2020版物理新导学浙江选考大一轮精讲讲义:第十四章 实验与探究 第2讲 Word版含答案.pdf
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1、第第 2 讲 力学实验讲 力学实验(二二) 实验 4:研究平抛运动 一、实验原理 平抛运动可以看作是两个分运动的合运动:一个是水平方向的匀速直线运动,另一个是竖直 方向的自由落体运动.令小球做平抛运动,利用描点法描出小球的运动轨迹,即小球做平抛运 动的曲线,建立坐标系. 测出曲线上某一点的坐标 x 和 y,根据重力加速度 g 的数值,利用公式 y gt2求出小球飞行 1 2 时间 t,再利用公式 xvt,求出小球的水平分速度 vx,即为小球做平抛运动的初 2y g g 2y 速度. 二、实验装置图及器材 如图 1 所示, 图 1 斜槽、小球、木板、坐标纸、图钉、重垂线、直尺、三角板、铅笔等.
2、三、实验过程 1.安装斜槽轨道,使其末端保持水平. 2.将坐标纸固定在木板上,使木板保持竖直状态,小球的运动轨迹与板面平行,坐标纸方格 横线呈水平方向. 3.以斜槽末端为坐标原点沿重垂线画出 y 轴. 4.让小球从斜槽上适当的高度由静止释放,用铅笔记录小球做平抛运动经过的位置. 5.重复步骤 4,在坐标纸上记录多个位置. 6.在坐标纸上作出 x 轴,用平滑的曲线连接各个记录点,得到平抛运动的轨迹. 7.在轨迹上取几个点,使这些点在水平方向间距相等,研究这些点对应的纵坐标 y 随时间变 化的规律. 四、注意事项 1.斜槽末端的切线必须水平. 2.木板必须处在竖直面内且与小球运动轨迹所在的竖直平面
3、平行,并使小球的运动靠近木板 但不接触. 3.坐标原点(小球做平抛运动的起点)不是槽口的端点, 应是小球在槽口时球的球心在木板上的 水平投影点. 4.如果是用白纸,则应以小球在槽口时球的球心在木板上的水平投影点为坐标原点,在斜槽 末端悬挂重垂线,先根据重垂线方向确定 y 轴方向,再用直角三角板画出水平线作为 x 轴, 建立直角坐标系. 5.每次小球应从斜槽上的同一位置由静止开始滚下. 6.在平抛轨迹上选取距 O 点远些的点来计算球的初速度,这样可使结果的误差较小. 例 1 (2017浙江 4 月选考17)在“研究平抛运动”实验中, (1)图 2 是横挡条卡住平抛小球,用铅笔标注小球最高点,确定
4、平抛运动轨迹的方法,坐标原 点应选小球在斜槽末端点时的_. 图 2 A.球心 B.球的上端 C.球的下端 在此实验中,下列说法正确的是_.(多选) A.斜槽轨道必须光滑 B.记录的点应适当多一些 C.用光滑曲线把所有的点连接起来 D.y 轴的方向根据重垂线确定 (2)图 3 是利用实验装置拍摄小球做平抛运动的频闪照片,由照片可判断实验操作错误的是 _. 图 3 A.释放小球时初速度不为 0 B.释放小球的初始位置不同 C.斜槽末端切线不水平 (3)下图是利用稳定的细水柱显示平抛运动轨迹的装置,其中正确的是_. 答案 (1)B BD (2)C (3)B 解析 (1)因用铅笔标注小球最高点来确定平
5、抛运动轨迹,故坐标原点应选小球在斜槽末端点 时的球的上端,所以选 B.实验过程中,斜槽不一定光滑,只要能够保证从同一位置由静止释 放,即使轨道粗糙,摩擦力做功是相同的,离开斜槽末端的速度就是一样的,选项 A 错误, 记录的点适当多一些,能够保证描点平滑,选项 B 正确;作图象时,要使尽可能多的点在所 作曲线上,不在曲线上的点应尽可能均匀分布在所作曲线两侧,选项 C 错误;y 轴必须是竖 直方向的,即用重垂线确定,选项 D 正确. (2)由题图可知斜槽末端切线不水平,才会造成小球做斜抛运动,故选 C. (3)插入瓶中的另一根吸管使得瓶中压强与外界气压相等,目的就是为了保证水流流速不受瓶 内水面下
6、降而减小,能保证水面下降的一段时间内,得到稳定的细水柱,所以选 B. 变式 1 研究平抛运动的实验装置如图 4 所示. 图 4 (1)实验时,每次须将小球从轨道_(填字母). A.同一位置释放 B.不同位置无初速度释放 C.同一位置无初速度释放 (2)上述操作的目的是使小球抛出后_(填字母). A.只受重力 B.轨迹重合 C.做平抛运动 D.速度小些,便于确定位置 (3)实验中已测出小球半径为 r,则小球做平抛运动的坐标原点位置应是_(填字母). A.斜槽末端 O 点 B.斜槽末端 O 点正上方 r 处 C.斜槽末端 O 点正前方 r 处 D.斜槽末端 O 点正上方 r 处在竖直木板上的投影点
