（天津专用）2020届高考物理一轮复习 专题十七 实验与探究教师用书（PDF，含解析）

１４４　　５年高考３年模拟Ｂ版（教师用书）专题十七实验与探究对应学生用书起始页码Ｐ２５１考点一力学实验　　一、打点计时器系列实验中纸带的处理１．纸带的选取：一般实验应选取点迹清晰、无漏点且有足够多点的纸带。在“验证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二两计时点，并且第一、二两计时点距离接近２．０ｍｍ。２．选取计数点：打点计时器每打ｎ个点取一个计数点，则相邻计数点时间间隔为ｎ个打点时间间隔。３．测量计数点间距离：为了测量、计算方便和减小偶然误差，测量距离时不要分段测量，尽可能一次测量完毕，即测量计数起点到其他各计数点的距离。如图所示，则由图可得：ｓⅠ＝ｓ１，ｓⅡ＝ｓ２－ｓ１，ｓⅢ＝ｓ３－ｓ２，ｓⅣ＝ｓ４－ｓ３，ｓⅤ＝ｓ５－ｓ４，ｓⅥ＝ｓ６－ｓ５４．判定物体运动的性质（１）若ｓⅠ、ｓⅡ、ｓⅢ、ｓⅣ、ｓⅤ、ｓⅥ基本相等，则可判定物体在实验误差范围内做匀速直线运动。（２）设Δｓ１＝ｓⅡ－ｓⅠ，Δｓ２＝ｓⅢ－ｓⅡ，Δｓ３＝ｓⅣ－ｓⅢ，Δｓ４＝ｓⅤ－ｓⅣ，Δｓ５＝ｓⅥ－ｓⅤ若Δｓ１、Δｓ２、Δｓ３、Δｓ４、Δｓ５基本相等，则可判定物体在实验误差范围内做匀变速直线运动。５．测定第ｎ点的瞬时速度物体做匀变速直线运动时，在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。即测出第ｎ点的相邻前、后两段相等时间Ｔ内的位移，由平均速度公式即可求得第ｎ点的瞬时速度，如图中第４点的瞬时速度为：ｖ４＝ｓⅣ＋ｓⅤ２Ｔ＝ｓ５－ｓ３２Ｔ。６．测定做匀变速直线运动物体的加速度一般用逐差法求加速度。将如图所示的连续相等时间间隔Ｔ内的位移ｓⅠ、ｓⅡ、ｓⅢ、ｓⅣ、ｓⅤ、ｓⅥ分成三组，利用Δｓ＝ａＴ２可得：ａ１＝ｓⅣ－ｓⅠ３Ｔ２、ａ２＝ｓⅤ－ｓⅡ３Ｔ２、ａ３＝ｓⅥ－ｓⅢ３Ｔ２，再算出ａ１、ａ２、ａ３的平均值，即ａ＝ａ１＋ａ２＋ａ３３，就是所测做匀变速直线运动物体的加速度。　　二、基本力学实验１．研究性实验实验名称实验原理实验装置数据处理方法研究匀变速直线运动通过纸带数据分析运动（１）利用连续相等时间内的位移之差等于恒量进行有关计算或判断（２）利用平均速度法求瞬时速度（３）利用Δｘ＝ａＴ２（或逐差法）求ａ（４）利用ｖ－ｔ图像求ａ研究平抛运动通过描绘轨迹分析运动取点分析法ｙ２－ｙ１＝ｇＴ２Δｘ＝ｖ０Ｔ　　某同学用如图所示的实验装置研究小车在斜面上的运动。实验步骤如下：ａ．安装好实验器材。ｂ．接通电源后，让拖着纸带的小车沿平板斜面向下运动，重复几次。选出一条点迹比较清晰的纸带，舍去开始密集的点迹，从便于测量的点开始，每两个打点间隔取一个计数点，如图中０、１、２、…、６点所示。ｃ．测量１、２、３、…、６计数点到０计数点的距离，分别记作：ｘ１、ｘ２、ｘ３、…、ｘ６。