“纸带类”实验专题复习

nullnull“纸带类”实验专题——以“以点带面”的方法进行实验复习null以点带面，实验复习的一种有效策略 以点带面实验复习法，就是在实验复习中紧紧抓住与之相关的重难点，把握总体结构，摸清各的结构体系，以点带面，用面促点，使所掌握的知识相互关联而不孤立零碎，通过这种方法可以让同学们对知识进行整体性，综合性，使同学们能达到更高层次，使知识在头脑中清晰化，网络化，系统化，从而提高解决问题的能力。一、用一种仪器，复习若干个知识内容打点计时器是高中阶段学到的第一个重要的实验仪器，其用途非常广泛，也是的热点，借助它不仅可以确定时间这个物理量，还可以实现其他许多功能（1）根据打点计时器打出的纸带可以测量哪些物理量？哪些是直接测量量？哪些是间接测量量？（2）如果把纸带与匀变速运动联系起来，能做什么？(可以探究小车的运动规律等）（3）如果把纸带与牛顿第二定律联系起来，能做什么？（可以探究加速度与力、质量的关系等）（4）如果把纸带与动能定理结合起来，能做什么？（可以做验证动能定理的实验等)（5）如果把打点计时器置于竖直方向使用，能做什么？(可以做验证机械能守恒定律的实验等)（时间，位移，速度，加速度等）null二、用一种装置，复习若干种实验方法《考试大纲》规定高中生应该掌握的实验有十二个，但不同的实验之间有许多联系，尤其大知识领域内的实验，相似之处就更多。如图所示的实验装置，在力学实验中频繁出现，下面举例说明。例：用该装置可以做“探究小车速度随时间变化的规律”实验在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，如图给出了从0点开始，每5个点取一个计数点的纸带，其中0、1、2、3、4、5、6都为计数点。 测得： s1= 1.40 cm， s2=1.90 cm ， s3=2.38 cm， s4= 2.88 cm， s5=3.39 cm， s6=3.87 cm。那么：（1）在计时器打出点1、2、3、4、5时，小车的速度分别为：v1= cm/s，v2= cm/s，v3= cm/s ， v4= cm/s ，v5= cm/s 。 （2）在平面直角坐标系中作出速度—时间图象。 （3）分析小车运动速度随时间变化的规律。31.3516.5021.4026.30 36.30null变式1 探究加速度与力例1（山东卷—23）（1）某同学设计了如下图所示的装置来探究加速度与力的关系。弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距。开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间。 ①木板的加速度可以用d、t表示为a＝　　　　；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是（一种即可）　 。 、  　　③用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是　　　　　。   　　a．可以改变滑动摩擦力的大小   　　b．可以更方便地获取多组实验数据   　　c．可以比较精确地测出摩擦力的大小   　　d．可以获得更大的加速度以提高实验精度，当瓶和水的质量远大于木板质量时，加速度趋于某一值，所以正确答案为C；③BC。   　　【点评】此题探究加速度和力的关系，原理来自课本，采用的装置取材于生活中常见物品。在课本原有实验的基础上增加了新的元素，考查了考生分析理解能力。这也是近几年高考实验命题的趋势：即使是对课本上原有的实验，单靠死记硬背是远远不够的。例1（2010年山东卷—23）（1）某同学设计了如下图所示的装置来探究加速度与力的关系。弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d。开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t。 ②改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧秤示数F1的关系。右面图象能表示该同学实验结果的是　　　　。2d/t2保证F1不变，重复实验多次测量，求平均值　C　bcnull【解析】（1）①木板在MN与PQ间做初速度为零的匀加速运动，d=(1/2)at2，所以a＝　2d/t2 ，保证F1不变，重复实验多次测量，求平均值； ②由题目条件可知加速度a=(F1-F0)/m，当瓶和水的质量远大于木板质量时，加速度趋于某一值，当矿泉水瓶中的水的质量达到一定量后，图像将向下弯曲，所以正确答案为C； ③由于水的质量几乎可以连续变化，所以可以比较精确地测出摩擦力的大小，可以方便地获取多组实验数据，所以选项B、C正确。【点评】这是一道充满生活情趣的，也是一个课题资源开发的优秀案例，既把“相互作用”章节中的“摩擦力”一节中的演示实验与“探究加速度与力、质量的关系”的巧妙融合，又是旧题翻新和拓展。用矿泉水瓶替代沙桶、表面光滑的铅笔代替定滑轮、在桌上画出两条平行线等都体现了探究性实验的思想。本实验源于教材高于教材，它既考查了原实验的实验条件，又考查了学生对新情境的把握和理解，以及牛顿运动定律解题思维和分析评估实验的能力。这也是近几年高考实验命题的趋势：即使是对课本上原有的实验，单靠死记硬背是远远不够的。null变式2 研究物体的运动（2008年重庆卷）某实验小组拟用如题22图1所示装置研究滑块的运动.实验器材有滑块、钩码、纸带、米尺、带滑轮的木板，以及由漏斗和细线组成的单摆等.