高考物理一轮复习第八单元力学实验练习(含详解)

力学实验 　　力学实验是每年高考的必考内容,在当前实验试题命制“一大一小”的情况下,力学实验多以小题的形式出现,并且试题多源于教材而高于教材,所给的物理情景和要求通常跟教材内容有明显区别,是以教材中的实验为背景或素材,通过改变实验条件或增加条件限制,加强对考生迁移能力、创新能力和实验设计能力的考查。具体特点如下: (1)力学实验中有多个实验都要用到打点计时器(如研究匀变速直线运动的规律、验证牛顿运动定律、验证机械能守恒定律等),考查打点计时器的使用并根据纸带进行正确的数据运算,是高考考查的热点。 (2)考查运用图象法处理实验数据是历年高考实验题的命题热点,力学实验、电学实验中都可能出现。这是考生必备的能力之一。 (3)结合光电门和传感器考查。由光电门计算速度,由力的传感器直接显示力的大小,速度传感器直接显示速度大小, 所以力学实验中往往结合这两种器材来考查。 (4)考查力学创新设计性实验,如测动摩擦因数、弹簧弹性势能。创新设计性实验主要考查考生是否理解实验原理和实验仪器的工作原理,是否具有灵活运用实验知识的能力,是否具有在不同情况下迁移知识的能力,这些对考生的能力要求都较高,是近几年高考命题的热点。 “源于课本,不拘泥于课本”一直是高考实验命题的理念,考查实验的灵魂——原理是重中之重,预测2020年高考对力学实验的考查,是在《考试说明》规定的实验基础上进行重组与创新,旨在考查考生是否熟悉这些常规实验器材,是否真正动手做过这些实验,是否能灵活地运用学过的实验理论、实验方法、实验仪器,去处理、分析、研究某些未做过的实验,包括设计某些比较简单的实验等。所以在复习过程中,应以掌握常规实验原理、实验方法、规范的操作程序、数据处理方法等为本,同时从常规实验中有意识地,积极地提取、积累一些有价值的方法。逐步过渡到能灵活运用学过的实验方法设计新的实验。 实验1　研究匀变速直线运动 1 实验原理 　　(1)利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法 设x1、x2、x3、x4、…为纸带上相邻两个计数点之间的距离,假如Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=…=常数,即连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量,则与纸带相连的物体做匀变速直线运动。 (2)由纸带求物体运动速度的方法 根据匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度来求,即vn=。 (3)由纸带求物体运动加速度的方法 ①逐差法:根据x4-x1=x5-x2=x6-x3=3aT2(T为相邻两计数点之间的时间间隔),求出a1=,a2=,a3=,再算出a1、a2、a3的平均值a==,也就是物体的加速度。 ②图象法:求出打各个计数点时纸带的瞬时速度,再作出v-t图象,图线的斜率则为物体做匀变速直线运动的加速度。 2 实验器材 　　打点计时器,一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸。 3 实验步骤 　　(1)仪器安装 ①把附有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端,连接好电路。 ②把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下边挂上合适的钩码,把纸带穿过打点计时器,并把它的一端固定在小车的后面。实验装置如图所示,放手后,看小车能否在木板上平稳地加速滑行。 (2)测量与记录 ①把小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,后放开小车,让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一系列的点,换上新纸带,重复三次。 ②从三条纸带中选择一条比较理想的,舍掉开头一些比较密集的点,从后边便于测量的点开始确定计数点,为了计算方便和减小误差,通常用连续打点五次的时间作为时间单位,即T=0.1 s。用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离,并填入设计的表格中。 ③利用某一段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点的瞬时速度。 ④增减所挂钩码数,再重复实验两次。 4 数据分析 　　(1)根据表格中的v、t数据,在平面直角坐标系中仔细描点,如图所示,可以看到,对于每次实验,描出的几个点大致落在一条直线上。 (2)作一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的点,应均匀分布在直线的两侧,这条直线就是本次实验的v-t图线。 (3)由实验得出的v-t图象进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律。 ①分析图象的特点:小车运动的v-t图象是一条倾斜的直线,如图所示,当时间增加相同的值Δt时,速度也会增加相同的值Δv。由此得出结论:小车的速度随时间均匀变化。 ②通过函数关系进一步得出:既然小车的v-t图象是一条倾斜的直线,那么v随t变化的函数关系式为v=kt+b,显然v与t成“线性关系”,小车的速度随时间均匀变化。 5 注意事项 　　(1)平行:纸带、细绳要和木板平行。 (2)两先两后:实验中应先接通电源,后让小车运动;实验完毕应先断开电源,后取纸带。 (3)防止碰撞:在到达长木板末端前应让小车停止运动,防止小车与滑轮相撞和钩码落地。 (4)减小误差:小车的加速度适当大些,可以减小长度的测量误差,加速度大小以能在约50 cm的纸带上清楚地取6~7个计数点为宜。 1.1 (2018山西模拟)在做“研究匀变速直线运动”的实验中: (1)实验室提供了以下器材:打点计时器、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、交流电源、复写纸、弹簧测力计。其中在本实验中不需要的器材是　　　　。  (2)图甲是某同学由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带,纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出,打点计时器打点的时间间隔T=0.02 s,其中x1=7.05 cm、x2=7.68 cm、x3=8.33 cm、x4=8.95 cm、x5=9.61 cm、x6=10.26 cm。 甲 下表列出了打点计时器打下B、C、F三点时小车的瞬时速度,请在表中填入打点计时器打下D、E两点时小车的瞬时速度。 