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1、专题九 实验技能与创新 第1讲：力学实验与创新,学习目标,1、掌握探究弹力和弹簧伸长的关系的实验原理及数据处理 2、掌握验证力的平行四边形定则的实验原理及数据处理 3、掌握验证牛顿运动定律的实验原理及数据处理 4、学会探究动能定理实验时的定性分析和定量计算 5、掌握验证机械能守恒定律实验的数据处理和误差分析 6、力学实验的创新,难点突破,高考题型1 探究弹力和弹簧伸长的关系,实验数据的处理方法 (1)列表法：将测得的实验数据填入设计好的表格之中，可以分析两物理量间的定性关系. (2)图象法：根据记录的实验数据在平面直角坐标系内进行作图.若是曲线应平滑，若是直线要让尽量多的点过直线，或在直线两侧
2、均匀分布. (3)函数法：往往是根据图象得到物理量间的函数关系方程式.,难点突破,典例精析,【例1】如图甲为某同学用力传感器去探究弹簧的弹力和伸长量的关系的实验情景.用力传感器竖直向下拉上端固定于铁架台的轻质弹簧，读出不同拉力下的标尺刻度x及拉力大小F(从电脑中直接读出).所得数据记录在下列表格中：,难点突破,(1)从图乙读出刻度尺上的刻度值为_ cm；,【解析】由图可知，刻度尺的最小分度为0.1 cm， 故读数为63.60 cm；,【答案】63.60(63.5563.65),难点突破,(2)根据所测数据，在图丙坐标纸上作出F与x的关系图象；,【解析】根据表中数据利用描点法得出对应的图象如图所
3、示；,【答案】如图,难点突破,(3)由图象求出该弹簧的劲度系数为_N/m、弹簧的原长为_cm.(均保留三位有效数字),图象与横坐标的交点为弹簧的原长，则可知，原长为55.2 cm.,【答案】 24.85(24.8024.90) 55.2(55.055.5),【解析】由胡克定律可知，图象的斜率表示劲度系数，则可知,难点突破,1、(1)某次研究弹簧所受弹力F与弹簧长度L的关系实验时得到如图(a)所示的FL图象，由图象可知：弹簧原长L0_cm，求得弹簧的劲度系数k_N/m. (2)如图(b)所示，细绳的左端挂上钩码(已知每个钩码重G1 N)，右端固定在弹簧的右端，O处固定一块带孔的数字挡板，使(1)
4、中研究的弹簧压缩，稳定后指针指示如图(b)，则指针所指刻度尺示数为_ cm.由此可推测图(b)中所挂钩码的个数为_个.,高考预测,难点突破,【答案】 3.0 200 1.50 3,难点突破,高考题型2 验证力的平行四边形定则,1.本实验考查的重点是“力作用效果的等效性”. 2.对实验步骤中两个分力和合力的大小和方向的确定也是考查的重点.,难点突破,典例精析,【例2】如图所示，某同学在家中尝试验证力的平行四边形定则，他找到三条长度和粗细相同的橡皮筋(遵循胡克定律)，以及重物、刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子等.他设计了如下实验：将三条橡皮筋的一端系在一起，另一端分别连一个绳套.他分别向两边
5、拉住任意两个绳套，测量橡皮筋的长度是否相等.在墙上A、B两点钉两个钉子，将白纸固定在墙面上合适的位置，再将橡皮筋的两个绳套套在两钉子上，测出此时三条橡皮筋的长. 将重物挂在第三个绳套C上，测量并记录三条橡皮筋的长 度并记下结点O的位置.取下白纸，画出受力图，验证平 行四边形定则.换用不同的重物并改变A、B的位置重复实验. (1)实验步骤的目的是_；,难点突破,【解析】他分别向两边拉住任意两个绳套，测量橡皮筋的长度是否相等，目的是判断橡皮筋的劲度系数是否相同.,【答案】判断橡皮筋的劲度系数是否相同,(2)实验步骤中，有一个重要遗漏是_；,【解析】实验步骤中，有一个重要遗漏是记下拉力的方向.,(3
6、)实验步骤中_(选填“要”或“不要”)保证O点位置不变；,【解析】该实验，橡皮筋遵守胡克定律，结点O处于平衡状态，所受合力为零，通过任意两个力的合力与第三个是否等值反向验证力的平行四边形定则，不要保证O点的位置不变.,【答案】记下拉力的方向,【答案】不要,难点突破,(4)为了使实验更准确，下述做法不正确的是_. A.A、B 要一样高 B.A、B 距离要适当 C.重物质量不能太大 D.橡皮筋要与墙面平行,【解析】在该实验中，A、B 不一定要一样高，但是A、B 的距离要适当，不能太大，也不能太小，所挂重物的质量适当，不能太大，拉力的方向与墙面平行，则橡皮筋与墙面需平行，故A错误，B、C、D正确.
