物理實(shí)驗(yàn)力學(xué)探究類(lèi)實(shí)驗(yàn)

力學(xué)探究類(lèi)實(shí)驗(yàn)編審教師：高級(jí)教師白英彬本專(zhuān)題主要講述高考中常見(jiàn)的三類(lèi)探究類(lèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系、探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系、探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。對(duì)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的考查往往涉及四個(gè)方面的內(nèi)容：（1）掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作方法；（2）能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；（3）分析和判斷引起實(shí)驗(yàn)誤差的因素，并提出減小誤差的方法；（4）能對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行遷移與拓展，設(shè)計(jì)新的探究實(shí)驗(yàn)。常規(guī)考點(diǎn)有：刻度尺的讀數(shù)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用，根據(jù)紙帶求瞬時(shí)速度或加速度，作圖法處理數(shù)據(jù)，光電門(mén)的應(yīng)用等。探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系（2022?湖南歷年真題）小圓同學(xué)用橡皮筋、同種一元硬幣、刻度尺、塑料袋、支架等，設(shè)計(jì)了如圖（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量冰墩墩玩具的質(zhì)量。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）查找資料，得知每枚硬幣的質(zhì)量為6.05g；（2）將硬幣以5枚為一組逐次加入塑料袋，測(cè)量每次穩(wěn)定后橡皮筋的長(zhǎng)度l，記錄數(shù)據(jù)如下表：序號(hào)12345硬幣數(shù)量n/枚510152025長(zhǎng)度l/cm（3）根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖（b）上描點(diǎn)，繪制圖線；（4）取出全部硬幣，把冰墩墩玩具放入塑料袋中，穩(wěn)定后橡皮筋長(zhǎng)度的示數(shù)如圖（c）所示，此時(shí)橡皮筋的長(zhǎng)度為_(kāi)_______cm；（5）由上述數(shù)據(jù)計(jì)算得冰墩墩玩具的質(zhì)量為_(kāi)_______g（計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字）。關(guān)鍵信息：硬幣數(shù)量n與橡皮筋的長(zhǎng)度l（考查描點(diǎn)作圖法）→線性關(guān)系冰墩墩玩具對(duì)應(yīng)的橡皮筋長(zhǎng)度（考查刻度尺讀數(shù)）→硬幣數(shù)量→冰墩墩玩具質(zhì)量解題思路：（1）作圖法處理數(shù)據(jù)時(shí)，讓盡可能多的點(diǎn)落在直線上，不在直線上的點(diǎn)盡量均勻分布在直線兩側(cè)，誤差較大的點(diǎn)舍去；（2）根據(jù)刻度尺的讀數(shù)規(guī)則得出橡皮筋的長(zhǎng)度；（3）根據(jù)圖像的特點(diǎn)結(jié)合硬幣的質(zhì)量得出冰墩墩玩具的質(zhì)量。將表中的數(shù)據(jù)描于坐標(biāo)紙上，畫(huà)出的l－n圖像如下圖所示：刻度尺的分度值為0.1cm，需要估讀到下一位，則橡皮筋的長(zhǎng)度為15.35cm；根據(jù)上述表格可知，當(dāng)橡皮筋的長(zhǎng)度為15.35cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的橫軸坐標(biāo)約為21枚，結(jié)合題目中的數(shù)據(jù)可知，冰墩墩玩具的質(zhì)量為：m＝21×≈127g。答案：（3）如上圖所示；（4）15.35；（5）127（2022?南通一模）某同學(xué)用圖a裝置探究?jī)筛嗤瑥椈杉?、乙串?lián)后總的勁度系數(shù)與彈簧甲勁度系數(shù)的關(guān)系。他先測(cè)出不掛鉤碼時(shí)彈簧甲的長(zhǎng)度和兩彈簧的總長(zhǎng)度，再將鉤碼逐個(gè)掛在彈簧的下端，記錄數(shù)據(jù)填在下面的表格中。序號(hào)123456鉤碼重力F/N彈簧甲的長(zhǎng)度L1/cm兩彈簧總長(zhǎng)度L2/cm（1）關(guān)于本實(shí)驗(yàn)操作，下列說(shuō)法正確的是_______。A．懸掛鉤碼后立即讀數(shù)B．鉤碼的數(shù)量可以任意增減C．安裝刻度尺時(shí)，必須使刻度尺保持豎直狀態(tài)（2）已作出鉤碼重力F與彈簧總長(zhǎng)度L2的關(guān)系圖像，如圖b中實(shí)線所示，由圖像可知兩根彈簧串聯(lián)后總的勁度系數(shù)k為_(kāi)______N/cm。（3）在圖b的坐標(biāo)紙上描點(diǎn)作出鉤碼重力F與彈簧甲的長(zhǎng)度L1的關(guān)系圖像。（4）根據(jù)F－L1圖像可求出一根彈簧的度系數(shù)k′，k和k′的定量關(guān)系為_(kāi)______。