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1、力学实验专题一 纸带研究物体的运动物理考试要求的力学实验有：研究匀变速直线运动、探究弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律、动量守恒定律。其中有五个实验与纸带的处理有关，可见力学实验部分掌握对纸带的处理，打点计时器的应用是个重点。近几年力学实验中与纸带处理相关的实验频频出现。实验名称原理公式利用纸带测量的物理量研究匀变速直线运动 瞬时速度和加速度验证牛顿运动定律F=ma加速度验证机械能守恒定律Mgh=瞬时速度和下落的高度探究动能定理W=初末状态的速度验证动量守恒定律M1v1 +M2v2=（M1+M2）v初末状态的速度（一）打点计时器系列
2、实验中纸带的处理1纸带的选取：一般实验应在点迹清晰、无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带。在“验证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二点，并且第一、二两点距离 接近2.0mm 。2根据纸带上点的密集程度选取计数点。若打点计时器每打n个点取一个计数点，则计数点时间间隔为 n 个打点时间间隔，即T= 0.02n s。一般取n5，此时T= 0.1s 。3测量计数点间距离。为了测量、计算的方便和减小偶然误差的考虑，测量距离时不要分段测量，尽可能一次测量完毕，即测量计数起点到其它各计数点的距离。如图所示，则由图可得：，4判定物体运动的性质：若SI、SII、SIII、SIV、SV、SVI
3、基本相等，则可判定物体在实验误差范围内作匀速直线运动。（2）若（常数），即连续相等的时间间隔内的位移差是恒量，则与纸带相连的物体的运动是匀变速直线运动； 5、测定第n点的瞬时速度。物体作匀变速直线运动时，在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。即测出第n点的相邻的前、后两段相等时间T内的距离，由平均速度公式就可求得，如上图中第4点的瞬时速度为：。6、测定作匀变速直线运动物体的加速度，一般用逐差法 求加速度。根据（T为相邻两计数点间的时间间隔），求出如从纸带上得到6个相邻相等时间内的位移时，则；若为奇数组数据则将中间一组去掉，然后再将数据分组利用逐差法求解。点评：求加速度和速度时，注意长度
4、的单位。题型分析实验题型是复杂多变的，做题时要注意题目中给出的物理量的特点，要灵活运用。一位移给出形式的变化【例1】在“研究匀变速直线运动”的实验中，小车拖着纸带运动，打点计时器每隔0.02s打一个点，打出的纸带如图所示，选出A、B、C、D、E共5个计数点，每相邻两点间还有四个实验点（图中未画出），以A点为起点量出的到各点的位移已标在图上。由此可求得小车运动的加速度a = m/s2 ，打下A点时小车运动的速度为vA= m/s。点评：注意给出的位移的形式，是相邻的相等时间内的位移还是同一时刻开始算起的位移。二时间间隔给出形式的变化【例2 】在“研究匀变速直线运动”的实验中，小车拖着纸带运动，打点
5、计时器每隔0.02s打一个点，打出的纸带如图所示，选出A、B、C、D、E共5个计数点，每相邻两点间还有四个实验点（图中未画出），以A点为起点量出的到各点的位移已标在图上。由此可求得小车运动的加速度a = m/s2 ，打下A点时小车运动的速度为v= m/s。点评：注意实验点和计数点的区别，两计数点之间的时间间隔。三、规律应用形式的变化【例3】（1）如图是某同学在做匀变速直线运动实验中获得的一条理想的纸带。ABCD是纸带上四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出。则A、B两点间距s=_；C点对应的速度是_(计算结果保留三位有效数字)。答案： 0.70cm 0.100m/s（二）纸带研究物体运
6、动规律的应用实验1验证牛顿第二定律（1）实验原理：本实验共有F、m、a三个参量，验证加速度a与作用力F及物体质量m的关系，应用的方法是控制变量法。如图所示装置，保持小车质量M不变，改变小桶内砂的质量m，从而改变细线对小车的牵引力F(当mM时，F=mg近似成立)，测出小车的对应加速度a,由多组a、F数据作出加速度和力的关系a-F图线，验证加速度是否与外力成正比保持小桶和砂的质量不变，在小车上加减砝码, 改变小车的质量M，测出小车的对应加速度a, 由多组a、M数据作出加速度和质量倒数的关系a-M-1图线, 验证加速度是否与质量成反比。 （2）注意此实验需要的器材：天平（3）注意事项：本实验的一个重
7、要步骤是 平衡摩擦力 。必须满足小车与车上所加砝码的总质量 远大于 砂与砂桶的总质量，只有如此，砂和砂桶的总重力才可视为小车所受的拉力（4）数据处理：做出 a- 图像和 a-F 图像。【例4】某同学设计了一个探究小车的加速度a与小车所受拉力F及质量m关系的实验，图（a）为实验装置简图（所用交变电流的频率为50Hz）（1）图（b）为某次实验得到的纸带，实验数据如图，图中相邻计数点之间还有4个点未画出，根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s2（保留三位有效数字）（2）保持砂和砂桶质量不变，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，数据如下表：实验次数12345678小车加速度a/ms
