2012高考物理備戰(zhàn)系列 力學(xué)實驗——專題解讀3

1、力學(xué)實驗物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，所以在高中物理課程中每一冊都有一些典型的科學(xué)探究或物理實驗。這些實驗的設(shè)置也正是為了實現(xiàn)課程總目標(biāo)：讓學(xué)生“學(xué)習(xí)終身發(fā)展必備的物理基礎(chǔ)知識和技能；學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力；發(fā)展好奇心與求知欲，發(fā)展科學(xué)探索興趣；了解科學(xué)與技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會的互動作用，認(rèn)識人與自然、社會的關(guān)系，有可持續(xù)發(fā)展意識和全球觀念。”一、考綱解讀知識內(nèi)容說明實驗一：驗證平拋運動1.要求會正確使用實驗儀器；2.要求認(rèn)識誤差問題在實驗中的重要性，了解誤差的概念，知道系統(tǒng)誤差和偶然誤差；知道用多次測量求平均值的方法減小偶然誤差；能在某些實驗中分析誤差的主要來源；不要求計算誤差。

2、3.要求知道有效數(shù)字的概念，會用有效數(shù)字表達(dá)直接測量的結(jié)果。間接測量的有效數(shù)字運算不作要求實驗二：探究動能定理實驗三：驗證機(jī)械能守恒定律新課程標(biāo)準(zhǔn)考試大綱，要求考生能明確上述實驗的實驗?zāi)康?，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現(xiàn)象，會記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，對結(jié)論進(jìn)行分析和評價；能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并制定解決方案；能運用已學(xué)過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設(shè)計性實驗。二、基本的探究方案一、驗證平拋運動研究平拋運動規(guī)律的實驗方法很多，可以用小球研究，也可以用水流研究，還可以用DIS研究。由于實驗設(shè)計方案不同，導(dǎo)致操作步驟不同，但是實驗

3、原理都是運動的合成與分解。下面列舉幾例.實驗方案一：驗證豎直方向上的運動規(guī)律圖1圖2實驗裝置如圖1所示，用小錘打擊彈性金屬片，金屬片把A球沿水平方向彈出，同時B球被松開讓其自由下落，觀察到的現(xiàn)象是兩球同時落地；改變小錘打擊的力度，即改變A球被彈出時的速度，仍能觀察到上述現(xiàn)象，這說明豎直方向上的分運動總是相同的，且與球速無關(guān)，即“平拋運動在豎直方向上的分運動是自由落體運動”。圖3實驗方案三：描繪平拋運動的軌跡并計算初速度（1）描繪出平拋運動的軌跡 實驗裝置如圖3所示,將固定有斜槽的木板放在實驗桌上，實驗前要檢查斜槽末端的切線是否水平;用圖釘把坐標(biāo)紙釘在豎直的木板上，固定時要用重錘線檢查坐標(biāo)紙上的

4、豎線是否豎直;選定斜槽末端上方小球球心處為坐標(biāo)原點O，從坐標(biāo)原點O畫出水平向右的x軸和豎直向下的y軸;使小球從斜槽的某一固定位置由靜止?jié)L下，并由O點開始做平拋運動。先用眼睛粗略地確定做平拋運動的小球在某一x值處的y值，然后使小球從固定位置由靜止?jié)L下，在粗略確定的位置附近用鉛筆較準(zhǔn)確地確定小球通過對位置，并在坐標(biāo)紙上記下這一點;依次改變x的值，用同樣的方法確定其他各點的位置；取下坐標(biāo)紙，根據(jù)記下的一系列位置，用平滑的曲線畫出小球做平拋運動的軌跡。（2）計算出平拋運動的初速度 在軌跡上選取幾個不同的點，測出它們的橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y，根據(jù)重力加速度g的數(shù)值，利用公式v0=x求出小球做平拋運動的初速度

