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2009年高考试题中的力学实验问题 2009年高考试题中的力学实验问题，以对《课程标准》所规定的基本实验从实验原理、所用器材、操作步骤、实验结论的表达方式等方面的创新设置探究性实验，主要考查学生对基本实验原理、所用器材、操作步骤、实验结论的理解理解和运用的能力，同时考查对科学实验的一般思想及方法的理解与运用。
1．验证平行四边形法则
例1（山东理综-23-1）某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到三条相同的橡皮筋（遵循胡克定律）和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物，如图1所示。
①为完成该实验，下述操作中必需的是 。
a．测量细绳的长度
b．测量橡皮筋的原长
c．测量悬挂重物后橡皮筋的长度
d．记录悬挂重物后结点O的位置
②钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是 。
解析：本实验中，结点O受三个拉力处于静止状态，三力彼此平衡，任意两个力的合力与第三个力等值反向。只要以两橡皮筋的伸长量（代表两个拉力的大小）成正比为长沿OA、OB方向为邻边做平行四边形，只要该平行四边形的对角线与悬挂重物的橡皮筋在一条直线上，与表示其拉力的线段相等，即验证了平行四边形法则，故实验要测量橡皮筋的原长、悬挂重物后的长度，才能算出橡皮筋受力后的伸长量，为了确定拉力的方向，每次必须记录结点O的位置。
由于钉子位置固定，可改变的条件只能是所悬挂的重物的质量。
点评：三个共点力平衡，任意两力的合力与第三力平衡，即等大反向。
2．探究加速度与物体质量、物体受力的关系
例2（江苏物理-11）“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图2-甲所示。
（1）在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸袋如图2-乙所示。计时器打点的时间间隔为0．02s。从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a=___m/s2。（保留两位有效数字）
（2）平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表：
请根据实验数据作出a-F的关系图像。
（3）根据提供的试验数据作出的a-F图线不通过原点，请说明主要原因。
解析：（1）处理匀变速直线运动中所打出的纸带，求解加速度用公式
（2）为使图线倾斜程度合适（以与水平方向夹角45°左右为宜。），确定F的范围从0设置到1N较合适，而a则从0到3m/s2较合适。设好刻度建立坐标，根据数据确定各点的位置，将各点用一条直线连起来，延长交与坐标轴某一点。如图3所示。
（3）图线与纵坐标相交而不过原点，说明当不挂砝码时，小车有加速度，即绳对小车有拉力，从拉力的来源考虑很容易得到答案，是因为砝码盘的重力，而在（2）问的图表中只给出了砝码的总重力，而没有考虑砝码盘的重力。
例3（上海物理-17）如图4为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度和力的关系”的实验装置。
（1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持___________不变，用钩码所受的重力作为___________，用DIS测小车的加速度。
（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量。在某次实验中根据测得的多组数据可画出a-F关系图线（如图5所示）。
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是______________。
②（单选题）此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（ ）
（A）小车与轨道之间存在摩擦 （B）导轨保持了水平状态
（C）所挂钩码的总质量太大 （D）所用小车的质量太大
解析：决定物体的加速度的物理量有合力与质量两个因素，实验中需逐一研究它们对加速度的影响，但研究一个量的影响时必须控制另一量保持不变，这就是控制变量法。在钩码质量较小时，小车的加速度较小，钩码的重力略大于小车所受拉力，若不考虑小车所受阻力或较好地平衡了阻力，可用钩码重力近似代替小车所受合力。
图线的OA段是过原点的直线，因此可得出结论：在质量一定时，加速度与拉力成正比。拉力（钩码重力）变大时，小车的就速度变大，钩码的重力与小车所受合力相差较大，此时用钩码重力代替小车所受合力，误差较大。选C。
点评：多变量问题中，对每个变量的影响逐一探究，此时应控制其它变量保持不变。
处理图象问题要注意图线的斜率、交点、拐点、面积等意义，能正确理解这些量的意义则很多问题将会迎刃而解。
3．测重力加速度
B．直流电源、毫米刻度尺
D．交流电源、毫米刻度尺
解析：本题考查用打点计时器测重力加速度。涉及器材的选取和用图像处理数据的方法。
①打点计时器需接交流电源。重力加速度与物体的质量无关，所以不要天平和砝码。计算速度需要测相邻计数点间的距离，需要刻度尺，选D。
②由公式
点评：实验测出数据后，对数据进行处理，得出加速度方法不是唯一的，实际应用时以简单直观为原则。
4．探究物体在斜面上运动时摩擦力与斜面倾角的关系
例5（全国理综I-23）某同学为了探究物体在斜面上运动时摩擦力与斜面倾角的关系，设计实验装置如图7所示。长直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物块上。在平板上标出A、B两点，B点处放置一光电门，用光电计时器记录滑块通过光电门时挡光的时间。
实验步骤如下：
①用游标卡尺测量滑块的挡光长度d，用天平测量滑块的质量m；
②用直尺测量AB之间的距离s，A点到水平桌面的垂直距离h1，B点到水平桌面的垂直距离h2；
③将滑块从A点由静止释放，由光电计时器读出滑块的挡光时间t；
④重复步骤③数次，并求挡光时间的平均值
⑤利用所测数据求出摩擦力f和斜面倾角的余弦值
⑥多次改变斜面的倾角，重复实验步骤②③④⑤，做出f-cosα关系曲线。
（1）用测量的物理量完成下列各式（重力加速度为g）：
①斜面倾角的余弦cosα= ；
②滑块通过光电门时的速度v= ；
③滑块运动时的加速度a= ；
④滑块运动时所受到的摩擦阻力f= ；
（2）测量滑块挡光长度的游标卡尺读数如图所示，读得d= 。
解析：本实验中，滑块的瞬时速度可由滑块的挡光长度及挡光时间算得，加速度可由牛顿第二定律解得。