（5）本實(shí)驗(yàn)中，彈簧的自重對(duì)所測(cè)得的勁度系數(shù)_______（選填“有”或“無(wú)”）影響。（1）A．懸掛鉤碼后應(yīng)等示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)，故A錯(cuò)誤；B．因?yàn)樗鶔煦^碼重力不能超過(guò)彈性限度，即鉤碼的數(shù)量不可以任意增減，故B錯(cuò)誤；C．安裝刻度尺時(shí)，必須使刻度尺保持豎直狀態(tài)，故C正確。故選：C。（2）因?yàn)镕－L圖像的斜率為勁度系數(shù)，故k＝＝（3）圖像如圖所示（4）根據(jù)圖像F－L1可求出一根彈簧的勁度系數(shù)k故k和k′的定量關(guān)系k′＝2k（5）因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中，用圖像斜率求得彈簧勁度系數(shù)，故彈簧的自重對(duì)所測(cè)得的勁度系數(shù)無(wú)影響。答案：（1）C；（2）1.00；（3）見(jiàn)解析；（4）k′＝2k；（5）無(wú)。1．處理數(shù)據(jù)應(yīng)注意的問(wèn)題（1）讀數(shù)時(shí)，注意儀器精確度和有效數(shù)字位數(shù)。（2）計(jì)算時(shí)，注意單位換算。（3）建坐標(biāo)系時(shí)，注意兩軸單位長(zhǎng)度要適當(dāng)。（4）描線時(shí)，注意作出直線，不能是折線（有些情況需順勢(shì)平滑擬合各點(diǎn)）。2．分析誤差（1）系統(tǒng)誤差：主要是彈簧自身重力的影響，使得彈簧不加外力就有形變量，造成F－x圖線不過(guò)原點(diǎn)。（2）偶然誤差：彈簧長(zhǎng)度的測(cè)量造成偶然誤差。3．處理數(shù)據(jù)的常用方法有列表法、圖像法、函數(shù)法，其中用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以減小偶然誤差，是物理實(shí)驗(yàn)中常用的方法之一，應(yīng)用圖像法處理問(wèn)題時(shí)注意：（1）連線時(shí)使盡可能多的點(diǎn)在所連的直線上，不在直線上的點(diǎn)要盡量分布在直線的兩側(cè)，且到直線的距離大致相等；（2）圖線斜率是縱軸物理量的變化量與橫軸物理量的變化量的比值；（3）要靈活應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)，通過(guò)數(shù)形結(jié)合理解圖線斜率和截距的物理意義。探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系（2022?運(yùn)城模擬）某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖甲所示的裝置“探究加速度與合外力之間的關(guān)系”，進(jìn)行了如下操作。①把帶定滑輪的長(zhǎng)木板放置在水平桌面上，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔固定在小車(chē)后端，調(diào)整定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行。接通電源，釋放小車(chē)，在沙桶中慢慢加入沙子，直到輕推小車(chē)在紙帶上打出一系列間隔相等的點(diǎn)；②在沙桶中放入砝碼，接通電源、釋放小車(chē)，用紙帶記錄小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況，并在紙帶上標(biāo)出沙桶中砝碼的質(zhì)量m，通過(guò)處理紙帶計(jì)算出小車(chē)的加速度a；③改變放入沙桶中砝碼的質(zhì)量m，重復(fù)步驟②，得到多組m與小車(chē)對(duì)應(yīng)的加速度a；④以砝碼的重力mg為橫坐標(biāo)，a為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作出a－mg關(guān)系圖線。（1）如圖乙所示為某次實(shí)驗(yàn)得到的一條紙帶，在紙帶上連續(xù)選取五個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作的頻率為50Hz，則小車(chē)的加速度大小為_(kāi)______m/s2（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）。（2）根據(jù)上述操作，理論分析可知砝碼的重力mg與小車(chē)受到的合外力F的大小關(guān)系為mg_______（填“大于”“等于”或“小于”）F。（3）該實(shí)驗(yàn)小組作出的a－mg關(guān)系圖線（如圖丙），你認(rèn)為最合理的是_______（填正確答案標(biāo)號(hào)）。關(guān)鍵信息：根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)求加速度→逐差法（注意各個(gè)量的含義）結(jié)果保留三位有效數(shù)字→有效數(shù)字的位數(shù)怎么數(shù)？砝碼重力mg與小車(chē)受到合外力F的關(guān)系→利用整體法或隔離法列牛頓第二定律關(guān)系式解題思路：（1）根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)位移之差Δx＝aT2求解加速度即可；（2）對(duì)小車(chē)和沙桶、沙子、及砝碼整體，受力分析列牛頓第二定律表達(dá)式求解加速度，對(duì)小車(chē)由牛頓第二定律求解合外力；（3）結(jié)合（2）中推理出的加速度表達(dá)式判斷圖像的特點(diǎn)。