7、【答案】A,难点突破,高考预测,2、某同学利用如图甲所示的装置验证力的平行四边形定则.在竖直放置、贴有白纸的木板上固定有两个轻质小滑轮，细线AB和OC连接于O点，细线AB绕过两滑轮，D、E是细线与光滑滑轮槽的两个切点.在细线末端A、B、C三处分别挂有不同数量的相同钩码.设所挂钩码个数分别用N1、N2、N3表示.挂上适当数量的钩码，当系统平衡时进行相关记录.改变所挂钩码的数量，重复进行多次实验.,难点突破,(1)下列关于本实验操作的描述，正确的有_. a.需要利用天平测出钩码的质量 b.EOD不宜过大 c.两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上 d.每次实验都应使细线的结点O处于同一位置,难点突破,
8、【解析】用钩码的个数可以代表拉力的大小，因此不需要测量钩码的质量，故a错误； EOD若太大，导致其合力较小，增大了误差，故EOD不宜过大，故b正确； 只要便于记录通过滑轮的力的方向即可，两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上，故c正确； 该题应用了物体的平衡来验证力的平行四边形定则，不需要每次实验都使细线的结点O处于同一位置，故d错误. 【答案】bc,难点突破,【解析】为验证力的平行四边形定则，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的位置，其次要作出力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此从力的三要素角度出发，要记录钩码的个数和记录OC、OD和OE三段细线的方向.,(2)每次实验结束后
9、，需要记录的项目有N1、N2、N3的数值和_.,【答案】 OC、OD、OE 三段细线的方向,难点突破,(3)该同学利用某次实验结果在白纸上绘制了如图乙所示的实验结果处理图，则根据你对本实验的理解，要验证力的平行四边形定则，还需对该图作出如下完善：_.,【解析】本实验是要验证力的平行四边形定则，故应将由平行四边形定则得出的合力，与真实的合力进行比较而去判断平行四边形定则得出的结果是否正确，由图乙可知，要验证力的平行四边形定则，还需要过O点作出与FOC等大反向的力F .,【答案】过O点作出与FOC等大反向的力F ,难点突破,高考题型3 验证牛顿运动定律,考试大纲规定的六个力学实验中有四个涉及打点计
10、时器：研究匀变速直线运动、探究加速度与力、质量的关系、探究动能定理和验证机械能守恒定律.这类实验的关键是要掌握纸带的分析处理方法，对于纸带常有以下三大应用： (1)由纸带确定时间 要区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，便于测量和计算，一般每五个点取一个计数点，这样时间间隔为t0.025 s0.1 s.,难点突破,(2)求解瞬时速度 利用做匀变速直线运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度.如图所示，打n点时的瞬时速度vn,难点突破,【例3】(2016 全国丙卷 23)某物理课外小组利用图中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中，置于实验台上的长木
11、板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下： (1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方 垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上 匀速下滑. (2)将n(依次取n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端， 其余Nn个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.,典例精析,难点突破,(3)对应于不同的n的a 值见下表.n2时的s-t 图象如图