8、20.6330.5720.4970.4180.3320.2500.1670.101小车质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67小车质量倒数4.003.453.032.502.001.411.000.60请在方格坐标纸中画出图线， 并从图线求出小车加速度a与质量倒数之间的关系式是 （3）保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，一位同学根据实验数据作出了加速度a随拉力F的变化图线如图所示。该图线不通过原点，其主要原因是_ 答案：(1)0.510 (2)略 (3)没有平衡摩擦力（5）实验误差分析【例5】在验证牛顿第二定律的实验中，用改变砂的质量的办法来改变对小车的作用
9、力F，用打点计时器测出小车的加速度a，得出若干组F和a的数据。然后根据测得的数据作出如图所示的a-F 图线，发现图线既不过原点，又不是直线，原因是（ C ）A没有平衡摩擦力，且小车质量较大B平衡摩擦力时，所垫木板太高，且砂和小桶的质量较大C平衡摩擦力时，所垫木板太低，且砂和小桶的质量较大D平衡摩擦力时，所垫木板太高，且小车质量较大实验2验证机械能守恒定律实验原理：物体做自由落体运动时，只受重力作用，机械能守恒。根据打点计时器打出的纸带，用毫米刻度尺测出重锤下落的高度h，求出对应点的瞬时时速度；比较mgh与1/2mv2，若二者相等则机械能守恒。点拨在EK和EP中含有质量m，因不需要求能量值，为了
10、简便计算，不需测量物体质量m的数值，而也可以直接比较ghn和1/2vn2值。实验的注意事项：打点计时器安装时，必须使纸带两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源，让打点计时器工作正常后才松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的点。选用纸带时应尽量挑选第一、二点间接近2mm的纸带。实验中要减小误差，重锤M应选大一些，纸带、打点计时器要保证在铅直平面内，防止纸带与限位孔摩擦；测量下落高度时，必须从起始点算起，不能搞错，为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起台点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60cm-800cm之内。【例6】（2010年
11、1月惠州第三次调研34）（1）如图所示，是用落体法验证机械能守恒定律的实验装置，请回答下列问题：从下列器材中选出实验所必须的，其编号为 。A.打点计时器（含纸带）； B.重锤 ； C.天平； D.毫米刻度尺 ； E.秒表。实验中产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时的摩擦阻力，使重锤获得的动能往往 它所减小的重力势能（填大于、小于或等于）。如果以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出图线是一条通过坐标原点的倾斜直线，该线的斜率是 。【解析】ABD （3分）小于 （2分）重力加速度 （3分点拨本实验的误差来源主要是空气阻力和摩擦阻力对纸带和物体做功，使重力势能的减少量大于动能的增加量为尽量减
12、少误差，除了实验操作正确、仪器选取合理外，在计算重力势能减少量时，重力加速度g一定不要取10m/s2，没有特殊说明要取9.8m/s2.机械能守恒实验的拓展应用【例7】（2010年汕头一模）（10分）电磁打点计时器是一种计时的仪ks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5uks5u电磁打点计时器器，使用时要注意
13、调节好振针的高度，如果振针的位置过低，打出的纸带的点迹是 ，还会对纸带产生 ，对实验结果有较大的影响.利用打点计时器和如图的其他器材可以开展多项实验探究，其主要步骤如下：a、按装置安装好器材并连好电路b、接通电源，释放纸带，让重锤由静止开始自由下落c、关闭电源，取出纸带. 更换纸带，重复步骤b，打出几条纸带d、选择一条符合实验要求的纸带，数据如图（相邻计数点的时间为T），进行数据处理若是探究重力做功和物体动能的变化的关系.需求出重锤运动到各计数点的瞬时速度，试表示在B点时重锤运动的瞬时速度VB= . 若是测量重力加速度g. 为减少实验的偶然误差，采用逐差法处理数据，则加速度大小可以表示为g =
14、 .如果求出的加速度值与当地重力加速度公认的值g有较大差距，说明实验过程存在较大的阻力，若要测出阻力的大小，则还需测量的物理量是_ _.试用这些物理量和纸带上的数据符号表示出重锤在下落的过程中受到的平均阻力大小F_ _ _ . 【答案】（1）短线或双点；较大的阻力（2分） V4= （2分）（g）（2分）重锤的质量m；（2分） Fmg- （2分）实验3探究动能定理（两种形式的纸带：匀变速运动的纸带，匀速运动的纸带）实验目的：探究外力做功与物体速度变化之间的关系实验方法与器材：可利用验证机械能守恒定律的装置，探究重力做功和物体动能的变化的关系，需要测量的物理量有物体某段过程的初末速度，和下落的高度mgh=；若初位置取纸带上的第一个点，则需要验证的是mgh=。两式中两边都有质量m，所以可以不用测量质量m的数
