專題08力學實驗探究（原卷版）

專題08力學實驗探究【解題技巧】一、研究物理量影響因素類滑動摩擦力、壓強、液體的壓強、動能、重力勢能等影響因素二、研究物理原理類彈簧測力計的原理、杠桿的原理、阿基米德原理、二力平衡原理三、測量物理量類測物體密度、測大氣壓的值、測杠桿、滑輪組和斜面的機械效率、測功率四、誤差分析1、測量誤差主要分為兩大類：系統(tǒng)誤差、隨機誤差（1）系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因：①測量儀器靈敏度和分辨能力較低；②實驗原理和方法不完善等。（2）隨機誤差產(chǎn)生的原因：①環(huán)境因素的影響；②實驗者自身條件等。2、減小誤差的方法（1）選用精密的測量儀器；（2）完善實驗原理和方法；（3）多次測量取平均值?！纠}精析】一．阻力對物體運動影響的探究實驗1．在研究牛頓第一定律的實驗中，同學們已經(jīng)知道滑塊在水平面上滑行的距離與它剛滑到水平面上時的速度v0有關(guān)，與水平面的粗糙程度有關(guān)，有些同學還認為與滑塊的質(zhì)量有關(guān)。下面是甲、乙、丙三位同學在探究“滑塊在水平面上滑行的距離與滑塊質(zhì)量是否有關(guān)”課題時所設(shè)計的實驗步驟，請你也參與進來。他們選擇的器材有：質(zhì)量相同、粗糙程度不同的木塊、鐵塊、銅塊、鋁塊各一個，斜面，木板，鉤碼若干。（1）實驗中應控制不變。（2）甲、乙、丙三位同學設(shè)計的實驗步驟分別如下，你認為符合本課題探究要求的是同學的（填選項前的編號）。甲：讓木塊從斜面的頂端由靜止滑下后沿水平木板滑行，觀察并記錄木塊在水平木板上滑行的距離和木塊的質(zhì)量；分別在木塊上放上數(shù)量不等的鉤碼，先后讓其從同一斜面的頂端由靜止滑下后沿同一水平木板滑行，觀察并記錄每次木塊在水平木板上滑行的距離和木塊及其上鉤碼的質(zhì)量。乙：先后讓木塊從同一斜面的不同高度處由靜止滑下后沿同一水平木板滑行，觀察并記錄每次木塊在水平木板上滑行的距離和木塊的質(zhì)量。丙：先后讓木塊、鐵塊、銅塊、鋁塊從同一斜面的頂端由靜止滑下后沿水平木板滑行，觀察并記錄它們分別在同一水平木板上滑行的距離和它們的質(zhì)量。（3）下表是按符合本探究課題要求的實驗步驟操作后得到的實驗數(shù)據(jù)，從中得出的結(jié)論是：?；瑝K質(zhì)量/g200250300350在水平木板上滑行的距離/m0.6510.6510.6510.651（4）如右圖所示，讓小球從A點靜止釋放，運動到C點時，若一切外力消失，則小球會沿哪條路線繼續(xù)運動，并寫出你判斷的依據(jù)。。二．探究摩擦力的大小與什么因素有關(guān)的實驗2．在學過摩擦力知識后，小明想探究：摩擦力大小是否與壓力、重力都有關(guān)系？他利用如圖所示的裝置進行探究實驗。實驗步驟如下：①把金屬盒放在質(zhì)量不計的白紙上，讀出臺式測力計示數(shù)；拉動白紙的過程中，讀出彈簧測力計的示數(shù)。②將質(zhì)量不計的氫氣球系在金屬盒上，讀出臺式測力計示數(shù)；拉動白紙的過程中，讀出彈簧測力計的示數(shù)。③再往金屬盒注入適量的沙子，使臺式測力計示數(shù)與步驟①中的示數(shù)相等，拉動白紙的過程中，讀出彈簧測力計的示數(shù)。實驗相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：實驗序號臺式測力計示數(shù)F1/N金屬盒總重力G/N彈簧測力計示數(shù)F2/N①4.84.81.8②3.21.2③4.86.41.8（1）此實驗是根據(jù)原理測出摩擦力大小的，實驗過程中金屬盒受到的摩擦力的方向是。（2）與直接用彈簧測力計拉動金屬盒測量摩擦力相比，拉動白紙進行實驗具有容易操作的優(yōu)點，具體體現(xiàn)在：（寫出一條即可）（3）請你補齊上表中空格處的數(shù)據(jù)，其值為N。