操作不合理的地方是________. (2)除了圖中器材外，下列實驗器材中還必須選取的有________. A.秒表 B.刻度尺 C.干電池 (3)本實驗所取的重力加速度g的值，應(yīng)該________. A.取當(dāng)?shù)氐膶嶋Hg值 B.根據(jù)打出的紙帶，用Δx＝gT2求出 C.近似取10 m/s2 答案　(1)重物釋放時離打點計時器太遠(yuǎn) (2)B　(3)A 變式9　(xx紹興一中高一期末)在驗證機械能守恒定律的實驗中，已知打點計時器所用電源的頻率為f，查得當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，測出所用重物的質(zhì)量為m，實驗中得到一條點跡清晰的紙帶，如圖19所示，把第一個點記作O，另選連續(xù)的4個點A、B、C、D作為測量點，經(jīng)測量知道A、B、C、D各點到O點的距離分別為x1、x2、x3、x4，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點運動到C點，重力勢能的減少量為________，動能的增加量為________.(要求寫出表達(dá)式) 圖19 答案　mgx3　mf2(x4－x2)2 解析　重物下落x3，故重力勢能減小量為ΔEp＝mgx3，根據(jù)勻變速直線運動的平均速度推論可得在C點重物的速度為vC＝＝，故動能增加量為ΔEk＝mvC2＝mf2(x4－x2)2. 變式10　(xx金華十校聯(lián)考)用自由落體法驗證機械能守恒定律，器材安裝如圖20所示，若將紙帶從圖示位置由靜止釋放. 圖20 (1)請指出圖中的兩個實驗操作錯誤及不妥之處： ①____________；②____________. (2)改進實驗操作中錯誤及不妥之處后，打出如圖21所示一條紙帶.已知打點計時器的打點頻率為50 Hz，根據(jù)紙帶所給數(shù)據(jù)計算出打C點時重物的速度vC＝________ m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字). 圖21 (3)若重物的質(zhì)量為0.2 kg，取打點計時器打下A點時重物的位置為零勢能位置(該處重力加速度g為9.8 m/s2)，則打下C點時重物的機械能為________ J(結(jié)果保留三位有效數(shù)字). 答案　(1)①打點計時器接直流電源 ②重物未靠近打點計時器釋放 (2)2.25　(3)0.344 解析　(2)根據(jù)勻變速直線運動的平均速度推論可得，重物在C點時的速度vC＝＝10－2 m/s≈2.25 m/s. (3)由于A點為零勢能位置，則C點時重物的機械能EC＝EkC＋EpC＝mvC2－mghAC＝0.2(2.25)2J－0.29.8(26.56－18.30)10－2 J≈0.344 J. 1.如圖1所示，小孫同學(xué)用力傳感器A和B做“探究作用力與反作用力的關(guān)系”實驗，當(dāng)用A勻速拉動固定在滑塊上的B時(　　) 圖1 A.A對應(yīng)示數(shù)比B大 B.B對應(yīng)示數(shù)比A大 C.A和B對應(yīng)示數(shù)有時不相等 D.A和B對應(yīng)示數(shù)任何時刻都相等 答案　D 解析　根據(jù)牛頓第三定律，A對B的作用力和B對A的作用力是作用力和反作用力，總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上，故A和B對應(yīng)示數(shù)任何時刻都相等，故D正確. 2.如圖2所示，將兩彈簧測力計a、b連接在一起，當(dāng)用力緩慢拉a彈簧測力計時，發(fā)現(xiàn)不管拉力F多大，a、b兩彈簧測力計的示數(shù)總是相等，這個實驗說明(　　) 圖2 A.這是兩只完全相同的彈簧測力計 B.彈力的大小與彈簧的形變量成正比 C.作用力與反作用力大小相等 D.力是改變物體運動狀態(tài)的原因 答案　C 解析　a、b兩彈簧測力計的示數(shù)分別顯示b彈簧的拉力和a彈簧的拉力，這是一對作用力與反作用力，它們的示數(shù)總是相等，說明作用力與反作用力大小相等，與彈簧測力計無關(guān)，故兩只彈簧測力計不一定完全相同，故A錯誤，C正確；此實驗不能說明彈力的大小與彈簧的形變量成正比，故B錯誤；此實驗不能說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因，故D錯誤. 3.(1)在做“研究平拋運動”的實驗時，讓小球多次沿同一軌道運動，通過描點法畫出小球做平拋運動的軌跡.為了能較準(zhǔn)確地描繪運動軌跡，下面列出了一些操作要求，將你認(rèn)為正確選項前面的字母填在橫線上________. A.通過調(diào)節(jié)使斜槽的末端保持水平 B.斜槽必須是光滑的，以免受到摩擦力的作用，每次釋放小球的位置可以不同 C.每次必須由靜止釋放小球，小球運動時不應(yīng)與木板上的白紙相接觸 D.記錄小球位置用的鉛筆每次必須嚴(yán)格地等距離下降 (2)作出平拋運動的軌跡后，為算出其初速度，實驗中需測量的數(shù)據(jù)有________和________.其初速度的表達(dá)式為v0＝________. 答案　(1)AC (2)小球從原點到某時刻的水平位移x　從原點到該時刻的豎直位移y　x 解析　(1)要保證每次拋出時的速度相等應(yīng)使小球每次從斜槽上相同的位置自由滑下并且斜槽軌道末端必須保持水平，只要做到這兩點，我們就能得到相等的速度，至于摩擦力不會影響這個結(jié)果.記錄小球位置用的鉛筆每次不需嚴(yán)格地等距離下降，小球運動時應(yīng)避免與紙面發(fā)生摩擦.所以選A、C. (2)為算出其初速度，實驗中需測量的數(shù)據(jù)有小球從原點到某時刻的水平位移x，從原點到該時刻的豎直位移y，初速度v0＝x. 4.在做“研究平拋運動”實驗時，讓小球多次沿同一軌道運動，通過描點法畫出小球做平拋運動的軌跡. (1)某同學(xué)在一次實驗中用方格紙記錄小球在平拋運動中的軌跡，若其記錄得到的幾個位置如圖3中a、b、c、d、e所示，O點為拋出點，請在圖中畫出小球的實際運動軌跡. 