专题突破 专题8 第23课时 力学实验(2)——力学其他实验.docx
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1、第23课时力学实验(2)力学其他实验命题角度(1)探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系;(2)验证力的平行四边形定则;(3)探究平抛运动的特点高考题型1探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系注意事项:(1)实验中不能挂过多的钩码,防止弹簧超过弹性限度(2)画图象时,不要连成折线,而应尽量让数据点落在直线上或均匀分布在直线两侧例1(2021广东卷11)某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数,缓冲装置如图1所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30,弹簧固定在有机玻璃管底端实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,
2、待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln,数据如表所示实验过程中弹簧始终处于弹性限度内采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数图1n123456Ln/cm8.0410.0312.0514.0716.1118.09(1)利用LiLi3Li(i1,2,3)计算弹簧的压缩量:L16.03 cm,L26.08 cm,L3_ cm,压缩量的平均值_ cm;(2)上述是管中增加_个钢球时产生的弹簧平均压缩量;(3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80 m/s2,该弹簧的劲度系数为_ N/m(结果保留3位有效数字)答案(1)6.046.05(2)3(3)48.6解析(1)L3L6L3(
3、18.0912.05) cm6.04 cm压缩量的平均值为 cm6.05 cm(2)因三个L是相差3个钢球的压缩量之差,则所求平均值为管中增加3个钢球时产生的弹簧平均压缩量;(3)根据钢球的平衡条件有3mgsin k,解得k N/m48.6 N/m.例2(2021江苏常州市高三一模)某兴趣小组同学想探究橡皮圈中的张力与橡皮圈的形变量是否符合胡克定律,若符合胡克定律,则进一步测量其劲度系数(圈中张力与整圈形变量之比)他们设计了如图2甲所示实验:橡皮圈上端固定在细绳套上,结点为O,刻度尺竖直固定在一边,0刻度与结点O水平对齐,橡皮圈下端悬挂钩码,依次增加钩码的个数,分别记录所挂钩码的总质量m和对应
4、橡皮圈下端P的刻度值x,如下表所示:钩码质量m/g20406080100120P点刻度值x/cm5.535.926.306.677.027.40(1)请在图乙中,根据表中所给数据,充分利用坐标纸,作出mx图象;图2(2)作出mx图象后,同学们展开了讨论:甲同学认为:这条橡皮圈中的张力和橡皮圈的形变量基本符合胡克定律;乙同学认为:图象的斜率k即为橡皮圈的劲度系数;丙同学认为:橡皮圈中的张力并不等于所挂钩码的重力;请参与同学们的讨论,并根据图象数据确定:橡皮圈不拉伸时的总周长约为_ cm,橡皮圈的劲度系数约为_ N/m(重力加速度g取10 m/s2,结果保留三位有效数字)(3)若实验中刻度尺的0刻
5、度略高于橡皮圈上端结点O,则由实验数据得到的劲度系数将_(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”);若实验中刻度尺没有完全竖直,而读数时视线保持水平,则由实验数据得到的劲度系数将_(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)答案(1)见解析图(2)10.40(10.2010.80)54.5(3)不受影响偏小解析(1)描点作出mx图象如图所示(2)由mx图象可知,橡皮圈不拉伸时P点距离O点的距离约为5.20 cm(5.10 cm5.40 cm),则橡皮圈的总周长约为10.40 cm(10.20 cm10.80 cm)由mx图象可知,橡皮圈的劲度系数k N/m54.5 N/m(3)若实验中刻度尺的0刻度略高
