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2010年高考试题中的力学实验解析 2010年高试题中的力学实验问题，从试题背景到设问，涵盖了《考试大纲》规定的基本实验，大多涉及到纸带法，即涉及到瞬时速度或加速度的测量。设计性实验也是以基本实验为蓝图进行创新与变通，符合中学物理教学实际，符合学生的实验能力水平。
一、测量匀变速直线运动的加速度
1．（重庆理综-22-1）某同学用打点计时器测量做匀变速直线运动的物体的加速度，电源频率f=50 Hz，在纸带上打出的点中，选出零点，每隔4个点取1个计数点，因保存不当，纸带被污染，如图1所示，A、B、C、D是本次排练的4个计数点，仅能读出其中3个计数点到零点的距离：sA=16.6mm ；sB=126.5mm、sD=624.5 mm
若无法再做实验，可由以上信息推知：
①相邻两计数点的时间间隔为 s；
②打 C点时物体的速度大小为 m/s（取2位有效数字）
③物体的加速度大小为 （用sA、sB、sD和f表示）
解析：本题以测量匀变速直线运动加速度实验为背景，主要考查数据处理能力及对匀变速直线运动规律的理解与灵活运用能力。
（1）因每两个计数点间还有四个点，因此打相邻两计数点的时间间隔是：
（2）由匀变速推论“匀变速直线运动一段时间的平均速度等于这段时间的中间时刻的瞬时速度”可得：
（3）由匀变速直线运动的推论 点评：纸带法实验中，若纸带匀变速直线运动，测得纸带上的点间距，利用匀变速直线运动的两个推论
二、探究胡克定律
2．（浙江理综-21-Ⅰ）在“探究弹簧弹力大小与伸长量的关系”实验中，甲、乙两位同学选用不同的橡皮绳代替弹簧，为测量橡皮绳的劲度系数，他们在橡皮绳下端面依次逐个挂下钩码（每个钩码的质量均为m=0.1kg，取g=10m/s2），并记录绳下端的坐标X加i（下标i表示挂在绳下端钩码个数）。然后逐个拿下钩码，同样记录绳下端面的坐标X减i，绳下端坐标的值Xi＝（X加i+X减i）/2的数据如表：
（1）同一橡皮绳的X加i X减i（大于或小于）；
（2） 同学的数据更符合实验要求（甲或乙）；
（3）选择一组数据用作图法得出该橡皮绳的劲度系数k（N/m）；
（4）为了更好的测量劲度系数，在选用钩码时需考虑的因素有哪些？
解析：本题意仪测量弹簧（橡皮绳）的劲度系数为背景，考查数据处理能力及误差分析能力。
（1）同一橡皮绳的X加i<X减i。由于实验中加挂钩码过多，拉力过大，橡皮筋的伸长超过了弹性限度，减挂钩码时弹性尚未恢复。
（2）由于橡皮筋的伸长与拉力（钩码个数）成正比，橡皮绳下端坐标（橡皮筋长度）应随钩码个数的增加线性增加，即每增加一个够吗，橡皮绳下端坐标值的增加相同，从表中数据可以看出，乙同学的测量数据较符合这一要求。
（3）由一同学的数据可得到不同拉力下橡皮绳的伸长量（Xi-X1）数据：（2N，15.5mm）（3N，30.0mm）（4N，47.7mm）（5N，64.8mm）（6N，85.5mm），由这些数据可描点做出图象如图2所示。有图象的斜率可知：
（4）为减小实验误差，钩码的数量尽量多一些，以便多测些数据。
3．（福建理综-19-2分）某实验小组研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系。实验时，将原长约200mm的橡皮筋上端固定，在竖直悬挂的橡皮筋下端逐一增挂钩码（质量均为20g），每增挂一只钩码均记下对应的橡皮筋伸长量；当挂上10只钩码后，再逐一把钩码取下，每取下一只钩码，也记下对应的橡皮筋伸长量。根据测量数据，作出增挂钩码和减挂钩码时的橡皮筋伸长量△l与拉力F关系的图像如图所示。从图象中可以得出 。（填选项前的字母）
A．增挂钩码时△l与F成正比，而减挂钩码时△l与F不成正比
B．当所挂钩码数相同时，增挂钩码时橡皮筋的伸长量比减挂钩码时的大
C．当所挂钩码数相同时，增挂钩码时橡皮筋的伸长量与减挂钩码时的相等
D．增挂钩码时所挂钩码数过多，导致橡皮筋超出弹性限度
解析：由图象可以看出，钩码数增至某值时橡皮筋的伸长量比减至同一数值时小一些。这是由于实验中加挂钩码过多，拉力过大，橡皮筋的伸长超过了弹性限度，减挂钩码时弹性尚未恢复。
点评：对于弹簧、橡皮绳、橡皮筋等，只有在弹性限度内，弹力才与伸长量有正比关系。
三、探究力的平行四边形定则
4．（天津理综-9-2）探究求合力的方法时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上带有绳套的两根细绳。实验时，需要两次拉伸橡皮条，一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条，另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条。