（4）實驗中是通過改變金屬盒總重力的。（5）比較實驗步驟（填序號）的數(shù)據(jù)，說明摩擦力大小與重力無關(guān)。3．在學習影響滑動摩擦力大小的因素后，小柯還是認為：重力越大，滑動摩擦力越大。于是張老師用如圖裝置與他一起實驗。步驟一：將鐵塊放在木板上，往砂桶中加入一定量細沙，使壓力傳感器的示數(shù)為5.00牛，水平向左拉動木板，讀出拉力傳感器的示數(shù)并記錄。步驟二：換用質(zhì)量不同、粗糙程度和底面積都相同的鐵塊，重復步驟一，記錄結(jié)果如下表：實驗次數(shù)質(zhì)量不同的鐵塊壓力傳感器示數(shù)（牛）拉力傳感器示數(shù)（牛）1小5.002.102中5.002.113大5.002.11請回答下列問題：（1）第1次實驗中鐵塊受到的摩擦力為牛；（2）實驗中能否用鉤碼代替細沙？并說明理由；（3）通過實驗得出的結(jié)論是；（4）小柯認為：該實驗中壓力傳感器的上表面要盡量光滑，否則會使拉力傳感器的讀數(shù)偏大，你認為他的說法是否合理，為什么？。三．杠桿的平衡條件4．小明利用一根木筷、物體M、托盤和燒杯自制簡易密度秤，主要制作步驟如下：①如圖所示，將燒杯放入A端的托盤中，改變物體M懸掛點的位置至B，使木筷在水平位置靜止；②在A端的燒杯內(nèi)注入體積為V0的水，改變物體M懸掛點的位置至C，使木筷在水平位置再次靜止，在C點標注水的密度值為1.0g/cm3；③在A端的燒杯內(nèi)注入體積為V0的其它液體，重復步驟②，在密度秤上標注刻度。（1）從制作的步驟上分析，小明制作密度秤的原理是；（2）B點所標密度值為；要在該密度秤上標出密度為0.5g/cm3的刻度線，則所標刻度線（選填“在”或“不在”）BC的中間位置；（3）小明發(fā)現(xiàn)他所制成的密度秤相鄰兩刻度線之間的距離太小，導致用此密度秤測量液體密度時誤差較大。為此同學們提出了如下改進方案，其中可行的是；A．增大物體M的質(zhì)量B．換長些的木筷制作密度秤C．換更輕的木筷制作密度秤D．標密度秤的刻度線時，適當增大裝入燒杯的液體的體積V0（4）小明最終所制成的密度秤，OA的長度為4cm，OB的長度為2cm，OD的長度為10cm，物體M的質(zhì)量為100g，每次測量時，在A端燒杯內(nèi)均倒入體積為100cm3的液體，則該密度秤所能測量的液體的最大密度為多少？5．王強同學設(shè)計了如圖所示的裝置進行實驗，其中杠桿OAB支點為O（杠桿OAB質(zhì)量不計），OA：OB＝1：3．他實驗的步驟如下：步驟一：用一細繩將體積為180cm3的金屬塊懸掛于A點，然后向容器中加水，使金屬塊浸沒在水中。步驟二：使杠桿OAB在水平位置靜止，讀出彈簧測力計此時的讀數(shù)為1.2N。（1）金屬塊浸沒在水中時受到的浮力為N。（2）被測金屬塊密度：ρ＝。6．小科通過創(chuàng)新“杠桿平衡條件”實驗裝置，制作了僅需一個鉤碼的天平，如圖所示，輕質(zhì)橫梁AC（質(zhì)量忽略不計）可繞軸0在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動左側(cè)為懸掛在固定位置A的置物盤，右側(cè)是鉤碼，用細線掛在右側(cè)帶刻度線的橫梁上。當置物盤內(nèi)沒有待測物體時鉤碼掛在B點，橫梁恰能水平平衡。（1）該天平的零刻度是橫梁上的點。（2）已知AO＝8cm，OB＝6cm，BC＝24cm，鉤碼的質(zhì)量是50克，則該天平所能測量的待測物體的最大質(zhì)量是克。四．固體壓強大小比較7．如圖所示，在科普節(jié)目《加油，向未來》中，有一項對抗性實驗，甲、乙兩人站在平衡板上?；喗M將平衡板提升至一定高度后。兩人在平衡板上挪動，并保持平衡板平衡。