7、 答案 (1)C (2)B (3)D 变式2 某同学设计了一个研究平抛运动的实验.实验装置如图5甲所示, A是一块平面木板, 在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽(如图 6 甲中 P0P0、P1P1、),槽间距离均为 d. 把覆盖复写纸的白纸铺贴在硬板 B 上.实验时依次将 B 板插入 A 板的各插槽中,每次让小球 从斜轨的同一位置由静止释放.每打完一点后, 把 B 板插入后一槽中并同时向纸面内侧平移距 离 d.实验得到的小球在白纸上打下的若干痕迹点如图乙所示. 图 5 (1)实验前应对实验装置反复调节,直到_ _. 每次让小球从同一位置由静止释放, 是为了_ _. (2)每次将 B 板向内侧平
8、移距离 d, 是为了_ _. (3)在图乙中绘出小球做平抛运动的轨迹. 答案 (1)斜轨末端切线水平、A 板水平、插槽 P0P0垂直斜轨并在斜轨末端正下方 使小球 每次做平抛运动的初速度都相同 (2)使记录纸上每两点之间的水平距离相等 (3)见解析图 解析 (1)对实验装置反复调节的目的:使斜轨末端切线水平,以保证小球离开轨道时做平 抛运动;使 A 板水平,保证 B 板总处于同一高度;使插槽 P0P0垂直斜轨并在斜轨末端 正下方, 以保证 B 板在 P0P0时小球的痕迹为抛出点.每次让小球从同一位置由静止释放, 是 为了保证小球每次以相同初速度做平抛运动. (2)每次将 B 板向内侧平移距离
9、d,是为了使记录纸上每两点间的水平距离相等. (3)如图所示. 变式 3 图 6 是“研究平抛运动”的实验装置图,通过描点画出平抛小球的运动轨迹. 图 6 (1)以下是实验过程中的一些做法,其中合理的有_. A.安装斜槽轨道,使其末端保持水平 B.每次小球释放的初始位置可以任意选择 C.每次小球应从同一高度由静止释放 D.为描出小球的运动轨迹,描绘的点可以用折线连接 (2)实验得到平抛小球的运动轨迹,在轨迹上取一些点,以平抛起点 O 为坐标原点,测量它们 的水平坐标 x 和竖直坐标 y,下列图中 yx2图象能说明平抛小球运动轨迹为抛物线的是 _. (3)图 7 中是某同学根据实验画出的平抛小球
10、的运动轨迹,O 为平抛的起点,在轨迹上任取三 点 A、B、C,测得 A、B 两点竖直坐标 y1为 5.0 cm、y2为 45.0 cm,A、B 两点水平间距 x 为 40.0 cm.则平抛小球的初速度 v0为_ m/s,若 C 点的竖直坐标 y3为 60.0 cm,则小 球在 C 点的速度 vC为_ m/s.(结果均保留两位有效数字,g 取 10 m/s2) 图 7 答案 (1)AC (2)C (3)2.0 4.0 解析 (1)斜槽末端要保持水平,使小球飞出后做平抛运动,A 项正确;要使每次小球做平抛 运动的初速度相同,则每次小球应从同一高度由静止释放,B 项错误,C 项正确;描绘轨迹 时应用
11、平滑曲线连接各点,D 项错误. (2)对平抛运动,水平位移 xv0t,竖直位移 y gt2, 1 2 联立上述两式得 yx2,故 yx2图线应为直线,故选 C. g 2v02 (3)由 y gt2解得,从 O 点运动到 A、B、C 各点的时间分别为 t10.1 s、t20.3 s、t3 1 2 3 5 s, 则平抛初速度 v02.0 m/s, x t2t1 在 C 点速度 vC4.0 m/s.v02gt32 实验 5:探究做功与物体速度变化的关系 一、实验原理 1.不直接测量对小车做的功,用改变橡皮筋的条数确定对小车做的功为 W0、2W0、3W0 2.作出 Wv、Wv2图象,分析图象,寻求橡皮
12、筋对小车做的功与小车获得速度的关系. 二、实验装置图及器材 图 8 橡皮筋、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、木板、钉子、薄木片. 三、实验步骤 1.按图 8 组装好实验器材,由于小车在运动中会受到阻力,使木板适当倾斜来平衡摩擦力. 2.先用一条橡皮筋进行实验,把橡皮筋拉伸一定长度,理顺纸带,接通电源,放开小车. 3.换用纸带,改用 2 条、3 条同样的橡皮筋进行第 2 次、第 3 次实验,每次实验中橡 皮筋拉伸的长度都相同. 4.由纸带算出小车获得的速度, 把第 1 次实验获得的速度记为 v1, 第 2 次、 第 3 次记为 v2、 v3 5. 对测量数据进行估计,大致判断