（1）相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)，則相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén)根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)位移之差Δx＝aT2得：a＝＝＝×m/s22（2）設(shè)平衡摩擦力時(shí)，沙子和沙桶的總質(zhì)量為m0，對(duì)小車(chē)和沙桶、沙子、及砝碼整體，由牛頓第二定律的：mg＝(M＋m＋m0)a解得：a＝則小車(chē)所受的合外力F＝Ma＝mg＜mg（3由加速度a＝可知，a－mg圖像的斜率會(huì)隨m的增大而減小，應(yīng)為一條過(guò)原點(diǎn)的切線斜率逐漸減小的曲線，故C正確，ABD錯(cuò)誤；故選：C。答案：（1）2.50；（2）大于；（3）C。（2022?秦皇島三模）某同學(xué)欲利用如圖1所示的裝置探究質(zhì)量一定時(shí)，加速度與合力的關(guān)系，其中A為滑塊，B為電火花計(jì)時(shí)器，C為力傳感器（可以測(cè)量細(xì)繩的拉力大小），D為一端帶有定滑輪的氣墊導(dǎo)軌，E為小桶，小桶系在輕小動(dòng)滑輪的下端，可裝砂，動(dòng)滑輪兩側(cè)的細(xì)繩豎直。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：①正確安裝好實(shí)驗(yàn)器材，氣墊導(dǎo)軌正常工作，接通電火花計(jì)時(shí)器的電源后由靜止釋放滑塊，滑塊向右運(yùn)動(dòng)，讀出力傳感器的示數(shù)，取下紙帶，計(jì)算出滑塊的加速度大??；②增加小桶中砂的質(zhì)量，重復(fù)步驟①，獲得多組力傳感器的示數(shù)F和滑塊的加速度大小a的數(shù)據(jù)，以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)，用描點(diǎn)法畫(huà)出a－F圖像。（1）在步驟①中，關(guān)于氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)，下列做法正確的是_______。（填正確答案標(biāo)號(hào)）A．氣墊導(dǎo)軌調(diào)成水平B．氣墊導(dǎo)軌左端墊高，以平衡摩擦力C．氣墊導(dǎo)軌右端墊高，以平衡摩擦力（2）在步驟②中，增減小桶中砂的質(zhì)量時(shí)，小桶與砂的總質(zhì)量_______（填“一定遠(yuǎn)小于”、“一定等于”或“可能大于”）滑塊的質(zhì)量。（3）按正確操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，下列a－F圖像（如圖2）可能正確的是_______。（4）將滑塊從圖示位置由靜止釋放，在滑塊向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，小桶的加速度大小a1與滑塊的加速度大小a2間的關(guān)系為a1＝_______。（1）氣墊導(dǎo)軌正常工作后，滑塊不受滑動(dòng)摩擦力，不需要平衡摩擦力；為使力傳感器的示數(shù)為滑塊受到的合力大小，應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)成水平，故A正確，BC錯(cuò)誤；故選：A。（2）由于細(xì)繩的拉力大小是通過(guò)力傳感器測(cè)得的，力傳感器的示數(shù)F為滑塊受到的合力大小，增減小桶中砂的質(zhì)量，可以改變滑塊的加速度大小，因此小桶與砂的總質(zhì)量可能大于、小于或等于滑塊的質(zhì)量。（3）按正確操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明氣墊導(dǎo)軌已調(diào)成水平，則a與F成正比，選項(xiàng)B正確。（4）在小桶下降h的過(guò)程中，滑塊向右移動(dòng)2h，結(jié)合x(chóng)＝可得：a1＝。答案：（1）A；（2）可能大于；（3）B；（4）1．當(dāng)忘記平衡摩擦力或平衡摩擦力不足時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)圖甲的情況；當(dāng)平衡摩擦力時(shí)，木板傾角過(guò)大，即平衡摩擦力過(guò)度時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)圖乙的情況。2．實(shí)驗(yàn)中要求小車(chē)的質(zhì)量M和小盤(pán)及砝碼的總質(zhì)量m滿(mǎn)足M?m的條件，一般M是m的幾十倍，并且M比m大得越多誤差越小。若繩子的拉力可以通過(guò)傳感器測(cè)出，則不需要滿(mǎn)足此條件。若該實(shí)驗(yàn)條件不滿(mǎn)足，可能會(huì)出現(xiàn)圖丙、丁所示的情況。圖丙中，因?yàn)镕＝mg，當(dāng)m增大到不滿(mǎn)足M?m時(shí)，實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)較大誤差，圖像發(fā)生彎曲；圖丁中，逐漸增大，M逐漸減小，當(dāng)M減小到不滿(mǎn)足M?m時(shí)，實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)較大誤差，圖像會(huì)發(fā)生彎曲。3．在研究不同的實(shí)驗(yàn)裝置問(wèn)題時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況列牛頓第二定律方程，理解各物理量的物理意義，尋求符合問(wèn)題需要的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)（2022?