（1）由图根据几何关系有：
（2）由游标卡尺主尺读得3．60cm，由游标尺读得0．02cm，故游标尺的读数为：3．62 cm。
点评：本探究实验中，滑块的运动情景是物理习题（运用牛顿定律分析求解斜面上物体运动问题）常见的情景，问题解决所依据的方法也是习题中的常见方法，要注意习题分析思路与方法在探究实验中的借鉴和迁移。
5．探究动能定理
例6（广东物理-15）某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能原理”。如图9所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小。在水平面上相距50．0cm的A、B两点各安装一个速度传感器，记录小车通过A、B时的速度大小、小车中可以放置砝码。
（1）实验主要步骤如下：
①测量 和拉力传感器的总质量M；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路。
②将小车停在C点， ，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度。
③在小车中增加砝码，或 ，重复②的操作。
（2）表1是他们测得的一组数据，期中M是M1与小车中砝码质量之和，
（3）根据表1，请在图13中的方格纸上作出△E-W图线。
解析：（1）实验中绳子对小车的拉力作为做功的合力，获得动能的是小车及力传感器，故研究对象是力传感器及小车整体。对小车做功的力只能是绳子的拉力，故必选由静止释放小车。每次实验中小车质量保持不变，但为了使实验结论具有普遍性，应增加或减少小车中的砝码改变小车质量（相当于使用不同的研究对象）多次探究。
（2）由表中数据得：
（3）作出图象如图10所示，是第一象限的角平分线。
例7（安徽理综-21）探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图11所示，试验主要过程如下：
（1）设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……。
（2）分析打点计时器打出的纸带，求出小车的速度
（3）做出W-v草图。
（4）分析W-v图像。如果W-v图像是一条直线，表明W∝v；如果不是直线，可考虑是否存在W∝
以下关于该实验的说法中有一项不正确，它是 。
A．本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……。所采用的方法是选用同样的橡皮筋，并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致。当用1条橡皮筋进行实验室，橡皮筋对小车做的功为W，用2条、3条、……。橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、……。实验时，橡皮筋对小车做的功分别是2W、3W……。
B．小车运动中会受到阻力，补偿的方法，可以使木板适当倾斜。
C．某同学在一次实验中，得到一条记录纸带。纸带上打出的点，两端密、中间疏。出现这种情况的原因，可能是没有使木板倾斜或倾角太小。
D．根据记录纸带上打出的点，求小车获得的速度的方法，是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行计算。
点评：对于对动能定理的探究结果，视初速度是否为零，探究结论可有不同的表示。
6．验证动量守恒
例8（四川理综22-2）气垫导轨(如图11-甲)工作时，空气从导轨表面的小孔喷出，在导轨表面和滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层，使滑块不与导轨表面直接接触，大大减小了滑块运动时的阻力。为了验证动量守恒定律，在水平气垫导轨上放置两个质量均为a的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为b。气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动。图11-乙为某次实验打出的、点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以同间的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度s1、s2和s3。若题中各物理量的单位均为国际单位，那么，碰撞前两滑块的动量大小分别为____、_______，两滑块的总动量大小为_______；碰撞后两滑块的总动量大小为_______。重复上述实验，多做几次。若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内相等，则动量守恒定律得到验证。
解析：本实验中两滑块碰前各自的运动、碰后粘连成的整体的运动均属匀速运动，在它们的运动过程中选相等的时间，则各自的运动速度正比于位移，结合题中所述碰撞情景可知，标有s1、s3的纸带是对碰前两滑块运动的记录，另一条纸带是对碰后整体运动的记录，这三个速度的大小分别是：
点评：对碰撞情景及各物体的运动情况做出准确的分析是关键。
7．研究平抛运动
例9（全国理综II-23）某同学利用图12所示装置做“研究平抛运动”的实验，根据实验结果在坐标纸上描出了小球水平抛出后的运动轨迹，但不慎将画有轨迹图线的坐标纸丢失了一部分，剩余部分如图13所示，图12中水平方向与竖直方向每小格的长度均代表0．10m，P1、P2和P3是轨迹图线上的3个点，P1和P2、和P3之间的水平距离相等。
完成下列填空：（重力加速度取9．8m/s2）
设p1、p2和p3的横坐标分别为x1、x2、和x3纵坐标分别为y1、y2和y3，从图2中可读出|y1-y2|=________m，|x1-x2|=__________m（保留两位小数）。
若已测知抛出后小球在水平方向做匀速运动。利用（1）中读出的数据，求出小球从p1运动到p2所用的时间为____s，小球抛出后的水平速度为____m/s。（均可用根号表示）
已测得小球抛出前下滑的高度为0．50m，设E1和E2分别为开始下滑时和抛出时的机械能，则小球从开始下滑到抛出的过程中机械能的相对损失，
解析：（1）根据坐标纸上方格边长，可算得：|y1-y2|=0．61m，|x1-x2|=1．61m。
（2）小球抛出后的运动，在竖直方向上是自由落体运动，由
（3）
点评：实验中主要依据
8．探究单摆周期与摆长的关系
点评：熟悉各种传感器的原理及使用方法，是设计或分析传感器类探究实验的关键。 2009-10-10 人教网  下载： |
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