ｄ．通过测量和计算，该同学判断出小车沿平板做匀加速直线运动。􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋十七　实验与探究１４５　　ｅ．分别计算出ｘ１、ｘ２、ｘ３、…、ｘ６与对应时间的比值ｘ１ｔ１、ｘ２ｔ２、ｘ３ｔ３、…、ｘ６ｔ６。ｆ．以ｘｔ为纵坐标、ｔ为横坐标，标出ｘｔ与对应时间ｔ的坐标点，画出ｘｔ－ｔ图线。结合上述实验步骤，请你完成下列任务：①实验中，除打点计时器（含纸带、复写纸）、小车、平板、铁架台、导线及开关外，在下面的器材中，必须使用的有　　　　和　　　　。（填选项代号）Ａ．电压合适的５０Ｈｚ交流电源Ｂ．电压可调的直流电源Ｃ．刻度尺　　Ｄ．秒表　　Ｅ．天平　　Ｆ．重锤②将分度值为１ｍｍ的刻度尺的０刻线与０计数点对齐，０、１、２、５计数点所在位置如图所示，则ｘ２＝　　　　ｃｍ，ｘ５＝　　　　ｃｍ。③该同学在图中已标出１、３、４、６计数点对应的坐标点，请你在该图中标出与２、５两个计数点对应的坐标点，并画出ｘｔ－ｔ图线。④根据ｘｔ－ｔ图线判断，在打０计数点时，小车的速度ｖ０＝　　ｍ／ｓ；它在斜面上运动的加速度ａ＝　　　　ｍ／ｓ２。解析　①打点计时器必须与交流电源配合使用，选Ａ。还必须使用刻度尺测量０计数点与其他计数点间的距离，选Ｃ。②由图可知ｘ２＝２．９８ｃｍ，ｘ５＝１３．２０ｃｍ。③因ｔ２＝０．０８ｓ，ｘ２ｔ２＝２．９８ｃｍ０．０８ｓ＝３７．２５ｃｍ／ｓ，故计数点２的坐标为（０．０８ｓ，３７．２５ｃｍ），同理得计数点５的坐标为（０．２０ｓ，６６．００ｃｍ）。由匀加速直线运动规律可得ｘｔ＝ｖ０＋１２ａｔ，故ｘｔ－ｔ图线为一条倾斜直线，如答案图所示。④该图像纵轴截距表示小车的速度ｖ０＝０．１８ｍ／ｓ。斜率ｋ＝１２ａ＝２．４０ｍ／ｓ２，所以ａ＝４．８０ｍ／ｓ２。答案　①Ａ　Ｃ②２．９８（２．９７～２．９９）　１３．２０（１３．１９～１３．２１）③如图所示　　④０．１８（０．１６～０．２０）　４．８０（４．５０～５．１０）２．探究性实验实验名称实验原理实验装置数据处理方法探究弹力和弹簧伸长的关系Ｆ＝ｋｘ图像法探究向心力的大小与半径、角速度、质量关系Ｆ＝ｍｒω２定性比较探究单摆运动Ｔ＝２πＬｇｇ＝４π２ＬＴ２图像法：ｇ＝４π２ｋ　　一名同学用图示装置做“测定弹簧的劲度系数”的实验。①以下是这位同学根据自己的设想拟定的实验步骤，请按合理的操作顺序将步骤的序号写在横线上　。Ａ．以弹簧长度ｌ为横坐标，以钩码质量ｍ为纵坐标，标出各组数据（ｌ，ｍ）对应的点，并用平滑的曲线连接起来；Ｂ．记下弹簧下端不挂钩码时，其下端Ａ处指针所对刻度尺上的刻度ｌ０；Ｃ．将铁架台固定于桌子上，将弹簧的一端系于横梁上，在弹簧附近竖直固定一把刻度尺；􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋１４６　　５年高考３年模拟Ｂ版（教师用书）Ｄ．