若甲的質(zhì)量大于乙的質(zhì)量，平衡板質(zhì)量分布均勻，重心在O點。（1）當平衡板在水平地面上時，甲、乙靜止站在平衡板上，甲、乙與板的接觸面積相等，則甲對平衡板的壓強（填“大于”、“小于”或“等于”）乙對平衡板的壓強。（2）甲、乙兩人豎直站在平衡板上，滑輪組將平衡板勻速提升至一定高度處，提升過程中平衡板始終保持水平平衡，在此過程中提高滑輪組的機械效率可行的是。A.增加繩和滑輪摩擦B.增加繩子的重力C.減小動滑輪的重力D.減小人和平衡板的重力（3）當甲、乙兩人豎直站立在圖中A、B位置時，平衡板在空中處于水平平衡。接著甲向左，乙向右兩人同時沿同一直線緩慢挪動相同距離時，平衡板將會。A.仍然平衡B.左側(cè)下傾C.右側(cè)下傾五．探究液體壓強的特點實驗8．某物理小組在“研究小球放入水中靜止時，水對容器底部的壓強增加量Δp水及容器對水平面的壓強增加量Δp容與哪些因素有關(guān)”的實驗中，選取了體積相同、密度不同的若干小球放入水中（水深大于小球直徑，且水不溢出），如圖所示，測出水對容器底部的壓強增加量Δp水及容器對水平面的壓強增加量Δp容，并將相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表中。實驗序號123456ρ球（×103千克/米3）0.20.60.81.01.21.4Δp水（帕）98294392490490490Δp容（帕）98294392490588686①分析實驗序號1、2、3中的數(shù)據(jù)，可知小球放入水中靜止時，小球處于（選填“漂浮”、“懸浮”或“下沉”）狀態(tài)；②分析比較表中實驗序號4與5與6中的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件可知：浸入水中體積相同的小球，當ρ球與ρ水的大小滿足關(guān)系時，Δp水與ρ球無關(guān)；③分析比較表中Δp容與ρ球的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件可知：浸入水中的小球，當小球體積相同時，；④分析比較表中實驗序號1、2、3、4中Δp水與Δp容的大小關(guān)系及相關(guān)條件可知：體積相同的小球浸入水中，。⑤若其它器材不變，換用體積相同，密度為2.0×103千克/米3小球做進一步實驗探究，由表中的實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)實驗結(jié)論，小球放入水中靜止時，水對容器底部的壓強增加量Δp水＝，容器對水平面的壓強增加量Δp容＝。9．某興趣小組用如圖所示裝置進行探究“影響液體內(nèi)部壓強的因素”實驗。已知：①a、b兩點壓強等于外界大氣壓（大氣壓保持不變）；②a點壓強等于a點上方液柱壓強與左管內(nèi)氣壓P1之和；③b點壓強等于b點上方液柱壓強與右管內(nèi)氣壓P2之和；④液體1和液體2密度不同。該小組同學先關(guān)閉K2打開K和K1，用抽氣機抽氣，進行多次實驗。再關(guān)閉K1打開K和K2，重復上述操作。具體數(shù)據(jù)記錄如表：液體種類液體1液體種類液體2實驗次數(shù)123實驗次數(shù)456液柱高度102030液柱高度102030左管內(nèi)氣體壓強（kPa）999795右管內(nèi)氣體壓強（kPa）1009998（1）通過比較第一次和第四次所測得的數(shù)據(jù)，可以研究。（2）通過比較第四、第五、第六三次測得的數(shù)據(jù)，可以得出的結(jié)論是。（3）探究液體壓強與密度關(guān)系時，為了使結(jié)論更具普遍性，該小組同學還應如何繼續(xù)實驗（請寫出實驗思路，不需寫具體步驟）。六．氣體壓強跟體積的關(guān)系10．氣體產(chǎn)生的壓強（氣壓）大小與哪些因素有關(guān)？