5、，最后求出v0的平均值。注意：小球初速度是否水平、運動軌跡是否與木板平行和空氣阻力是產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因。為了減小系統(tǒng)誤差，實驗中注意以下幾點：（1）固定斜槽時，要保證斜槽末端的切線呈水平。檢查斜槽末端的切線呈水平的方法是：是否能使小球穩(wěn)定的停留在槽口附近；（2）木板必須處在豎直面內(nèi)且與小球運動軌跡所在豎直平面平行，并使小球的運動靠近木板但不接觸；（3）要在斜槽上適當(dāng)高度釋放小球，使它以適當(dāng)?shù)某跛俣绕綊?，其軌跡從木板的左上角到達(dá)右下角，可以減小測量誤差。實驗方案五 ：頻閃照相法數(shù)碼相機(jī)大多具有攝像功能，每秒鐘拍攝約15帖照片。用它拍攝小球從水平桌面飛出后做平拋運動的幾張連續(xù)照片，分析這些照片在水

6、平方向和豎起方向的運動特點，從而歸納總結(jié)出平拋運動的規(guī)律。方法一 比較法探究平拋運動的規(guī)律如圖5所示，為用頻閃攝影方法拍攝的研究物體做平拋運動規(guī)律的照片，圖中、為三個同時由同一點出發(fā)的小球。為球在光滑水平面上以速度運動的軌跡；為球以速度被水平拋出后的運動軌跡；為球自由下落的運動軌跡。通過分析比較上述三條軌跡可以看出：1.水平方向小球、在相同時間內(nèi)的位移相同，而球做勻速直線運動，所以球在水平方向與球以相同的速度做勻速直線運動；2.豎直方向，小球做自由落體運動，由圖可以看出，小球與在相同時間內(nèi)下降的位移也相同，即說明小球在豎直方向也做自由落體運動。二、驗證動能定理實驗方案一：探究恒力做功與物體動能

7、變化的關(guān)系圖7實驗裝置如圖7所示，所用器材有長木板、小車、橡皮筋、打點計時器及電源、紙帶等。我們通過橡皮筋帶動小車運動來探究對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系。小車在橡皮筋的作用下彈出，沿木板滑行當(dāng)我們用2條、3條同樣的橡皮筋進(jìn)行第2次、第3次實驗時，每次橡皮筋拉的長度都保持一樣，那么，第2次、第3次實驗中橡皮筋對小車做的功就是第一次的2倍、3倍如果把第一次實驗時橡皮筋的功記為W，以后各次的功就是、由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出，也可以用其他的方法測出這樣，進(jìn)行若干次測量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)。v1v2G2G1msh圖8實驗方案二：探究功與質(zhì)量、速度間定量關(guān)系實

8、驗裝置如圖8所示，實驗器材有天平、氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計時器及計算機(jī)輔助設(shè)備.滑塊在氣墊導(dǎo)軌上受重力和支持力兩個力的作用，當(dāng)滑塊沿導(dǎo)軌滑行時，滑塊重力沿傾斜導(dǎo)軌方向的分力對滑塊做功。這一分力為，在滑塊經(jīng)過兩光電門的過程中，這一分力所做的功為，式中m為滑塊（連同遮光條）的質(zhì)量，可用天平測出；h為墊塊的高度，L為墊塊與導(dǎo)軌接觸點到導(dǎo)軌底端的距離，s為兩光電門間的距離，均可用刻度尺測出。圖9以v1、v2分別表示滑塊經(jīng)過光電門G1、G2時的速度，根據(jù)固定在滑塊上的兩遮光條的間距和由數(shù)字計時器顯示的滑塊經(jīng)過光電門G1、G2的時間，即可算出v1、v2。由m、v1、v2組成的式子可能為m(v2v1)、m(v2v1

9、)2、m(v22v12)、m(v2v1)3、m(v23v13)將實驗數(shù)據(jù)分別代入以上各式，運用計算機(jī)輔助設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可發(fā)現(xiàn)功與質(zhì)量、速度間的定量關(guān)系。圖10三、驗證機(jī)械能守恒定律實驗方案一：落體法驗證機(jī)械能守恒定律 實驗裝置如圖10所示，所需實驗器材有鐵架臺（帶鐵夾）、打點計時器、重物（帶紙帶夾子）、紙帶數(shù)條、毫米刻度尺、學(xué)生電源等。按圖示裝置，將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上并與學(xué)生電源（電壓不超過10 V）連接好；把紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶，使重物?？吭诖螯c計時器附近；然后接通電源，待打點計時器打點穩(wěn)定后再松開紙帶，讓