13、两个量可能的关系,然后以 W 为纵坐标,以 v2(或 v、v3、 )为横坐标作图.v 四、数据处理 1.测量小车的速度:为探究橡皮筋弹力做功和小车速度变化的关系,需要测量弹力做功结束 时小车的速度,即小车做匀速运动的速度,由纸带可求得. 2.实验数据处理及分析 (1)观察法:当橡皮筋的条数成倍增加,即合外力做的功成倍增加时,观察小车的速度或速度 的平方如何变化,有何变化规律. (2)图象法:在坐标纸上画出 Wv 或 Wv2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位). 3.实验结论:从图象可知做功与物体速度变化的关系为 Wv2. 五、注意事项 1.平衡摩擦力很关键,将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向
14、下的分力与摩擦阻力平衡.方法 是轻推小车,由打点计时器打在纸带上点的均匀程度判断小车是否匀速运动,找到木板一个 合适的倾角. 2.测小车速度时,纸带上的点应选点迹均匀的部分,也就是选小车做匀速运动的部分. 3.橡皮筋应选规格一样的.力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可,不必计算出具体 数值. 4.小车质量应大一些,使纸带上打的点多一些. 例 2 如图 9 甲所示,在“探究做功与速度变化的关系”的实验中,主要过程如下: A.设法让橡皮筋对小车做的功分别为 W、2W、3W、; B.分析纸带,求出橡皮筋做功使小车获得的速度 v1、v2、v3、; C.作出 Wv 图象; D.分析 Wv 图象.如
15、果 Wv 图象是一条直线,表明 Wv; 如果不是直线,可考虑是否存在 Wv2、Wv3、W等关系.v (1)实验中得到一条如图乙所示的纸带, 求小车获得的速度应选_(选填 “AB” 或 “CD” ) 段来计算. 图 9 (2)关于该实验,下列说法正确的有_. A.通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加 B.通过改变小车质量可以改变橡皮筋对小车做的功 C.每次实验中,橡皮筋拉伸的长度必需保持一致 D.先接通电源,再让小车在橡皮筋的作用下弹出 (3)在该实验中,打点计时器正常工作,纸带足够长,点迹清晰的纸带上并没有出现一段等间 距的点,造成这种情况的原因可能是_.(写出一条即可)
16、答案 (1)CD (2)ACD (3)没有平衡摩擦力或木板的倾角过大或过小 解析 (1)由题图乙知:在 AB 之间,由于相邻计数点间的距离不断增大,而打点计时器每隔 相同时间打一个点,所以小车做加速运动.在 CD 之间相邻计数点间距相等,说明小车做匀速 运动.小车离开橡皮筋后做匀速运动,应选用 CD 段纸带来计算小车的速度 v. (2)该实验中利用相同橡皮筋形变量相同时对小车做功相同,通过增加橡皮筋的条数可以使橡 皮筋对小车做的功成整数倍增加,故 A 正确,B 错误 ; 为保证每根橡皮筋对小车做功一样多, 每次实验中橡皮筋拉伸的长度必需保持一致,故 C 正确;使用打点计时器时,应先接通电源 后
17、释放纸带,故 D 正确. (3)在该实验中,打点计时器正常工作,纸带足够长,点迹清晰的纸带上并没有出现一段等间 距的点,造成这种情况的原因可能是没有平衡摩擦力或木板的倾角过大或过小. 变式 4 (2018台州市 3 月选考模拟)在“探究做功与小车速度变化关系”的实验中,小张用 如图 10 所示装置进行探究. 图 10 (1)下列说法正确的是_. A.该方案需要平衡摩擦力 B.该方案需要重物的质量远小于小车的质量 C.该方案操作时细绳应该与木板平行 D.该方案处理数据时应选择匀速时的速度 (2)小张同学正确操作后获得了一条纸带, 如图 11 所示(截取了部分纸带), 电火花计时器打 “3” 点时
18、,小车的速度为_ m/s.(电火花计时器所用电源频率为 50 Hz,结果保留两位有效 数字) 图 11 (3)小张同学继续正确完成了该实验的其他操作,并绘制了 Wv 图象,最有可能的是下列图 象中的_. 答案 (1)ABC (2)0.33(0.320.34 均可) (3)C 变式 5 (2018宁波市重点中学联考)在“探究做功与物体速度变化的关系”实验中,有如下 两种参考方案: 图 12 (1)小张同学采用了如图 12 甲所示的实验方案(说明:实验中橡皮筋型号相同) 关于橡皮筋做功,下列说法正确的是_. A.橡皮筋做功的具体值可以直接测量 B.橡皮筋在小车运动的全过程中始终做功 C.通过增加橡