浙江歷年真題）在“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)中，以小鋼球離開(kāi)軌道末端時(shí)球心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立水平與豎直坐標(biāo)軸。讓小球從斜槽上離水平桌面高為h處?kù)o止釋放，使其水平拋出，通過(guò)多次描點(diǎn)可繪出小球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)球心的軌跡，如圖所示。在軌跡上取一點(diǎn)A，讀取其坐標(biāo)（x0，y0）。（1）下列說(shuō)法正確的是_______。A．實(shí)驗(yàn)所用斜槽應(yīng)盡量光滑B．畫(huà)軌跡時(shí)應(yīng)把所有描出的點(diǎn)用平滑的曲線連接起來(lái)C．求平拋運(yùn)動(dòng)初速度時(shí)應(yīng)讀取軌跡上離原點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)的數(shù)據(jù)（2）根據(jù)題目所給信息，小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度大小v0＝_______。'A． B． C． D．（3）在本實(shí)驗(yàn)中要求小球多次從斜槽上同一位置由靜止釋放的理由是_______。關(guān)鍵信息：以小鋼球離開(kāi)軌道末端時(shí)球心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O→O點(diǎn)為平拋運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)A點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）→x0為水平位移，y0為豎直位移，應(yīng)用平拋規(guī)律求初速度v0多次描點(diǎn)繪制小球球心的軌跡→每次小球拋出的軌跡需相同，確定從同一位置靜止釋放小球的原因。解題思路：明確該實(shí)驗(yàn)的原理，清楚實(shí)驗(yàn)操作的步驟，為使小球到達(dá)斜槽末端時(shí)速度相等且軌跡相同，小球應(yīng)從斜槽的同一位置由靜止釋放，初速度的大小可根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行求解。（1）A、只要小球從斜槽同一位置由靜止釋放，小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度就相同，實(shí)驗(yàn)所用斜槽不必光滑，故A錯(cuò)誤；B、畫(huà)軌跡時(shí)應(yīng)把盡可能多的描出的點(diǎn)用平滑的曲線連接起來(lái)，故B錯(cuò)誤；C、為減小實(shí)驗(yàn)誤差，求平拋運(yùn)動(dòng)初速度時(shí)應(yīng)讀取軌跡上離原點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)的數(shù)據(jù)，故C正確。故選：C。（2）小球做平拋運(yùn)動(dòng)，設(shè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，水平方向x0＝v0t豎直方向y0＝解得：v0＝，故ABC錯(cuò)誤，D正確。故選：D。（3）實(shí)驗(yàn)中要求小球多次從斜槽上同一位置由靜止釋放的理由是小球到達(dá)斜槽末端時(shí)的速度相同，確保多次運(yùn)動(dòng)的軌跡相同。答案：（1）C；（2）D；（3）小球到達(dá)斜槽末端時(shí)的速度相同，確保多次運(yùn)動(dòng)的軌跡相同。（2021?全國(guó)乙卷）某同學(xué)利用圖（a）所示裝置研究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)時(shí)該同學(xué)使用頻閃儀和照相機(jī)對(duì)做平拋運(yùn)動(dòng)的小球進(jìn)行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖（b）所示（圖中未包括小球剛離開(kāi)軌道的影像）。圖中的背景是放在豎直平面內(nèi)的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個(gè)方格的邊長(zhǎng)為5cm。該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的小球影像的高度差已經(jīng)在圖（b）中標(biāo)出。完成下列填空：（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）（1）小球運(yùn)動(dòng)到圖（b）中位置A時(shí)，其速度的水平分量大小為_(kāi)______m/s；豎直分量大小為_(kāi)______m/s；（2）根據(jù)圖（b）中數(shù)據(jù)可得，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮開(kāi)______m/s2。（1）小球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由圖可知Δx＝5cm＝0.05m，則水平分速度vx＝，代入數(shù)據(jù)得vx＝1.0m/s，豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)，可