10、重物自由落下，打點計時器在紙帶上打下一系列的點；取下紙帶，換上新的紙帶重打幾條（條）紙帶.從幾條打下點的紙帶中挑選第一、二兩點間距離接近2mm、點跡清晰且打點呈一條直線的紙帶進(jìn)行測量，先記下第一個點的位置，再用刻度尺測出其余各計數(shù)點到第一個點間的距離、，再利用公式計算出各點對應(yīng)的瞬時速度、；計算打各點時重力勢能的減少量和動能的增加量是否相等。實驗方案二：利用單擺探究機(jī)械能守恒定律圖11實驗裝置如圖11（a）所示，讓一個擺球由靜止開始從A位置擺到B位置，若不考慮空氣阻力，小球的機(jī)械能應(yīng)該守恒，即mv2 = mgh直接測量擺球到達(dá)B點的速度v比較困難現(xiàn)讓小球在B點處脫離懸線做平拋運動，利用平拋的特

11、性來間接地測出v如圖11（a）中，懸點正下方P點處放有水平放置熾熱的電熱絲，當(dāng)懸線擺至電熱絲處時能輕易被燒斷，小球由于慣性向前飛出作平拋運動在地面上放上白紙，上面覆蓋著復(fù)寫紙，當(dāng)小球落在復(fù)寫紙上時，會在下面白紙上留下痕跡用重錘線確定出A、B點的投影點N、M重復(fù)實驗10次（小球每一次都從同一點由靜止釋放），球的落點痕跡如圖11（b）所示，圖中米尺水平放置，零刻度線與M點對齊用米尺量出AN的高度h1、BM的高度h2，A、B兩點的豎直距離，再量出M、C之間的距離s，即可驗證機(jī)械能守恒定律實驗方案三：利用氣墊導(dǎo)軌探究機(jī)械能守恒定律 例 （2010年海南卷）利用氣墊導(dǎo)軌驗證機(jī)械能守恒定律，實驗裝置示意圖

12、如圖1所示： 解析：由于擋光條寬度很小，因此將擋光條通過光電門時的平均速度當(dāng)作瞬時速度。（1）9.30； 60.00(答案在59.9660.04之間的，也給分)（2），；，；mgs （3）Ek2-Ek1三、實驗要點講解一、明確實驗裝置的正確選擇例1 “驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗可以采用如圖1甲或乙方案來進(jìn)行。（1）比較這兩種方案， （填“甲”或“乙”）方案好些，理由是： 。（2）如圖2是該實驗中得到的一條紙帶，測得每兩個計數(shù)點間的距離如圖中所示,已知每兩個計數(shù)點間的時間間隔T = 0.1s。物體運動的加速度a = ；該紙帶是采用 （填“甲”或“乙”）實驗方案得到的。簡要寫出判斷依據(jù) 。二、明確

13、實驗的正確操作步驟圖3例2 某同學(xué)用如圖3所示的裝置來探究機(jī)械能守恒定律，他進(jìn)行了以下的實驗步驟：a用天平稱出鉤碼的質(zhì)量；b把電磁打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線將打點計時器接在低壓交流電源上；c將連有重物的紙帶穿過打點計時器的限位孔，提穩(wěn)紙帶并使手拿住紙帶的那端靠近打點計時器；d釋放紙帶，然后接通電源開關(guān)，打出一條紙帶；e更換紙帶，重復(fù)b、c步驟，選出點跡清晰符合要求的紙帶；f用公式求出速度，驗證機(jī)械能是否守恒. 在以上的操作中，你認(rèn)為存在錯誤的步驟是 （只填步驟前序號）.解析：錯誤的步驟有：步驟a，有本實驗的原理m(vN+M2-vN2)/2=mg(hN-hN+M)，可知本實驗不用測量重錘的