位置 B C D E F 速度/(m·s-1) 0.737 0.801 0.994 (3)以A点为计时起点,在图乙中画出小车的速度—时间关系图线。 乙 (4)根据画出的小车的速度—时间关系图线计算出小车加速度a=　　　　m/s2(保留2位有效数字)。  【解析】(1)本实验中不需要测量力的大小,因此不需要的器材是弹簧测力计。 (2)根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度得 vD==0.864 m/s 同理可得vE=0.928 m/s。 　　(3)小车的速度—时间关系图线如图丙所示。 丙 (4)小车的加速度 a== m/s2≈0.63 m/s2。 【答案】(1)弹簧测力计　(2)0.864　0.928　(3)如图丙所示　(4)0.63 1.2(2018湖北月考)在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,某同学操作中有以下实验步骤,其中有错误或遗漏的步骤。(遗漏步骤可编上序号F、G、…) A.拉住纸带,将小车移至靠近打点计时器处放开纸带,再接通电源 B.将打点计时器固定在平板上,并接好电路 C.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下面吊着适当重的钩码 D.取下纸带 E.将纸带固定在小车尾部,并穿过打点计时器的限位孔 (1)所列步骤中有错误的是　。  (2)遗漏的步骤:  　。  (3)将以上步骤完善后写出合理的步骤顺序:  　。  【解析】(1)步骤A中应先通电,再放纸带,顺序不能颠倒;D中取下纸带前应先断开电源。 (2)遗漏的步骤:F.换上新纸带,重复实验三次。 (3)步骤完善后,合理的实验步骤顺序为BECADF。 【答案】(1)AD　(2)F.换上新纸带,重复实验三次 (3)BECADF 实验2　探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系 1 实验原理 　　(1)如图所示,弹簧在下端悬挂钩码时会伸长,平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。 (2)用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力下的伸长量x,建立直角坐标系,以纵坐标表示弹力大小F,以横坐标表示弹簧的伸长量x,在坐标系中描出实验所测得的各组(x、F)对应的点,用平滑的曲线连接起来,根据实验所得的图线,就可探知弹力大小与伸长量间的关系。 2 实验器材 　　铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、三角板、坐标纸、重垂线。 3 实验步骤 　　(1)将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧在自然伸长状态时的长度l0,即原长。 (2)如图所示,在弹簧下端挂质量为m1的钩码,测出此时弹簧的长度l1,记录m1和l1,填入自己设计的表格中。 (3)改变所挂钩码的质量,测出对应的弹簧长度,记录m2、m3、m4、m5和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5,并得出每次弹簧的伸长量x1、x2、x3、x4、x5。 钩码个数 长度 伸长量x 钩码质量m 弹力F 0 l0= 1 l1= x1=l1-l0 m1= F1= 2 l2= x2=l2-l0 m2= F2= 3 l3= x3=l3-l0 m3= F3= ︙ ︙ ︙ ︙ ︙ 4 数据分析 　　(1)列表法 将得到的F、x填入设计好的表格中,可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差允许的范围内是相等的。 (2)图象法 以弹簧伸长量x为横坐标,弹力F为纵坐标,在坐标轴上描出F、x各组数据相应的点,作出的拟合曲线是一条过坐标原点的直线。 (3)函数法 弹力F与弹簧伸长量x满足F=kx的关系。 5 注意事项 　　(1)不要超过弹簧的弹性限度:实验中弹簧下端挂的钩码不要太多,以免弹簧被过分拉伸,超过弹簧的弹性限度。 (2)尽量多测几组数据:要使用轻质弹簧,且要尽量多测几组数据。 (3)观察所描点的走向:本实验是探究性实验,实验前并不知道其规律,所以描点以后所作的曲线是试探性的,只是在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来连接这些点。 (4)统一单位:记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位。 2.1 (2018江苏模拟)如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个已知质量且质量相等的钩码探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。 　　　　　甲　　　　　　　　　　　乙 (1)为完成实验,还需要的实验器材有　　　　　。  (2)实验中需要测量的物理量有　　　　　　　　。  (3)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F-x图线,由此可求出弹簧的劲度系数为　　　　N/m。图线不过原点是因为　　　　　　　　　　　　。  (4)为进一步完善并完成该实验,设计的实验步骤如下: A.以弹簧伸长量为横坐标,以弹力为纵坐标,描出各组(x,F)对应的点,并用平滑的曲线连接起来; B.记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度l0; C.将铁架台固定于桌子上,并将弹簧的一端系于横梁上,在弹簧附近竖直固定一把刻度尺; D.依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个……钩码,并分别记下钩码静止时弹簧下端所对应的刻度,并记录在表格内,然后取下钩码; E.以弹簧伸长量为自变量,写出弹力与伸长量的关系式,首先尝试写成一次函数,如果不行,则考虑二次函数; F.解释函数表达式中常数的物理意义; G.整理仪器。 请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来:　　　　　　。  【解析】(1)根据实验原理可知还需要刻度尺来测量弹簧原长和形变量。 (2)根据实验原理,实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或弹簧长度)。 (3)取图象中(0.5,0)和(3.5,6)两个点,代入F=kx可得k=200 N/m,因弹簧自身有重力,故弹簧在不加外力时就有形