12、所示；由图求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.,【解析】 (3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将题图中点(2.00,0.78)代入s at 2 可得，a0.39m/s2.,【答案】0.39,难点突破,(4)利用表中的数据在图中补齐数据点，并作出a-n图象.从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比.,【解析】根据描点法可得如图所示图线.,【答案】见解析图,难点突破,(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为_kg(保留2位有效数字，重力加速度取g9.8 ms2).,【答案】0.44,难点突破,(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，
13、下列说法正确的是_ (填入正确选项前的标号) A.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线，但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线，但该直线的斜率变大,【解析】若保持木板水平，则小车运动中受到摩擦力的作用，n的数值相同的情况下，加速度a变小，直线的斜率变小.绳的拉力等于摩擦力时，小车才开始运动，图象不过原点，选项B正确. 【答案】 B,难点突破,3、在“用DIS研究小车加速度与所受合外力的关系”实验中时，甲、乙两组分别用如图(a)、(b)所示的实验装置进行实验，重物通过细线跨过滑轮拉相同质量小车，位移传感器(B)随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器(A)固定在轨道一端.甲组实验中把重物的
14、重力作为拉力F，乙组直接用力传感器测得拉力F，改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出aF图象.,高考预测,难点突破,(1)位移传感器(B)属于_.(填“发射器”或“接收器”),【解析】位移传感器(B)属于发射器.,【答案】发射器,(2)甲组实验把重物的重力作为拉力F的条件是_.,【答案】 小车的质量远大于重物的质量,【解析】在该实验中实际是：mg(Mm)a，要满足mgMa，应该使重物的质量远小于小车的质量.即小车的质量远大于重物的质量.,(3)图中符合甲组同学作出的实验图象的是_； 符合乙组同学作出的实验图象的是_.,难点突破,【解析】 在质量不变的条件下，加速度与合外力成正比；由实
15、验原理：mgMa,所以图中符合甲组同学作出的实验图象的是. 乙组直接用力传感器测得拉力F，随着重物的质量增大，拉力F测量是准确的，aF 关系为一倾斜的直线，符合乙组同学作出的实验图象的是.,【答案】 ,难点突破,高考题型4 探究动能定理,难点突破,【例4】为验证“拉力做功与物体动能变化的关系”，某同学到实验室找到下列器材：长木板(一端带定滑轮)、电磁打点计时器、质量为200 g的小车、质量分别为10 g、30 g和50 g的钩码、细线、学生电源(有“直流”和“交流”挡).该同学进行下列操作： A.组装实验装置，如图(a)所示 B.将质量为200 g的小车拉到打点计时器附近， 并按住小车 C.选
16、用50 g的钩码挂在拉线的挂钩P上 D.释放小车，接通打点计时器的电源，打出一条纸带,典例精析,难点突破,E.在多次重复实验得到的纸带中选出 一条点迹清晰的纸带，如图(b)所示 F.进行数据采集与处理 请你完成下列问题： (1)进行实验时，学生电源应选择用_挡(选填“直流”或“交流”).,【解析】打点计时器是一种计时仪器，使用交流电源； 【答案】交流,难点突破,(2)该同学将纸带上打出的第一个点标为“0”，且认为打“0”时小车的速度为零，其后依次标出计数点1、2、3、4、5、6(相邻两个计数点间还有四个点未画)，各计数点间的时间间隔为0.1 s，如图(b)所示.该同学测量出计数点0到计数点3、
17、4、5的距离，并标在图(b)上.则在打计数点4时，小车的速度大小为_ m/s；如果将钩码的重力在数值上当作小车所受的拉力，则在打计数点0到4的过程中，拉力对小车做的功为_ J，小车的动能增量为_ J.(取重力加速度g9.8 m/s2，结果均保留两位有效数字),难点突破,【解析】根据匀变速直线运动中中间时刻的速度等于该过程中的平均速度，相邻的两个计数点间的时间间隔为T0.1 s，,在打计数点0到4的过程中，拉力对小车做的功为： Wmgx040.059.80.12 J0.059 J；,【答案】 0.58 5.9102 3.4102,难点突破,(3)由(2)中数据发现，该同学并没有能够得到“拉力对物