6、于橡皮圈上端结点O,则由实验数据得到的劲度系数将不受影响,因为计算劲度系数时考虑的是橡皮圈的伸长量而不是长度若实验中刻度尺没有完全竖直,而读数时视线保持水平,会使读数偏大,则由实验数据得到的劲度系数将偏小高考题型2验证力的平行四边形定则本实验的依据是合力与分力的等效性,在操作时要记住“三注意”和“七记录”三注意两次O点的位置必须相同两个细绳套不要太短夹角不宜太大也不宜太小,在60100之间为宜.七记录两个弹簧测力计拉橡皮条时,记录两弹簧测力计示数、两绳方向和O点的位置(五记录)一个弹簧测力计拉橡皮条时,记录弹簧测力计示数和细绳方向(二记录)例3(2017全国卷22)某探究小组做“验证力的平行四
7、边形定则”实验,将画有坐标轴(横轴为x轴,纵轴为y轴,最小刻度表示1 mm)的纸贴在水平桌面上,如图3(a)所示将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外),另一端P位于y轴上的A点时,橡皮筋处于原长(1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O,此时拉力F的大小可由测力计读出测力计的示数如图(b)所示,F的大小为_N.(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个测力计同时拉橡皮筋,再次将P端拉至O点此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向,由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F14.2 N和F25.6 N.用5 mm长度的线段表示1 N的力,以
8、O点为作用点,在图(a)中画出力F1、F2的图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合;图3F合的大小为_N,F合与拉力F的夹角的正切值为_若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内,则该实验验证了力的平行四边形定则答案(1)4.0(2)见解析图4.00.05解析(1)由题图(b)可知,F的大小为4.0 N.(2)画出力F1、F2的图示,如图所示用刻度尺量出F合的线段长约为20 mm,所以F合大小为4.0 N,F合与拉力F的夹角的正切值为tan 0.05.高考题型3探究平抛运动的特点“探究平抛运动的特点”实验的操作关键1应保持斜槽末端的切线水平,钉有坐标纸的木板竖直,并使小
9、钢球的运动靠近坐标纸但不接触2小钢球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下,斜槽的粗糙程度对该实验没有影响在斜槽上释放小钢球的高度应适当,使小钢球以合适的水平初速度抛出3坐标原点(小钢球做平抛运动的起点)不是槽口的端点,应是小钢球在槽口时球心在坐标纸上的水平投影点例4(2021全国乙卷22)某同学利用图4(a)所示装置研究平抛运动的规律实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄,频闪仪每隔0.05 s发出一次闪光,某次拍摄后得到的照片如图(b)所示(图中未包括小球刚离开轨道的影像)图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板,纸板与小球轨迹所在平面平行,其上每个方格的边长为5 cm.
10、该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图(b)中标出图4完成下列填空:(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图(b)中位置A时,其速度的水平分量大小为_m/s,竖直分量大小为_m/s;(2)根据图(b)中数据可得,当地重力加速度的大小为_ m/s2.答案(1)1.02.0(2)9.7解析(1)小球做平抛运动,水平方向做匀速直线运动,因此速度的水平分量大小为v0 m/s1.0 m/s竖直方向做自由落体运动,根据匀变速直线运动中,中间时刻的瞬时速度等于该段位移的平均速度,因此小球在A点速度的竖直分量大小为vy cm/s2.0 m/s.(2)由竖直方向为自由落体运动可得g,代入数据可得g9.