19、皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加 D.若橡皮筋伸长量变为原来的 2 倍,则橡皮筋做功也增加为原来的 2 倍 在正确操作情况下,打在纸带上的点如图 13 所示,点与点之间的时间间隔为 0.02 s,由图 可知,D 点距 O 点的距离为_ cm,请求出此次橡皮筋做功后小车最终获得的速度为 _ m/s(结果保留 3 位有效数字). 图 13 (2)小陈同学采用如图乙所示的实验方案 除图示器材外,他还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、 细沙、刻度尺,你认为还需要的实验器材有_. 小车在运动过程中会受到摩擦阻力的作用,实验中,可以使导轨适当倾斜来平衡小车受到 的摩
20、擦阻力,则为了判断是否已经平衡了摩擦阻力,下面操作正确的是_. A.将小车轻轻放在导轨上,放开小车后,小车能够沿导轨下滑 B.将小车轻轻放在导轨上,然后轻推小车,小车能够沿导轨匀速下滑 C.将连好纸带的小车靠近打点计时器放置,放手后小车能够沿导轨下滑 D.将连好纸带的小车靠近打点计时器放置,放手后轻推小车,小车能够沿导轨匀速下滑 答案 (1)C 4.10(4.100.02 均可) 1.10(1.100.02 均可) (2)天平 D 变式 6 某学习小组利用如图 14 所示的装置探究做功与物体速度变化的关系. 图 14 (1)将气垫导轨调至水平,安装好实验器材,从图中读出两光电门之间的距离 s_
21、 cm. (2)测量挡光条的宽度 d,记录挡光条通过光电门 1 和 2 所用的时间 t1和 t2,并从拉力传感 器中读出滑块受到的拉力 F,为了完成实验,还需要直接测量的一个物理量是_. (3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量? _(填“是”或“否”). 答案 (1)50.0 (2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量 (3)否 解析 (1)光电门 1 处刻度尺读数为 23.0 cm,光电门 2 处刻度尺读数为 73.0 cm,故两光电门 之间的距离 s73.0 cm23.0 cm50.0 cm. (2)由于光电门的宽度 d 很小,所以我们用很短时间内的平
22、均速度代替瞬时速度,滑块通过光 电门 1 的速度为 v1,滑块通过光电门 2 的速度为 v2,根据功能关系知需要验证的 d t1 d t2 关系式为 Fs Mv22 Mv12 M()2 M()2,可见还需要测量出 M,即滑块、挡光条 1 2 1 2 1 2 d t2 1 2 d t1 和拉力传感器的总质量. (3)该实验中由于已经用拉力传感器测出绳子拉力大小,没有将砝码和砝码盘的重力作为滑块 受到的拉力, 故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于滑块、 挡光条和拉力传感器的总质量. 实验 6:验证机械能守恒定律 一、实验原理 1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的动能与重力势能相互转化,但总
23、的机械能保持 不变.若某一时刻物体下落的瞬时速度为 v,下落高度为 h,则应有 mgh mv2.借助打点计时 1 2 器,测出重物某时刻的下落高度 h 和该时刻的瞬时速度 v,即可验证机械能是否守恒. 2.测定第 n 点的速度的方法:vn或 vn. xnxn1 2T hn1hn1 2T 二、实验装置图 图 15 三、实验步骤 1.按图 15 安装实验器材,电源接学生电源,并将输出电压调至 46 V 交流.接通电源前,用 手提升纸带至重物靠近打点计时器. 2.先接通电源,再松开纸带,让重物自由下落.关闭电源,取下纸带备用. 3.重复步骤 2 两次. 4.取点迹清晰,且第一、二点距离接近 2 mm
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