①实验对两次拉伸橡皮条的要求中，下列哪些说法是正确的 （填字母代号）。
A．将橡皮条拉伸相同长度即可 B．将橡皮条沿相同方向拉到相同长度
C．将弹簧秤都拉伸到相同刻度 D．将橡皮条和绳的结点拉到相同位置
②同学们在操作过程中有如下议论，其中对减小实验误差有益的说法是 （填字母代号）。
A．两细绳必须等长
B．弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行
C．用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大
D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些
解析：本题以探究合理与分力的关系为背景，主要考查利用等效法测合力的操作要领。实验时，先用两个力使橡皮条沿某一方向发生一定（弹性限度内）的伸长，定出两分力的方向，读出其大小，用平行四边形法则作出合力。再用一个力沿原先的方向是橡皮条发生同样的伸长，定出拉力的方向，读出其大小，如果这个力与平行四并行定则求出的两分力的合力相等，说明合力与分力满足平行四边形定则。为减小实验误差，弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行；确定力的方向要准，要求：拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，标点的笔尖要尽可能的细。因此：
（1）正确的说法是BD；（2）对减小误差有益说法是BD。
点评：本实验利用橡皮条的两次等效形变探究合力与分力的关系，实现橡皮条的两次形变等效是关键，同时为保证试验成功，确定两分力大小及方向、合力大小与方向时，要尽可能减小误差。
四、探究牛顿第二定律
5．（山东理综-23）（1）某同学设计了如图3所示的装置来探究加速度与力的关系。弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d。开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数Fo，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t。
①木板的加速度可以用d、t表示为a= ；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是（一种即可） 。
②改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧秤示数F1的关系。下列图象能表示该同学实验结果的是 。
③用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是 。
a．可以改变滑动摩擦力的大小；b．可以更方便地获取多组实验数据；c．可以比较精确地测出摩擦力的大小；d．可以获得更大的加速度以提高实验精度。
解析：本题以探究加速度与力的关系实验为背景，主要考查数据处理基误差分析。
（1）本实验测加速度的原理是公式
（2）实验中，由于小车与桌面摩擦力的存在，只有当水瓶的重力大于桌面对小车的静摩擦力，小车才会产生加速度，使a-F图象有横截距。本实验要求小车的质量远大于水瓶的总质量，才能保证水瓶的重力近似等于小车的拉力，随着水瓶质量的增加，当其质量不能远小于小车质量时，水瓶重力与小车拉力相差较大，测得的加速度比实际的加速度略小，使a-F图象的末端向下弯曲。因此，本题选C。
（3）由于小车与桌面的摩擦力较小，用加水的方法，可以灵活改变水瓶重力的大小，容易测出小车与桌面间的摩擦力，也可以方便地在质量控制范围内获得多组数据。因此，本题选bc。
五、验证机械能守恒定律
6．（安徽理综-21-Ⅲ）利用图4所示示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案：
a．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t。通过v=gt计算出瞬时速度v。
b．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过
c．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过
