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2009年高考试题中的力学实验问题

2013-12-06  720815
2009年高考试题中的力学实验问题
陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室 邢彦君

  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AB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OAOB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002s。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:

 

砝码盘中砝码总重力F(N)

0196

0392

0588

0784

0980

加速度ams-2

069

118

166

218

270

 

  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Δs为连续相邻相等时间内的位移差,T为连续相等的时间间隔,如果每5个点取一个点,则连续两计数点的时间间隔为T=01s,由图知,带入可得加速度a=016m/s2。(也可以使用最后一段和第二段的位移差求解,得加速度a=015m/s2。)

 

  (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03m/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。

 

  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

 

  4(天津理综9-3)如图6所示,将打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置可以测定重力和速度。

 

  所需器材有打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物,此外还需             (填字母代号)中的器材。

 

  A.直流电源、天平及砝码        

 

  B.直流电源、毫米刻度尺

 

  C.交流电源、天平及砝码        

 

  D.交流电源、毫米刻度尺

 

  通过作图象的方法可以剔除偶然误差较大的数据,提高实验的准确程度。为使图线的斜率等于重力加速度,除作v-t图象外,还可作             图象,其纵轴表示的是           ,横轴表示的是           

 

  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。

 

  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

 

  由公式,如绘出图像,其斜率也等于重力加速度。

 

  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

 

  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AB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sA点到水平桌面的垂直距离h1B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:;滑块通过光电门的速度可用平均速度代替,即:;设滑块由A下滑至B的运动时间为t,由匀变速运动位移公式有,速度公式有有平均速度定义有,而对于初速度为零的匀加速运动有,解得:;对滑块的下滑运动运用牛顿第二定律有:,解得:

 

  (2)由游标卡尺主尺读得360cm,由游标尺读得002cm,故游标尺的读数为:362 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500cmAB两点各安装一个速度传感器,记录小车通过AB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AB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MM1与小车中砝码质量之和,是两个速度传感器记录速度的平方差,可以据此计算出动能变化量ΔEF是拉力传感器受到的拉力,WFAB间所做的功。表格中的ΔE3=   W3=    。(保留三位有效数字)

 

  (3)根据表1,请在图13中的方格纸上作出△E-W图线。

 

次数

M/kg

/(m/s)2

ΔE/J

F/N

W/J

1

0500

0760

0190

0400

0200

2

0500

165

0413

0840

0420

3

0500

240

△E3

1220

W3

4

1000

240

120

2420

121

5

1000

284

142

2860

143

 

  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。

 

  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W2W3W……

 

  (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Wv;如果不是直线,可考虑是否存在WW W  等关系。

 

  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W2W3W……。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2W3W……

 

  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。

 

  解析:由于橡皮筋完全相同,每次拉伸长度(形变)保持一致,这样每次实验中每根橡皮筋做的功相同,故A对。实验中是以皮筋拉力的功作为合力的功,这就平衡了木板与小车间的摩擦力,故B对。纸带上打出的点,两端密、中间疏,说明小车的运动经历了加速、减速的运动过程,小车释放后由于作用在小车上的拉力(皮筋的弹力)随橡皮筋伸长量的减少而减小,这说明小车运动中有一个恒定的阻力存在,这个力只能是摩擦力,故C对。小车获得的速度是指橡皮筋做功完毕时的速度,由于小车的运动不是匀变速直线运动,计算速度只能运用“匀变速直线运动一段时间的中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度”这一推论近似计算,故D错。

 

  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-)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s1s2s3。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s1s3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:,而T=,由此及动量定义得碰前两滑块的动量分别为02abs102abs3,碰前总动量为02ab(s1-s3);碰后的总动量为02abs2

 

  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010mP1P2P3是轨迹图线上的3个点,P1P2、和P3之间的水平距离相等。

 

    

 

  完成下列填空:(重力加速度取98m/s2

 

  设p1p2p3的横坐标分别为x1x2、和x3纵坐标分别为y1y2y3,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050m,设E1E2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,    %。(保留两位有效数字)

 

  解析:1)根据坐标纸上方格边长,可算得:|y1-y2|=061m|x1-x2|=161m

 

  (2)小球抛出后的运动,在竖直方向上是自由落体运动,由可得小球由p1运动到p2所用的时间为:,由匀速运动速度公式知小球平抛初速度为:

 

  (3

 

  点评:实验中主要依据s=vt,故从平抛轨迹测量数据,计算平抛物体的初速度,不一定从平抛出发点开始,丢失了一部分轨迹不影响对实验结果的得出。

 

  8.探究单摆周期与摆长的关系

 

  10(浙江理综22-Ⅱ)1)在“探究单摆周期与摆长的关系”实验中,两位同学用游标卡尺测量小球的直径如图14甲、乙所示。测量方法正确的是__________(选填“甲”或“乙”)。

 

 

  2)实验时,若摆球在垂直纸面的平面内摆动,为了将人工记录振动次数改为自动记录振动次数,在摆球运动最低点的左、右两侧分别放置一激光光源与光敏电阻与某一自动记录仪相连,该仪器显示的光敏电阻阻值R随时间t变化图线如图15所示,则该单摆的振动周期为       。若保持悬点到小球顶点的绳长不变,改用直径是原小球直径2倍的另一小球进行实验,则该单摆的周期将       (填“变大”、“不变”或“变小”),图乙中的Δt       (填“变大”、“不变”或“变小”)

 

  解析:1)应将待测物体正确地放在测脚中如乙图所示位置,所以测量方法正确的是图乙;(2)摆球1个周期两次通过最低点,及1个周期内有两次遮光,遮光是光敏电阻组织异常,所以单摆的周期为两个遮光间隔段时间之和2to。单摆周期与小球质量、大小无关,与摆长有关,若改用直径变为原小球直径的2倍,摆长将增加,周期变大。由于摆球体积变大,而经过最低点的速度未变,故遮光时间Δt将变大。

 

  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

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