实验中，滑块在钩码作用下拖动纸带做匀加速直线运动，同时单摆垂直于纸带运动方向摆动，漏斗漏出的有色液体在纸带带下留下的痕迹了漏斗在不同时刻的位置.①在图2中，从            纸带可看出滑块的加速度和速度方向一致。 ②用该方法测量滑块加速度的误差主要来源有：       、      （写出2个即可）【解析】①根据匀变速直线运动的特点，由图1可知，在图2中逆着运动方向在相等时间内位移的变化逐渐增大，所以选B纸带； ②本实验方法测量滑块加速度的误差主要来源比较多，摆长的测量、漏斗重心的变化，液体痕迹偏粗、阻力变化等产生的误差。【点评】这是一道非常具有创意的实验题，本题把测量振动图象的演示实验和本实验结合，用运动的单摆作为计时仪器，既考查了同学们对振动图象的理解，又考查了同学们对纸带痕迹与运动关系的判断，给我们一种妙不可言的感觉。 B摆长的测量漏斗重心的变化 null变式3 探究物体受空气阻力时速度变化规律（2010年全国高考江苏卷）为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学采用了“加速度与物体质量、物体受力关系”的实验装置（如图所示）。实验时，平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力。（1)往砝码盘中加入一小砝码，在释放小车              （选填“之前”或“之后”）接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点。 （2）从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间t与速度v的数据如下表：请根据实验数据作出小车的v-t图像。 （3）通过对实验结果的分析，该同学认为：随着运动速度的增加，小车所受的空气阻力将变大，你是否同意他的观点？请根据v-t图象简要阐述理由。【解析】 （1）对于这个问题，本实验的操作规则是：先开电源，再放纸带，故填“之前”。 （2）根据数据记录表，建立合理的坐标系，描点绘图可得如图3所示的v-t图像。 （3）同意。因为在v-t图像中，速度越大时，加速度越小，小车所受的合力越小，则小车所受的空气阻力越小。【点评】本实验是“探究加速度与力的关系”和“探究小车速度随时间变化的规律”两个实验的融合，它既考查了实验的规范操作、实验数据的函数图像处理能力和识别能力，又将牛顿运动定律解题的思维方法融入其中。之前null变式4 测量动摩擦因数（2008年宁夏卷）某物理兴趣小组在一次探究实验活动中，要测量滑块与木板之间的动摩擦因数．实验装置如图所示，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，右端装有定滑轮；木板上有一滑块，其左端与穿过电磁打点计时器的纸带相连，右端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接．打点计时器使用的交流电源频率为50 Hz．开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速直线运动，在纸带上打出一系列点． （1）上图给出的是实验中获取纸带的一部分：0、1、2、3、4、5、6是计数点，每相邻两计数点间还有4个点未画出，用刻度尺测量出计数点间的距离如图所示．根据图中数据可以计算出：加速度a=                    m/s2 （保留三位有效数字）⑵回答下列两个问题： ①为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有 ( )（填入所选物理量前的字母） A．木板的长度l B．木板的质量m1 C．滑块的质量m2 D．托盘和砝码的总质量m3 E．滑块运动的时间t ②测量①中所选定的物理量时需要的实验器材是                       ⑶滑块与木板间的动摩擦因数μ＝    （用被测物理量的字母表示，重力加速度为g）．与真实值相比，测量的动摩擦因数                     （填“偏大”或“偏小” ）．写出支持你的看法的一个论据：                 0.497CD天平 [m3g-(m2+m3)a]/m2g偏大实验中还有其他阻力作用null变式5 探究“动能原理” （2009年全国高考广东卷）某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”，如图，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。在水平桌面上相距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M1;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，其中M是M1与小车中砝码质量m之和，|v22－v12| 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△E，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、B间所作的功。表格中△E3=　 ，W3= 　 .(结果保留三位有效数字)（3）根据表1，请在图中的方格纸上作出△E-W图线。