d．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v。以上方案中只有一种正确，正确的是 。（填入相应的字母）
解析：本题主要考查利用自由落体验证机械能守恒定律实验的原理与步骤。由于重锤质量较大，可以忽略运动中的阻力（空气对重锤的阻力及只带所受阻力），满足机械能守恒的条件。为方便测量与计算，通常选落体开始时刻与其后的打出某点的时刻这一过程作为研究对象，利用做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，可以计算出从落体开始到后一时刻重锤增加的动能。用刻度尺测出纸带上的第一点到所选后一点的距离，可以算出重锤减少的重力势能。由于不涉及弹性势能，若重锤增加的动能与减少的重力是能接近，就可证实在只有重力做功的情况下，机械能守恒。因此，正确的方案是d。
7．（全国课标卷-22）图5为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题：
（1）为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有 。（填入正确选项前的字母）
A．米尺；B．秒表； C．0~12V的直流电源 D．0~12V的交流电源
（2）实验中误差产生的原因有 。（写出两个原因）
解析：本实验主要考查利用自由落体验证机械能守恒定律实验中，仪器器材的选用及误差分析。
（1）实验器材中，缺少的是低压交流电源。本题选D。
（2）机械能守恒的条件是只有重力做功，本实验中由于空气阻及纸带所受阻力均做功，重锤减少的重力势能大于增加的动能，使二者不严格相等。实验要求打点时刻与落体开始时刻吻合，操作中两时刻不严格吻合，也会带来误差。在用刻度处测量纸带上相应点间的距离时，也会出现读数误差。因此实验出现误差的主要原因有：重锤及纸带的阻力，落体开始时刻与打点开始时刻不吻合，刻度尺测距离的误差。
8．（四川理综-22-2）有4条用打点计时器（所用交流电频率为50Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间距离依次为S1、S2、S3。请你根据下列S1、S2、S3的测量结果确定该纸带为 。（已知当地的重力加速度为9.791m/s2）
A．61.0mm，65.8mm，70.7mm
B．41.2mm，45.1mm，53.0mm
C．49.6mm，53.5mm，57.3mm
D．60.5mm，61.0mm，60.6mm
解析：本题以纸带法为背景，主要考查匀变速直线运动的推论
八、探究性试验
9．（江苏物理-11）为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置（如图6所示）。实验时，平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力。
（1）往砝码盘中加入一小砝码，在释放小车__ __（填选“之前”或“之后”）接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。
（2）从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间t与速度v的数据如下表：
请根据实验数据作出小车的v-t图象。
（3）通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大。你是否同意他的观点？请根据v-t图象简要阐述理由。
解析：本题以探究运动物体所受空气阻力与速度的关系实验为背景，考查对基本实验（探究加速度与力的关系）变通与创新能力。
实验原理是牛顿第二定律。利用题中数据可建立v-t图象，由v-t图象可得到不同速度时的加速度，再由牛顿第二定律可得到不同速度时的空气阻力，这就可以直到空气阻力与速度的关系。
（1）由于纸带长度有限，为了能在有限长度的纸带上打出更多可用的点，应该先接通电源再释放纸带。
（2）合理选取坐标刻度，尽可能使图象“充满”坐标平面，利用题中所给数据描点连线，得到小车的v-t图象如图7所示。
（3）由小车的v-t图象可知，随小车速度的增大，其加速度（图象斜率）变小，由牛顿第二定律可知，小车所受合外力随速度增大而减小。由于小车所受拉力大小一定，摩擦力已经平衡掉，所以合力减小必是由空气阻力增大引起的。所以，随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大。该同学的观点正确。
2011-04-27 人教网  下载： |
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