圖3 (2)若小方格的邊長l＝1.25 cm，g取10 m/s2，則小球平拋的初速度為________ m/s. 答案　(1)見解析圖　(2)0.75 解析　(1)將實驗數(shù)據(jù)點用平滑曲線連接，其中c點偏離太大，誤差太大，舍去，如圖所示. (2)通過b點計算初速度，由hO b＝gt2， 得t＝0.1 s，所以初速度v0＝＝ m/s＝0.75 m/s. 5.(xx嘉興一中期末)在“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗中，小張同學(xué)用如圖4甲所示裝置，嘗試通過測得細(xì)繩拉力(近似等于懸掛重物重力)做的功和小車獲得速度的值進行探究，則： 圖4 (1)下列說法正確的是________. A.該方案需要平衡摩擦力 B.該方案需要重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量 C.該方案操作時細(xì)線應(yīng)該與木板平行 D.該方案處理數(shù)據(jù)時應(yīng)選擇勻速時的速度 (2)某次獲得的紙帶如圖乙所示，小張根據(jù)點跡標(biāo)上了計數(shù)點，每兩個計數(shù)點間有4個點未標(biāo)出，所用打點計時器的頻率為50 Hz，請讀出C計數(shù)點在刻度尺上的讀數(shù)______ cm ，并求出C點的速度為________ m/s(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字). 答案　(1) ABC　(2) 9.80　0.178(0.176～0.180) 解析　(2)由題圖乙刻度尺可知，其分度值為1 mm，C點的刻度尺示數(shù)為9.80 cm；做勻變速直線運動的物體在某段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間中間時刻的瞬時速度，則C點的速度：vC＝＝ m/s≈0.178 m/s. 6.如圖5甲所示為用電磁打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗裝置. (1)若已知打點計時器的電源頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2，重物質(zhì)量為0.2 kg.實驗中得到一條點跡清晰的紙帶如圖乙所示，打P點時，重物的速度為零，A、B、C為另外3個連續(xù)點，根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)，可知重物由P點運動到B點，重力勢能減少量ΔEp＝________J.(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 圖5 (2)若PB的距離用h表示，打B點時重物的速度為vB，當(dāng)兩者間的關(guān)系式滿足________時，說明下落過程中重物的機械能守恒(已知重力加速度為g). (3)實驗中發(fā)現(xiàn)重物增加的動能略小于減少的重力勢能，其主要原因是________. A.重物的質(zhì)量過大 B.重物的體積過小 C.打點計時器的兩個限位孔連線為豎直 D.重物及紙帶在下落時受到阻力 答案　(1)9.8210－2　(2)vB2＝2gh　 (3)D 解析　(1)重力勢能減少量：ΔEp＝mgh＝0.29.800.050 1 J≈9.8210－2 J. (2)要驗證重物從P到B的過程中機械能守恒，則需滿足mvB2＝mgh，即vB2＝2gh. (3)重物的質(zhì)量過大，重物和紙帶受到的阻力相對較小，所以有利于減小誤差，故A錯誤；重物的體積過小，有利于減小阻力，所以有利于減小誤差，故B錯誤；打點計時器兩個限位孔豎直時，可以減少摩擦帶來的影響，有利于減小誤差，故C錯誤；重物及紙帶在下落時受到阻力，從能量轉(zhuǎn)化的角度，由于阻力做功，重力勢能除了轉(zhuǎn)化為動能還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以重物增加的動能略小于減少的重力勢能，故D正確. 7.甲同學(xué)準(zhǔn)備做“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗.乙同學(xué)準(zhǔn)備做“驗證機械能守恒定律”實驗.丙同學(xué)準(zhǔn)備做“研究勻變速直線運動速度與時間關(guān)系”實驗，如圖6. 圖6 (1)甲同學(xué)用電磁打點計時器與學(xué)生電源相接，應(yīng)接________交流電源.(選填“高壓”或“低壓”) (2)關(guān)于甲、乙兩同學(xué)的實驗，下列說法正確的是________(填字母代號) A.甲同學(xué)可以利用紙帶上任意兩計時點的距離求所需速度 B.甲同學(xué)實驗時，通過改變小車的釋放位置來探究做功與速度變化的關(guān)系 C.乙同學(xué)可以利用v＝gt求出某計時點的瞬時速度 D.乙同學(xué)實驗時使重物靠近打點計時器釋放的目的是為了獲取更多的計時點 (3)三個同學(xué)實驗正確操作后獲得了一條紙帶，圖7是某位同學(xué)實驗中打出的一條紙帶的一部分(單位：cm)，紙帶上標(biāo)出了連續(xù)的6個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點之間還有4個計時點沒有畫出，所用電源頻率為50 Hz.打點計時器打“3”點時，小車的速度為________m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).通過分析可得出：這條紙帶是________同學(xué)得到的；以上三個實驗中必須要平衡摩擦力是________同學(xué)的實驗(以上兩空請?zhí)睢凹住?、“乙”或“丙?. 圖7 答案　(1)低壓　(2)D　(3)0.23　丙　甲