某科學興趣小組同學了解到如下信息：①籃球充氣越多，越不易被壓扁；②自行車輪胎在烈日下暴曬易爆胎；③密封在針筒內(nèi)的空氣只能被壓縮在一定體積范圍內(nèi)。由此，他們猜想氣壓大小可能與氣體的質(zhì)量、溫度及體積有關(guān)。（1）信息（填序號）可作為“氣壓大小可能與氣體質(zhì)量有關(guān)”的猜想依據(jù)。（2）小組同學對“氣壓大小與溫度的關(guān)系”進行了探究，步驟如下：步驟一：取1m長的一端封閉的細玻璃管，在室溫（20℃）下用水銀密封一段空氣柱，將其豎直固定，并標出水銀柱下表面的位置（如圖a）；步驟二：將空氣柱浸入50℃的水中，水銀柱上升至圖b位置后靜止；步驟三：往玻璃管內(nèi)注入水銀，直到水銀柱下表面回到標記處為止，如圖c；步驟四：將空氣柱浸入80℃的水中，重復實驗。①本實驗用反映空氣柱氣壓的大?。虎诓襟E三的目的是；③比較a、c，同學們得出了氣壓大小與溫度的關(guān)系。但細心的小明發(fā)現(xiàn)，上述實驗還能得出氣壓大小與氣體體積的關(guān)系，請寫出小明的判斷依據(jù)及相應結(jié)論：。七．流體壓強與流速的關(guān)系11．如圖所示，當硬幣上氣體的流速達到一定時，硬幣就會“飛”起來。小彭很好奇，決定探究“硬幣起飛”的條件。查閱資料：在地面附近同一高度或高度差不顯著的情況下，空氣流速v與壓強p的關(guān)系可表示為12ρV2+P＝K，式中K是一個常數(shù)，ρ根據(jù)上述關(guān)系式可知：（1）空氣流速與壓強的關(guān)系為流速越（選填“大”或“小”），壓強越大；當空氣流速v為時，常數(shù)K表示該處正常大氣壓強。（2）設(shè)一個硬幣的重力為G，當需要將硬幣吹起時，硬幣上下表面受到的壓力差△F需滿足的條件是。（3）當在水平桌面上放置一個硬幣并沿箭頭所示方向吹氣，由于氣流通過硬幣上部，而硬幣下面沒有氣流通過，硬幣上下表面就會產(chǎn)生差值為12ρV2設(shè)硬幣的表面積為S，請寫出剛好將硬幣吹起時吹氣速度v的表達式（用ρ、S、m或G表示）。八．阿基米德原理的應用12．同學們在學習“阿基米德原理”這節(jié)課上，仔細觀察了老師做的如圖甲所示的演示實驗。物理興趣小組的同學們經(jīng)過討論，提出阿基米德原理的成立，是否一定要以物體全部浸入液體為前提條件，于是提出了一個新的實驗方案，并動手制作出了如圖乙所示實驗裝置，其中A、B為兩個規(guī)格相同的彈簧測力計，C為重物，D為薄塑料袋（質(zhì)量不計），E是自制的溢水杯，F(xiàn)是升降平臺（搖動手柄，可使平臺高度緩慢上升、下降），G為鐵架臺。（1）實驗中，同學們逐漸調(diào)高平臺F，使重物浸入水中的體積越來越大，觀察到彈簧測力計A的示數(shù)，彈簧測力計B的示數(shù)（選填“變大”、“變小”或“不變”），此過程說明物體所受浮力與物體排開液體的體積有關(guān)。（2）多次記錄彈簧測力計A的示數(shù)變化量FA′和彈簧測力計B的示數(shù)變化是FB′，并比較物體不同程度浸入液體時，以上兩個變化量之間的大小關(guān)系，發(fā)現(xiàn)FA′FB′（選填“＞”“＜”或“＝”），由此證明了阿基米德原理的成立（選填“需要”或“不需要”）以物體全部浸入液體為前提條件，該新實驗方案的優(yōu)點是（寫出其中一條，合理即可）。（3）若在圖乙實驗中物體C接觸水面前測力計A的示數(shù)為5N，物體C浸沒后測力計A的示數(shù)為3N，則物體的密度為kg/m3。（g取10N/kg）九．探究影響浮力大小因素的實驗13．如圖所示是小明自制的用來探究影響浮力大小因素的裝置：將彈簧和標尺固定在支架上，用細線將一個金屬塊懸掛在彈簧下端，彈簧靜止時指針正對標尺上的A位置（本裝置使用時，彈簧未超過彈性限度）。