小车、砝码先打开电源，然后释放小车减少砝码0.6000.610null【解析】（1）①由于拉力大小可用拉力传感器直接测出，所以只需要直接测出小车质量； ②本实验在这个步骤的操作规则是：“先开电源、再放纸带”。而涉及本实验的则是“打开电源，由静止开始释放小车”； ③减少砝码数目，改变小车质量。 （2）根据题意有： △E3=1/2M1（v12-v22）=0.600J W3=F3L=0.610J （3）根据数据记录表，在方格纸上作出△E-W图线如图所示 【点评】将STS应用于本实验是本题非常精彩的一笔。用速度传感器取代纸带，用拉力传感器直接测出细线的拉力，改革了传统的测量模式，培养了同学们的创新意识，是课标精神的重要体现。由于拉力可以用拉力传感器直接测出，所以不必考虑小车质量与钩码质量的关系。本实验重点考查了实验原理，同时也考查了实验步骤、描点画图、实验数据的计算、有效数字的处理和用探究思维解答问题几方面的能力。null变式6 探究机械能守恒定律利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图1所示：（1）实验步骤 ①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平。 ②用游标卡尺测量挡光条的宽度L，结果如图2所示，由此读为L=      mm③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=      cm。 ④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2。 ⑤从数字计数器（图1中未画出）上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间△t1 和△t2⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m。 （2）有表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式：  ①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1=     和v2=      ②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和砝码）的总动能分别为EK1=          和EK2=                   。 ③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少△Ep=      （重力加速度为g）。（3）如果△Ep ≈          ，则可认为验证了机械能守恒定律。 【点评】本实验是多种考查形式的高度融合。既有考查刻度尺与游标卡尺两种不同长度测量仪器的读数融合，又有刻度尺与游标卡尺的读数与“验证机械能守恒定律”的融合。将“气垫导轨”运用在“探究小车速度随时间变化的规律”试验中，使原实验变成验证机械能守恒定律的实验，恰到好处地挖掘出原实验的内涵。本实验利用光电门求速度也是教科书习题与本实验的结合。9.3060.00L/  △t1L/ △t2 1/2(M+m)(L/△t1)21/2(M+m)(L/△t2)2mgsEk2 - Ek1null三、用一种方法，复习若干种达到同样效果的不同措施逐差法求加速度是比较常用的一种方法，不仅可用于纸带，还可用于转棒、沙摆、滴水、频闪照片等。通过逐差法这个“点”，来复习若干种不同的措施“面”，便于同学们从中找出异同、总结规律。它们的共同点是连续相等时间内的不同位移，不同点是实现的连续相同时间的措施不同1.通过纸带实现连续相同的时间 （例1，变式1）2.通过沙摆实现连续相同的时间 （变式6）3.通过转棒实现相同的时间例 用包有白纸的质量为1.00kg的圆柱棒替代纸带和重物，蘸有颜料的毛笔固定在电动机上并随之转动，使之替代打点计时器。当烧断悬挂圆柱棒的线后，圆柱棒竖直自 由下落，毛笔就在圆柱棒面上的纸上画出记号，如图乙所示，设毛笔接触棒时不影响棒的运动。测得记号之间的距离依次为26.0mm、42.0mm、58.0mm、74.0mm、90.0mm、106.0mm，已知电动机铭牌上标有“1440r/min”字样，由此验证机械能守衡。根据以上内容。回答下列问题（计算结果保留三位有效数字）： （1）毛笔画相邻两条线的时间间隔T= s，图乙中的圆柱棒的 端是悬挂端（填左或右）。 （2）根据乙所给的数据，可知毛笔画下记号C时， 圆柱棒下落的速度v = m/s；画下记号D时，圆柱棒下落的速度v = m/s；记号C、D之间棒的动能的变化量为 J，重力势能的变化量为 J（g=9.8m/s2）。由此可得出的结论是：0.0417左1.191.580.5240.568在误差允许的范围内，圆柱棒的机械能是守恒的。null4.通过滴水实现连续相同的时间例 一个小车M上装有一个滴墨水的容器，每分钟滴出120滴墨水。重物N通过滑轮用绳拉动小车做匀加速直线运动，小车经过处，在桌面上留下一系列墨滴，如图。测出ab=0.12m，bc=0.14m，cd=0.16m。则小车在b点、c点处的瞬时速度分别为  m/s和  m/s。小车运动的加速度为  m/s2。5.通过频闪照片实现连续相同的时间例 在研究平抛运动的实验中，用一张印有小方格的纸记录轨迹，小方格的边长L=1.25cm，若小球在平抛运动途中的几个位置如图a、b、c、d所示，则小球平抛的初速度的计算式为v0=    (用L、g表示)，其值是    (取g=9.8m／s2 ）0.260.300.082√gL 0.70m/s