2023版高考物理创新设计二轮复习讲义第18课时　力学实验

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第18课时 力学实验
高考题型一 纸带和光电门类实验
一、求速度和加速度
二、使用打点计时器
实验操作中的注意事项：
1.平行：纸带、细绳要和长木板平行。
2.靠近：释放小车前，应使小车停在靠近打点计时器的位置。
3.两先两后：实验时应先接通电源，后释放小车；实验后先断开电源，后取下纸带。
4.防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止槽码落地或小车与滑轮碰撞。
5.减小误差：小车另一端挂的槽码质量要适当，避免速度过大而使纸带上打的点太少，或者速度太小，使纸带上打的点过于密集。
【例1】 某兴趣小组用光电门、计时器和直尺测量当地的重力加速度。图1(a)是其实验装置，其操作方法是：让直尺下端刚好处于光电门处并由静止释放，光电计时器记录直尺通过光电门的时间，直尺运动过程中尺身始终处于竖直方向，图(b)是量程分别为0～15.0 cm的钢尺和0～20.0 cm的塑料尺。
图1
(1)为了较准确测出重力加速度，应选择________(选填“钢尺”或“塑料尺”)完成该实验。
(2)小组通过5次实验，测得直尺通过光电门的时间如下表。第4次实验操作可能存在的问题是：直尺下端开始遮光时具有________(选填“加速度”“初速度”或“重力”)。
(3)剔除第4组数据，从表格其他数据算出时间的平均值是0.185 s，并利用选定的直尺的量程L代入g＝eq \f(2L,t2)，得g≈8.77 m/s2，结果与当地重力加速度差距较大，上述数据处理存在的问题是______________________________________________。
(4)根据实验数据，正确的计算结果应该是g＝________(结果保留2位小数)。
答案 (1)钢尺 (2)初速度 (3)计算位移时误用钢尺的量程，应该用钢尺的总长度 (4) 9.70 m/s2
解析 (1)由于钢尺的密度大，空气阻力的影响小，所以选钢尺。
(2)由表格可知，第4次实验的时间明显小于其他几次，可能存在的问题是：直尺下端开始遮光时具有初速度。
(3)根据g＝eq \f(2L,t2)，带入公式的L＝0.15 m，结果与当地重力加速度差距较大，上述数据处理存在的问题是计算位移时误用钢尺的量程，应该用钢尺的总长度。
(4)由题图可知，钢尺总长度为0.166 0 m，根据实验数据，正确的计算结果应该是g＝eq \f(2×0.166 0,0.185×0.185) m/s2＝9.70 m/s2。
1.需要平衡摩擦力(为了使绳子拉力即合力)
平衡摩擦力操作：(1)将长木板不带滑轮的一端垫高。
(2)穿上纸带，不挂重物。
(3)轻推小车，小车能匀速下滑则刚好平衡(要通过纸带打点，点迹是否均匀来判断是否匀速)。
2.实验方法：控制变量法。
3.探究结果：a与F(即合力)成正比，与M成反比。
4.误差分析：
(1)系统误差：因为悬挂物也有向下的加速度，因此绳子拉力必然小于悬挂物重力，而实验中用悬挂物的重力代替绳子拉力，使测量的加速度偏大。减小系统误差的方法：实验条件满足M小车≫m重物。
【拓展1】 消除系统误差的改进方案：用拉力传感器直接测量绳子的拉力。若采用该方案，则实验条件无需满足M小车≫m重物。
(2)偶然误差：未能平衡摩擦力，测量读数、作图等偶然误差。
如图所示
图线1：平衡摩擦力时长木板倾斜角太大。
图线2：未平衡摩擦力或平衡摩擦力时长木板倾斜角太小。
5.数据处理：化曲为直，如图所示。
【拓展2】 有摩擦力情况下的图象处理，如图所示。
a＝eq \f(F－f,M)＝eq \f(1,M)F－eq \f(f,M)继续可推得a＝eq \f(1,M)F－μg，斜率大小表示eq \f(1,M)，横轴截距表示f，纵轴截距大小表示eq \f(f,M)，也即μg。
【例2】 某物理实验小组利用图2所示装置“探究小车的加速度与受力的关系”。
图2
(1)关于实验操作，下列说法正确的是________。
A.实验时，先释放小车再接通打点计时器的电源
B.调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行
C.每次改变重物质量时，不需要重新调整长木板的倾斜度
D.为尽可能减小实验误差，小车的质量应远大于重物的质量
(2)一次实验中获得的纸带如图3所示，已知所用电源的频率为50 Hz，每5个点取一个计数点，A、B、C、D、E、F、G为所取计数点，由图中数据可求得加速度大小a＝________ m/s2(计算结果保留2位有效数字)。
图3
图4
(3)实验小组先保持小车质量为m1不变，改变小车所受的拉力F，得到a随F变化的规律如图4中直线A所示，然后实验小组换用另一质量为m2的小车，重复上述操作，得到如图4中所示的直线B，由图可知，m1________m2(选填“大于”或“小于”)，直线B不过坐标原点的原因是______________________________。
答案 (1)BCD (2)0.18 (3)小于 长木板倾斜程度过大，平衡摩擦力过度
解析 (1)实验时，要去先接通打点计时器的电源再释放小车，A错误；绳子的拉力应与运动方向一致，故应调节滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板保持平行，B正确；平衡后，应有μmgcs θ＝mgsin θ，即有μ＝tan θ，故每次改变重物质量时，不需要重新调整长木板的倾斜度，C正确；为尽可能减小实验误差，实验要求小车的质量应远大于重物的质量，D正确。
(2)设AD为x1，DG为x2，由题图乙可得x1＝3.70 cm－0.40 cm＝3.30 cm，x2＝8.60 cm－3.70 cm＝4.90 cm，所用电源的频率为50 Hz，每5个点取一个计数点，可得AD之间的时间间隔为t＝3×0.02×5 s＝0.3 s
根据匀变速直线运动的推论，即
Δx＝x2－x1＝at2
代入数据解得a＝0.18 m/s2。
(3)根据牛顿第二定律可得a＝eq \f(F,m)，
a－F图线斜率大小表示eq \f(1,m)，由图线可知，A的斜率大于B的，故m1