学生实验第二课时教学设计

专题十四 力学实验 教案

一．

专题要点

1、测定匀变速运动的加速度

实验目的: ①练习使用打点计时器，学习利用打上点的纸带研究物体的运动。

②学习用打点计时器测定即时速度和加速度。

实验原理: ①打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，它每隔0.02s打一次点（由于电源频率是50Hz），因此纸带上的点就表示了和纸带相连的运动物体在不同时刻的位置，研究纸带上点之间的间隔，就可以了解物体运动的情况。

②由纸带判断物体做匀变速直线运动的方法：如图所示，0、1、2…为时间间隔相等的各计数点，s1、s2、s3、…为相邻两计数点间的距离,若△s=s2-s1=s3-s2=…=恒量，即若连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量,则与纸带相连的物体的运动为匀变速直线运动。 ③由纸带求物体运动加速度的方法：

ass2s1(s3s4)(s2s1)(s4s5s6)(s3s2s1t2t2t2)t2

掌握二、三、四、六段的方法④由纸带求物体运动速度的方法：vX某点vt

2、验证力的合成的平行四边形定则

实验目的: 验证力的合成的平行四边形定则。

实验原理: 此实验是要用互成角度的两个力与一个力产生相同的效果（即：使橡皮条在某一方向伸长一定的长度），看其用平行四边形定则求出的合力与这一个力是否在实验误差允许范围内相等，- 1 -

如果在实验误差允许范围内相等，就验证了力的平行四边形定则 注意事项: ①用弹簧秤测拉力时，应使拉力沿弹簧秤的轴线方向，橡皮条、弹簧秤和细绳套应位于与纸面平行的同一平面内。

②同一次实验中，橡皮条拉长后的结点位置O必须保持不变。

3、验证牛顿第二定律

实验原理: ①如图所示装置，保持小车质量M不变，改变小桶内砂的质量m，从而改变细线对小车的牵引力F(当m<

②保持小桶和砂的质量不变，在小车上加减砝码, 改变小车的质量M，测出小车的对应加速度a, 由多组a、M数据作出加速度和质量倒数的关系a-M-1图线, 验证加速度是否与质量成反比。 ③平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，反复移动垫块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）。

4、 验证机械能守恒定律。

注意：①先接通电源后松开纸带，让重锤自由下落。

②在打好点的纸带中挑选第一、二两点间的距离接近2mm，且点迹清晰的一条纸带。 ③计算各点对应的势能减少量mghn和动能的增加量1/2mv2n，进行比较 ④因不需要知道动能和势能的具体数值，所以不需要测量重锤的质量。

- 2 -

二．

考纲要求

考点

考点解读

实验一：研究匀变速直线物理实验为高考必考内容，近年的高考物理试题，越来运动

越重视对实验的考查，尤其是除了对教材中原有的实验二：探究弹簧弹力和学生实验进行考查为，还增加了对演示实验的考弹簧伸长的关系

查。利用学生所学过的知识，对实验仪器或实验方实验三：验证力的平行四法加以重组完成新的实验目的的设计型实验将逐边形定则

步取代对教材中原有单纯学生实验的考查。

实验四：验证牛顿运动定历届高考在实验方面的命题重点为：基本仪器的使用、律

基本物理量的测定、物理规律的验证和物理现象的实验五：探究动能定理

研究、实验数据的处理。

实验六：验证机械能守恒高考中物理实验题类型大体有：⑴强调基本技能，熟识定律

各种器材的特性。像读数类：游标卡尺、螺旋测微器、多用电表等；选器材类：像选取什么量程的电表和滑动变阻器等⑵重视实验原理，巧妙变换拓展。像探究匀变速直线运动的变形和测量电阻的再造等。源于课本不拘泥课本一直是高考命题与课标理念所倡导的，所以熟悉课本实验、抓住实验的灵魂---原理是我们复习的重中之重。⑶提倡分析讨论，讲究实验的品质，像近年高考中的数据处理、误差分析、改良方案，甚至开放性实验等于课标的一标多本思路是交汇的。⑷知识创新型实验。像设计型、开放型、探讨型实验等都是不同程度的创新，比如利用所学可以设计出很多测量重力加速度的方案。