18、体做的功等于物体动能增量”的结论，且对其他的点(如2、3、5点)进行计算的结果与“4”计数点相似.你认为产生这种实验结果的主要原因有(写出两条即可) _； _.,难点突破,【解析】该实验产生误差的主要原因一是钩码重力大小并不等于绳子拉力的大小，设绳子上拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：FMa 对钩码有：mgFma ,由此可知当Mm时，钩码的重力等于绳子的拉力，显然该实验中没有满足这个条件；另外该实验要进行平衡摩擦力操作，否则也会造成较大误差.,【答案】小车质量不满足远大于钩码质量； 没有平衡摩擦力； 没考虑钩码动能的增加.,难点突破,高考预测,4、探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度
19、的关系，实验装置如图所示.实验过程中有平衡摩擦力的步骤，并且设法让橡皮筋对小车做的功以整数倍增大，即分别为W0、2W0、3W0、4W0. (1)实验中首先通过调整木板倾斜程度平衡摩擦力，目的是_(填写字母代号). A.为了释放小车后小车能做匀加速运动 B.为了增大橡皮筋对小车的弹力 C.为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对 小车做的功 D.为了使小车获得较大的动能,难点突破,【解析】实验目的是探究合外力做功与物体速度的关系，平衡摩擦力后，橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功. 【答案】C,难点突破,(2)图是在正确操作情况下打出的一条纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一部分，已知相邻两
20、点打点时间间隔为0.02 s，则小车获得的最大速度vm_m/s(保留3位有效数字).,【解析】(2)由图可知，小车先做加速度变化的加速运动，后做匀速运动.当小车做匀速运动时，小车获得的速度最大，即vm m/s1.22 m/s.,【答案】 1.22,难点突破,(3)几名同学在实验中分别得到了若干组橡皮筋对小车做的功W与小车获得的最大速度vm的数据，并利用数据绘出了下列给出的四个图象，你认为其中正确的是_.,【解析】由Wv，知D正确.,【答案】D,难点突破,高考题型5 验证机械能守恒定律,难点突破,难点突破,2.误差分析 教材中验证机械能守恒定律的实验是利用自由落体运动进行研究的，在重物和纸带下落
21、过程中要克服阻力做功，故动能的增加量一定略小于重力势能的减少量，这是不可避免的，属于系统误差.而利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律，动能的减少量略大于重力势能的增加量，所以在对误差进行分析时，要根据实验方法和条件合理分析，不能盲目套用公式或结论.,难点突破,典例精析,【例5】(2016 全国乙卷 22)某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图(b)所示.该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其它题给条件进行推算.,(1)若从打出的纸带可判定重 物匀加速下落，利用f和
22、图(b)中给 出的物理量可以写出：在打点计时 器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_.,难点突破,【解析】 (1)由于重物匀加速下落，B点的速度vB等于AC段的平均速度，即vB,【答案】,难点突破,(2)已测得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为_Hz.,【解析】重物下落的过程中，由牛顿第二定律可得 mgF阻ma 由已知条件F阻0.01mg 由得a0.99g,【答案】 40,难点突破,5、某同学利用气垫导轨验证机械
23、能守恒定律，实验装置如图所示.气垫导轨与水平桌面的夹角为，导轨底端P点有一带挡光片的滑块，滑块和挡光片的总质量为M，挡光片的宽度为b，滑块与沙桶由跨过轻质光滑定滑轮的细绳相连.导轨上Q点固定一个光电门，挡光片到光电门的距离为d.,高考预测,难点突破,(1)实验时，该同学进行了如下操作： 开启气泵，调节细沙的质量，使滑块处于静止状态，则沙桶和细沙的总质量为_； 在沙桶中再加入质量为m的细沙，让滑块从P点由静止开始运动.已知光电门记录挡光片挡光的时间为t，则滑块通过Q点的瞬时速度为_.,【答案】 M sin ,难点突破,(2)在滑块从P点运动到Q点的过程中,滑块的机械能增加量E1_， 沙桶和细沙的