14、質(zhì)量；步驟c，在確定紙帶的位置時應(yīng)將與重錘相連接的一端靠近打點計時器，這樣紙帶可以充分記錄重錘下落的運動狀態(tài)；步驟d，在實驗操作時應(yīng)該先接通電源后釋放紙帶；步驟e，不能再按以上錯誤的步驟重復(fù)實驗；步驟f，在本實驗中計算某一點的瞬時速度時不能用公式求出速度，因為實驗中有阻力，因此紙帶的下落不是自由落體運動。三、明確紙帶的選取、數(shù)據(jù)的處理、實驗誤差的簡單分析例3 某同學(xué)用如上題圖3所示的裝置來探究機(jī)械能守恒定律：圖4圖5解析：應(yīng)選甲紙帶，重物在下落過程中若先接通打點計時器，則第一個打點與第二個打點之間的距離是：，若先釋放紙帶則第一個打點與第二個打點之間的距離應(yīng)大于1.96mm，若接通電源后在釋放紙

15、帶的過程中受還拉著紙帶，則第一個打點與第二個打點之間的距離應(yīng)小于1.96mm， 重物由O點運動到C點，重力勢能的減少量為：重物在通過C點時的速度為：重物由O點運動到C點動能的增加量為：.由以上計算可看出重物由O點運動到C點，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因有：由于空氣的阻力；紙帶與打點計時器之間有摩擦。紙帶下落的加速度為：，根據(jù)牛頓第二定律有：ma=mg-F，由以上兩式可解得：F.針對練習(xí)1 （2010年全國卷2）利用圖中所示的裝置可以研究自由落體運動。實驗中需要調(diào)整好儀器，接通打點計時器的電源，松開紙帶，使重物下落。打點計時器會在紙帶上打出一系列的小點。（1）為了測試中午下落的加速度，

16、還需要的實驗器材有 。（填入選項前的字母）A.天平 B.秒表 C.米尺（2）若實驗中所得到的重物下落的加速度值小于當(dāng)?shù)氐闹匚锛铀俣戎?，而實驗操作與數(shù)據(jù)處理均無錯誤，寫出一個你認(rèn)為可能引起此錯誤差的原因： 。針對練習(xí)2 （2010年新課標(biāo)卷）如圖為驗證機(jī)械能守恒定律的實驗裝置示意圖.現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平.回答下列問題 (1)為完成此實驗，除了所給的器材，還需要的器材有_.(填入正確選項前的字母) A.米尺 B.秒表 C.012V的直流電源 D.012V的交流電源(2)實驗中誤差產(chǎn)生的原因有_.(寫出兩個原因)【參考答案：1.（1）C；（2）打點計

17、時器與紙帶之間存在摩擦。2.（1）AD（2）紙帶與打點計時器之間有摩擦，用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差，計算勢能變化時，選取始末兩點距離過近，交流電頻率不穩(wěn)定。3.D】四、圖象法處理數(shù)據(jù)1.v2h圖象例1 某同學(xué)在探究“驗證機(jī)械能守恒定律”時按圖1所示安裝好實驗裝置，正確進(jìn)行實驗操作，從打出的紙帶中選出符合要求的紙帶，如圖2所示。圖中O點為打點起始點，且速度為零。圖3圖1圖2解析：（1）重錘重力勢能的減少量Ep= mgh2，動能的增加量Ek=（2）當(dāng)物體自由下落時，只有重力做功，物體的重力勢能和動能互相轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒。（3）由可知圖象的斜率表示重力加速度g的2倍，為求直線的斜率，可在直

18、線取兩個距離較遠(yuǎn)的點，如(25.410-2，5.0）、（35.510-2，7.0)，則：2.hv2圖象圖4例2 幾位同學(xué)用圖1的裝置來“探究機(jī)械能守恒定律”，他們按正確的實驗步驟操作，得到一條點跡比較清晰的紙帶，如圖4所示，舍去開始密集的點跡，從便于測量的點開始，每個打點間隔取一個計數(shù)點，如圖中的0、1、2、6點所示，測出各相鄰兩計數(shù)點間的距離，分別記為s1、s2、s6，為了得到較為準(zhǔn)確的得到實驗結(jié)論，他們采用了下列方案：（1）以v2為橫坐標(biāo)、h為縱坐標(biāo)，作出了v2h圖線，該圖象說明了： 。（2）由該圖象可求得重力加速度g= 。針對練習(xí) （天津卷）如圖6所示，將打點計時器固定在鐵架臺上，使重物