三．

教法指引

此专题复习时，先把所有要求掌握的书本实验的原理全部讲透，可以先让学生完成相应的习- 3 -

题，在精心批阅之后以题目带动知识点，进行目的、原理、器材、步骤、数据处理、误差分析、注意事项的讲解，有时还要恰当地进行变式训练二轮复习时还是要稳扎稳打，从基本知识出发，在夯实基础的情况下再进行适当提高。

四．

典例精析

题型1.（研究平抛运动）某同学得用图1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2所示。图2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、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）

（1）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=____①_____m，y1y2=____②______m，x1x2=____③______m（保留两位小数）。

（2）若已测知抛出后小球在水平方向上做匀速运动。利用（1）中读取的数据，

求出小球从P1运动到P2所用的时间为______④__________s，小球抛出后的水平速度为________⑤__________m／s（均可用根号表示）。

（3）已测得小球抛也前下滑的高度为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，- 4 -

E1E2E100%=________⑥__________%（保留两位有效数字）

1

解析：本题考查研究平抛运动的实验.由图可知P1到P2两点在竖直方向的间隔为6格, P1到P3两点在竖直方向的间隔为16格所以有y1y2=0.60m.y1y3=1.60m. P1到P2两点在水平方向的距离为6个格，则有x1x2=0.60m. (2)由水平方向的运动特点可知P1到P2 与P2到P3的时间相等,根据xat2,解得时间约为0. 2s,则有vxot0.600.23.0m/s

(3)设抛出点为势能零点,则开始下滑时的机械能为E1=mgh=mg/2,抛出时的机械能为E2=12mv2EE2o=4.5m,则根据1E0.082。

1

题型2.

（研究加速度和力的关系）如图为“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

- 5 -

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：（1）因为要探索“加速度和力的关系”所以应保持小车的总质量不变，钩码所受的重力作为小车所受外力；（2）由于OA段a-F关系为一倾斜的直线，所以在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；由实验原理：mgMa得amgMFM，而实际上amg(Mm)，可见AB段明显偏离直线是由于没有满足M>>m造成的

题型3. （验证平行四边形定则）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）和若干小事物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉字，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端分别在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第二条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细胞挂一重物。

①为完成实验，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．测量悬挂重物后像皮筋的长度

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，改变条件再次实验证，可采用的方法是

解析：①bcd；②更换不同的小重物

题型4.（力的功与物体速度的关系）

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，实验装置如图所师，实验主要过程如下：

（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v1、v2、v3、……；

（3）作出Wv草图；

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（4）分析Wv图像。如果Wv图像是一条直线，表明∝v；如果不是直线，可考虑是否存在W∝v2、W∝v3、W∝v等关系。

以下关于该试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条橡皮筋进行是实验时，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。

解析：本实验的目的是探究橡皮绳做的功与物体获得速度的关系。这个速度是指橡皮绳做功完毕时的速度，而不整个过程的平均速度，所以D选项是错误的。

题型5.

（测定重力加速度）如图所示，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。

①

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

②

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：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的距离，需要刻度尺，选D。

②由公式v22gh，如绘出v22h图像，其斜率也等于重力加速度。

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题型6.（测定弹簧的劲度系数）在弹性限度内，弹簧弹力的大小与弹簧伸长(或缩短)的长度的比值，叫做弹簧的劲度系数。为了测量一轻弹簧的劲度系数，某同学进行了如下实验设计：如图所示，将两平行金属导轨水平固定在竖直向下的匀强磁场中，金属杆ab与导轨接触良好，水平放置的轻弹簧一端固定于O点，另一端与金属杆连接并保持绝缘。在金属杆滑动的过程中，弹簧与金属杆、金属杆与导轨均保持垂直，弹簧的形变始终在弹性限度内，通过减小金属杆与导轨之间的摩擦和在弹的形变较大时读数等方法，使摩擦对实验结果的影响可忽略不计。