24、机械能减少量E2_.在误差允许的范围内，如果E1E2，则滑块、沙桶和细沙组成的系统机械能守恒.,【解析】沙和沙桶总质量为Msin m， 重力势能减少量为Ep(Msin m)gd，,【答案】,难点突破,高考题型6 力学创新实验,【例6】 (2016 全国甲卷 22)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接.向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能.,典例精析,难点突破,【解析】根据该实验操作过程，正确步骤应为.,(1)实验中涉及到下列
25、操作步骤： 把纸带向左拉直 松手释放物块 接通打点计时器电源 向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量 上述步骤正确的操作顺序是_ (填入代表步骤的序号).,【答案】 ,难点突破,(2)图中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为50 Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为_m/s.比较两纸带可知，_(填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.,难点突破,【解析】(2)物块脱离弹簧时速度最大，v m/s1.29 m/s；由动能定理Ep mv2，据纸带中打点的疏密知M纸带获得的最大速度较大，对应的
26、实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大. 【答案】 1.29 M,难点突破,6、某研究小组设计了一种“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方案.如图所示，A是可固定于水平桌面上任意位置的滑槽(滑槽末端与桌面相切)，B是质量为m的滑块(可视为质点). 第一次实验，如图(a)所示，将滑槽末端与桌面右端M对齐并固定，让滑块从滑槽最高点由静止滑下，最终落在水平地面上的P点，测出滑槽最高点距离桌面的高度h、M距离地面的高度H、M与P间的水平距离x1；,高考预测,难点突破,第二次实验，如图(b)所示，将滑槽沿桌面向左移动一段距离并固定，让滑块B再次从滑槽最高点由静止滑下，最终落在水平地面上的P点，测出滑槽末端与桌面
27、右端M的距离L、M与P间的水平距离x2. (1)在第二次实验中，滑块到M点的速度大小为_.(用实验中所测物理量的符号表示，已知重力加速度为g).,【答案】,难点突破,(2)通过上述测量和进一步的计算，可求出滑块与桌面间的动摩擦因数，下列能引起实验误差的是_.(选填序号) A.h的测量 B.H的测量 C.L的测量 D.x2的测量,由表达式可知能引起实验误差的是B、C、D.,【答案】BCD,难点突破,(3)若实验中测得h15 cm、H25 cm、x130 cm、L10 cm、x220 cm，则滑块与桌面间的动摩擦因数_.(结果保留1位有效数字),【答案】 0.5,拓展练习,1.在“探究求合力的方法
28、”实验中，橡皮条一端固定于A点. (1)如图所示，同时使用两只弹簧测力计通过细绳套将橡皮条的另一端拉至O点.分别记录两个拉力的大小和方向，其中一只弹簧测力计的示数如图所示，则其示数为_N.,拓展练习,(2)关于本实验，下列说法正确的是_. A.细绳套尽可能短一些 B.橡皮条的伸长量越大越好 C.拉两个细绳套时，两拉力夹角越大越好 D.拉细绳套时，拉力应尽量与木板平行 (3)某同学通过多次实验得出：力的合成遵循 平行四边形定则.图为根据其中一次实验数据 画出的两个力F1、F2的图示，请利用平行四 边形定则在图中作出这两个力的合力F合，根 据图示可以确定合力大小为_N.,拓展练习,【解析】(1)根
29、据弹簧测力计指针的指示可知，其读数为2.60N； (2)细绳套尽可能长一些，减小力的方向的误差.故A错误；橡皮条的伸长量不是越大越好，方便作图即可，故B错误；两条细绳的夹角不是越大越好，以方便作平行四边形为宜.故C错误.拉细绳套时，橡皮条、细绳套和弹簧测力计平行贴近木板，使得结点所受的几个力在同一平面内，故D正确. (3)根据力的平行四边形定则画出图象如图所示：,根据图象可知，合力大小为F合7.0N.,【答案】(1)2.60 (2)D (3)如图所示 7.0,本课小结,本节重点,1、探究弹力和弹簧伸长的关系 2、验证力的平行四边形定则 3、验证牛顿运动定律 4、探究动能定理 5、验证机械能守恒定律 6、力学创新实验,作业布置,1.完成课时作业(实验技能与创新（1）),