（1）向杯中緩慢注水，從金屬塊底部接觸水面，到金屬塊剛好浸沒水中的過程中，指針由標尺上的A位置緩慢上移至C位置，說明物體所受浮力的大小跟有關(guān)，此過程中支架上O點所受拉力的最大變化量為△F1；繼續(xù)向杯中注水，指針（選填“上移”、“不動”或“下移”）：當注滿水時，金屬塊底部受到的壓強為p1。（2）將水倒盡，向杯中緩慢注入某種液體（ρ液≠ρ水），當指針指在C位置時，金屬塊底部受到的壓強為p2，則p1p2（選填“＞”、“＝”或“＜”），分析推理可知：金屬塊所受浮力的大小還與有關(guān)。（3）將液體倒盡，用等體積塑料塊（ρ水＜ρ塑料＜ρ金屬）替換金屬塊進行實驗。向杯中緩慢注水，從塑料塊底部接觸水面，到塑料塊浸沒水中的過程中，支架上O點所受拉力的最大變化量為△F2，則△F1△F2（選填“＞”、“＝”或“＜”）。一十．物體的浮沉條件及其應用14．小明按照教材中“綜合實踐活動”的要求制作簡易密度計。（1）取一根粗細均勻的飲料吸管，在其下端塞入適量金屬絲并用石蠟封口。塞入金屬絲的目的是。（2）將吸管放到水中的情景如圖（a）所示，測得浸入的長度為H；放到另一液體中的情景如圖（b）所示，測得浸入的長度為h。用ρ水、ρ液分別表示水和液體的密度，則ρ水ρ液（選填“＝”、“＞”、“＜”），用F水、F液分別表示吸管在水和液體中受到的浮力，則F水F液（選填“＝”、“＞”、“＜”），此外h與ρ水、ρ液及H的關(guān)系式為h＝。（3）小明根據(jù)圖（a）在吸管上標出1.0刻度線（單位g/cm3，下同），再利用上述關(guān)系式進行計算，標出了0.8、0.9、1.1、1.2的刻度線（圖中未畫出）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1.1刻線在1.0刻線的（選填“上”、“下”）方，相鄰刻線的間距（選填“均勻”、“不均勻”）。（4）為檢驗刻度誤差，小明取來食油，先用天平和量筒測量其密度，然后再用這個密度計測量。但操作時卻出現(xiàn)了圖（c）所示的情形，這讓他很掃興。難道實驗就此終止了嗎，根據(jù)經(jīng)驗或思考，在不更換食油的情況下，你認為可以進行怎樣的嘗試：。一十一．探究影響物體動能大小的因素（共2小題）15．在做“探究動能大小與質(zhì)量關(guān)系”的實驗時，小明想：小球從相同高度滾下，若小球材質(zhì)和斜面傾角不同，到達水平位置時的速度會相同嗎？（1）圖甲是用擋板控制大小不同的兩個小球在斜面上起始位置的兩種方案，小明實驗時選擇A方案而不能選擇B方案的原因是。（2）小明選擇大鋼球、小鋼球、木球以及可調(diào)整傾角的斜面進行實驗。分別讓球從斜面同一高度由靜止開始釋放，利用測速儀測出球到達水平位置時的速度如表所示。10°20°30°40°50°60°大鋼球2.672.672.672.752.882.97小鋼球2.672.672.672.752.882.97木球2.672.672.672.672.742.89分析表中數(shù)據(jù)可知：要使球到達水平位置時的速度與球是鋼質(zhì)或木質(zhì)無關(guān)，則斜面傾角不可能是。A.15°B.25°C.35°D.45°（3）小明利用圖乙裝置做“探究動能大小與質(zhì)量關(guān)系”的實驗時，通過觀察球撞擊相同塑料軟片的數(shù)目來比較球的動能大?。▓D中未畫出固定塑料軟片的裝置）。老師指出此裝置不適合體積不同的兩個球做實驗，原因是。16．小柯利用圖甲裝置探究物體動能大小的影響因素，在光滑的水平面右端固定一個強大磁鐵，一輛綁有磁鐵的小車從光滑斜面上靜止下滑后再從水平面上向右運動，確保不與強力磁鐵碰撞。現(xiàn)從斜面頂端自由釋放小車，小車能夠距離強力磁鐵的最近位置為A點。小車在水平面上運動的距離與受到的斥力的關(guān)系如圖乙所示。請回答下列問題：（1）為探究物體質(zhì)量大小對動能的影響，小柯應該選擇下圖的裝置與圖甲進行試驗對