19、帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置可以測定重力加速度。圖6（1）所需器材有打點計時器（帶導(dǎo)線）、紙帶、復(fù)寫紙、帶鐵夾的鐵架臺和帶夾子的重物，此外還需 （填字母代號）中的器材。A直流電源、天平及砝碼 B直流電源、毫米刻度尺C交流電源、天平及砝碼 D交流電源、毫米刻度尺（2）通過作圖象的方法可以剔除偶然誤差較大的數(shù)據(jù)，提高實驗的準(zhǔn)確程度。為使圖線的斜率等于重力加速度，除作v-t圖象外，還可作 圖象，其縱軸表示的是 ，橫軸表示的是 。3.s2h圖象例3 某同學(xué)利用圖7的實驗裝置驗證機(jī)械能守恒定律?；⌒诬壍滥┒怂剑x地面的高度為H，將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放，鋼球的落點距軌道末端的水平距

20、離為s。圖7若軌道完全光滑，s2與h的理論關(guān)系應(yīng)滿足s2=_（用H、h表示）。該同學(xué)經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)，如下表所示：h（10-1 m）2.003.004.005.006.00s2（10-1 m2）2.623.895.206.537.78 請在圖8的坐標(biāo)紙上作出s2-h關(guān)系圖。小球于軌道的摩擦及空氣阻力可忽略不記，根據(jù)所做的圖象可得出的實驗結(jié)論是： 。圖8解析：（1）小球從斜面下滑時只有重力做功，由機(jī)械能守恒得：mgh=mv2/2從水平桌面飛出來時做平拋運動：水平方向有：s=vt；豎直方向有：。由以上三式可得：s2=4Hh（2）根據(jù)表中的數(shù)據(jù)描點所做的圖象如圖8所示。（3）由上面的推導(dǎo)可知該

21、圖象是在機(jī)械能守恒的條件才下，才有s2h，該圖象做出來為一條直線，因此根據(jù)圖象可知：小球在下落的過程中機(jī)械能是守恒的。圖94.s2cos圖象例4 物理興趣小組的同學(xué)用圖9的實驗裝置來探究機(jī)械能受恒定律，在懸點O正下方有水平放置的熾熱的電熱絲P，當(dāng)懸線擺至電熱絲處時能輕易被燒斷；MN為水平木板，已知懸線長為L，懸點到木板的距離ODh（hL）。（1）電熱絲P必須放在懸點正下方的理由是：_。圖10（2）將小球向左拉起后自由釋放，最后小球落到木板上的C點，DCs，則小球做平拋運動的初速度為v0_。（3）在其他條件不變的情況下，若改變釋放小球時懸線與豎直方向的夾角q，小球落點與D點的水平距離s將隨之改變

22、，經(jīng)多次實驗，以s2為縱坐標(biāo)、cosq為橫坐標(biāo)，得到如圖10所示圖像。該圖象說明了什么？五、實驗的創(chuàng)新與拓展（1）實驗主要步驟如下：測量_和拉力傳感器的總質(zhì)量M1;把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上另一端通過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路；將小車停在C點，_，小車在細(xì)線拉動下運動，記錄細(xì)線拉力及小車通過A、B時的速度。次數(shù)M/kg|v22v21| /(m/s)2E/JF/NW/J10.5000.7600.1900.400.20020.5001.650.4130.840.42030.5002.40E31.22W341.0002.401.202.421.2151.0002.841.422.861.43在小車中增加砝碼，或_，重復(fù)的操作。（2）右表是他們測得的一組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量m之和，|v22v21| 是兩個速度傳感器記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算出動能變化量E，F(xiàn)是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所作的功。表格中E3=_，W3=_.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字) （3）根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)，請在圖2中的方格紙上作出E-W圖線。解析：（1）以小車、砝碼和拉力傳感器為系統(tǒng)，本實驗中將鉤碼的重力來替代系統(tǒng)所受到的拉力，拉力做的功轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動能，系統(tǒng)在某一時刻的速度可通過紙帶計算出來，要求系統(tǒng)的動能還要測出系統(tǒng)的質(zhì)量。圖2根據(jù)實驗步驟，將小車停在C