11、7 m/s2.例5(2021山西省高三三模)某同学用如图5甲所示的实验装置测量重力加速度g的大小实验步骤如下:调节斜槽轨道末端水平,并与斜面体ABC的顶端A点衔接,然后将斜槽和斜面体固定;将光电门传感器固定在斜槽轨道末端,并调节其高度,使小球在斜槽轨道末端静止时球心与光电门上的小孔重合;先在斜面上铺一层白纸,再在白纸上铺复写纸,并将它们固定好;把小球从斜槽轨道上的某一位置由静止释放,使其脱离斜槽轨道后落到复写纸上,记录小球经过光电门的遮光时间t1,并测量小球落在斜面上的位置与A点的距离s1;不断改变小球从斜槽轨道上释放的位置,重复步骤,得到多组t和s值,并以为纵坐标,以s为横坐标,建立直角坐标
12、系,描点作图后得如图丁所示的正比例函数图象,图象的斜率为k.(1)实验过程中,该同学用图乙所示的游标卡尺测量小球的直径d,应该用游标卡尺的_(填“A”“B”或“C”)进行测量,示数如图丙所示,该小球的直径d为_ mm;图5(2)为完成该实验,还需测量的物理量有_;A小球的释放点到桌面的高度h1B斜面的高度h2C斜面的长度LD小球的质量m(3)请用k、d及第(2)问中所选物理量的符号表示重力加速度g的大小:g_.答案(1)B11.30(2)BC(3)解析(1)A用于测量内径,B用于测量外径,C用于测量深度,故选B;根据游标尺的刻度为20格,总长度比主尺短1 mm,故精度为0.05 mm,读数主尺
13、读数(单位mm)游标尺和主尺对齐的格数0.05 mm,所以读数为11.30 mm.(2)该实验通过对小球落到斜面上之前的平抛运动的研究计算重力加速度,需要知道斜面倾角或倾角的正余弦值,斜面倾角的正弦值sin 余弦值cos ,故选B、C.(3)小球在平抛运动过程中xv0t,ygt2初速度v0由几何关系得xscos ,yssin 整理得s因此斜率k得g.1小张同学为了验证力的平行四边形定则,设计如下实验,其装置图如图6甲所示实验步骤如下:(1)将3条完全相同的弹性橡皮条(满足胡克定律)的一端连接在一起形成一个结点O,先测量出橡皮条的自然长度x0;(2)在竖直平面内固定一木板,在木板上固定一张白纸,
14、用图钉将其中两条橡皮条的A、B端固定在木板上,在另一条橡皮条C端悬挂一小重锤,并确保橡皮条不超出弹性限度,且与纸面无摩擦;(3)待装置平衡后,分别测量出橡皮条OA、OB和OC的长度x1、x2、x3,并在白纸上记录_;(4)取下白纸,如图乙所示,在白纸上分别用长度(x1x0)、(x2x0)代表橡皮条OA和OB拉力的大小,作出力的图示OA和OB,并以OA和OB为两邻边作一平行四边形OACB,测量出OC长度x4,如果近似可得x4_,且OC的方向_,则实验验证了力的平行四边形定则;(5)改变A、B的位置,重复(2)到(4)的实验步骤进行多次验证图6答案(3)O、A、B三点的位置以及OC的方向(4)x3
15、x0与OC的方向相反解析(3)待装置平衡后,分别测量出橡皮条OA、OB和OC的长度x1、x2、x3,并在白纸上记录O、A、B三点的位置以及OC的方向(4)如果近似可得x4x3x0,且OC的方向与OC的方向相反,则实验验证了力的平行四边形定则2(2021广西南宁市冲刺卷)在做“研究平抛运动”的实验中,为了确定小球在不同时刻所通过的位置,实验时用如图7所示的装置实验操作的主要步骤如下:A在一块平木板上钉上复写纸和白纸,然后将其竖直立于斜槽轨道末端槽口前,木板与槽口之间有一段距离,并保持板面与轨道末端的水平面垂直;B使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下,小球撞到木板在白纸上留下痕迹A;C将木板沿水平方
16、向向右平移一段距离x,再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下,小球撞到木板在白纸上留下痕迹B;D将木板再水平向右平移同样距离x,使小球仍从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下,再在白纸上得到痕迹C,若测得A、B间距离为y1,B、C间距离为y2,已知当地的重力加速度为g.图7(1)关于该实验,下列说法中正确的是_;A斜槽轨道必须光滑且无摩擦B每次释放小球的位置可以不同C每次小球均须由静止释放D小球的初速度可通过测量小球的释放点与抛出点之间的高度差h,之后再由机械能守恒定律求出(2)根据上述直接测量的量和已知的物理量可以得到小球平抛的初速度大小的表达式为v0_;(用题中所给字母x、y1、y2、g表示)(3)小
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