请你按要求帮助该同学解决实验所涉及的两个问题。

①帮助该同学完成实验设计。请你用低压直流电源（）、滑动变阻器()、电流表（）、开关（）设计一电路图，画在图中虚线框内，并正确连在导轨的C、D两端。

②若已知导轨间的距离为d,匀强磁场的磁感应强度为B,正确连接电路后，闭合开关，使金属杆随挡板缓慢移动，当移开挡板且金属杆静止时，测出通过金属杆的电流为I1,记下金属杆的位置，断开开关，测出弹簧对应的长度为x1;改变滑动变阻器的阻值，再次让金属杆静止时，测出通过金属杆的电流为I2,弹簧对应的长度为x2,则弹簧的劲度系数k=__________。

解析：①低压直流电源E、滑动变阻器R、电流表、开关S串接在CD两点之间，如右图所示。

②设弹簧原长为L0，应用胡克定律有K(X1－L0)＝BI1d、K(X2－L0)＝BI2d，

两式相减可得K(X1－X2)＝B（I1－I2）d，解得K＝Bd(I1I2)x；

1x2题型7.（验证机械能守恒定律）如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1＞m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。

（1）若选定物块A从静止开始下落的过程中进行测量，则需要测量的物理量有_________。

①物块的质量m1、m2；

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②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；

③物块B下落的距离及下落这段距离所用的时间；

④绳子的长度。

（2）为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：

①绳的质量要轻；

②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；

③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；

④两个物块的质量之差要尽可能小。

以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_________。

（3）写出一条．．上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：______________________________________________________________________________。

解析：（1）通过连结在一起的A、B两物体验证机械能守恒定律，既验证系统的势能变化与动能变化是否相等，A、B连结在一起，A下降的距离一定等于B上升的距离；A、B的速度大小总是相等的，故不需要测量绳子的长度和B上升的距离及时间。（2）如果绳子质量不能忽略，则A、B组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能，从而为验证机械能守恒定律带来误差；若物块摇摆，则两物体的速度有差别，为计算系统的动能带来误差；绳子长度和两个物块质量差应相当。（3）多次取平均值可减少测量误差，绳子伸长量尽量小，可减少测量的高度的准确度。

规律总结：此题为一验证性实验题。要求根据物理规律选择需要测定的物理量，运用实验方法判断如何减小实验误差。掌握各种试验方法是解题的关键。

题型8.（螺旋测微器读数）某同学用螺旋测微器测量一铜丝的直径，测微器的示数如图所示，该铜丝的直径为______mm．

解析：螺旋测微器固定刻度部分读数为4.5mm，可动刻度部分读数为0.093mm，所以所测铜丝直径为4.593mm。

规律总结：螺旋测微器的读数是高考常考点，采用“固定刻度+可动刻度=读数”的方法进行。

- 9 -

题型9.（探究弹力和弹簧伸长的关系）某同学和你一起探究弹力和弹簧伸长的关系，并测弹簧的劲度系数k。做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上，然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧，并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上。当弹簧自然下垂时，指针指示的刻度数值记作L0，弹簧下端挂一个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L1;弹簧下端挂两个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L2;……;挂七个50g的砝码时，指针指示的刻度数值记作L2。

①下表记录的是该同学已测出的6个值，其中有两个数值在记录时有误，它们的代表符号分别是

和

．

测量记录表：

代表符号

L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 刻度数值/cm 1．70 3．40 5．10

8．60 10．3 12．1

②实验中，L3和L2两个值还没有测定，请你根据上图将这两个测量值填入记录表中。

③为充分利用测量数据，该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差，分别计算出了三个差值：

d1L1Ln6.90cm,d2L3L16.90cm,d3L3L27.00cm。

请你给出第四个差值：dA=

＝

cm。

④根据以上差值，可以求出每增加50g砝码的弹簧平均伸长量L。L用d1、d2、d3、d4 表示的式子为：L＝

，

代入数据解得L＝

cm。

⑤计算弹簧的劲度系数k＝

N/m。（g取9．8m/s2）

解析：读数时应估读一位，所以其中L5 、L6两个数值在记录时有误。根据实验原理可得后- 10 -

面几问的结果。答案：（2）①L5 L6 ②6.85(6.84-6.86) 14.05(14.04-14.06) ③L7L37.20(7.18-7.22) ④(d1d2d3d4)

1.75

⑤28 44规律总结：此题考查了基本仪器（刻度尺）的使用，以及基本试验方法（逐差法）的应用。这是高中物理实验的基本能力的考查，值得注意。

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