依次在弹簧下端挂上１个、２个、３个……钩码，待钩码静止后，读出弹簧下端指针指示的刻度记录在表格内，然后取下钩码；Ｅ．由图像找出ｍ－ｌ间的函数关系，进一步写出弹力与弹簧长度之间的关系式（重力加速度取ｇ＝１０ｍ／ｓ２）；求出弹簧的劲度系数。②图为根据实验测得数据标出的对应点，请作出钩码质量ｍ与弹簧长度ｌ之间的关系图线。③写出弹簧弹力Ｆ和弹簧长度ｌ之间关系的函数表达式：　　　　　　　　　　。④此实验得到的结论是：此弹簧的劲度系数ｋ＝　　　　　　　　Ｎ／ｍ。（计算结果保留三位有效数字）⑤如果将指针分别固定在图示Ａ点上方的Ｂ处和Ａ点下方的Ｃ处，作出钩码质量ｍ和指针所对刻度ｌ的关系图像，由图像进一步得出的弹簧的劲度系数ｋＢ、ｋＣ。ｋＢ、ｋＣ与ｋ相比，可能是　　　　　　　　　。（请将正确选项的字母填在横线处）　　Ａ．ｋＢ大于ｋＢ．ｋＢ等于ｋＣ．ｋＣ小于ｋＤ．ｋＣ等于ｋ解析　③ｍ－ｌ图线的斜率ｋ′≈１．２５ｋｇ／ｍ，弹簧的劲度系数ｋ＝ｋ′ｇ，则弹簧弹力和长度ｌ的关系Ｆ＝ｇｋ′（ｌ－ｌ０）ｌ０＝１５×１０－２ｍ，所以Ｆ＝１２．５（ｌ－０．１５）④ｋ＝ｋ′ｇ＝１．２５×１０Ｎ／ｍ＝１２．５Ｎ／ｍ⑤指针固定在Ｂ处，测量弹簧伸长量时偏小，由Ｆ＝ｋΔｌ可知，ｋ偏大，Ａ正确，指针固定在Ｃ处，不影响弹簧伸长量的测量，ｋ值不变，Ｄ正确。答案　①ＣＢＤＡＥ②如图所示③Ｆ＝１２．５（ｌ－０．１５）④１２．５⑤ＡＤ　　３．验证性实验实验名称实验原理实验装置数据处理方法验证力的平行四边形定则两力的作用效果与一力相同　　作图法验证牛顿第二定律控制变量法验证ａ∝Ｆａ∝１ｍ　　图像法验证机械能守恒定律Ｅｐ少＝Ｅｋ增从几条打下点的纸带中挑选出点迹清楚的纸带进行测量ΔＥｋ＝１２ｍｖ２ｎ，｜ΔＥｐ｜＝ｍｇｄｎ，ｖｎ＝ｄｎ＋１－ｄｎ－１２Ｔ计算对比｜ΔＥｐ｜与ΔＥｋ验证动量守恒定律ｍ１ｖ１＝ｍ１ｖ１′＋ｍ２ｖ２′落点距离分析ｍ１·ＯＰ＝ｍ１·ＯＭ＋ｍ２·ＯＮ　　利用如图１所示的装置做“验证牛顿第二定律”的实验。图１①除了图中所给的器材以及交流电源和导线外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是　　　。Ａ．停表Ｂ．天平（含砝码）Ｃ．弹簧测力计Ｄ．刻度尺②甲同学实验时这样平衡摩擦力：按图１装置把实验器材安装好，先不挂重物，将小车放在木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器。用垫块把木板一端垫高，接通打点计时器，􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋十七　实验与探究１４７　　让小车以一定初速度沿木板向下运动，并不断调节木板的倾斜度，直到小车拖动纸带沿木板做　　　　　运动。③甲同学利用ｖ－ｔ图像求出每条纸带对应的加速度。他在处理其中一条纸带时，求出每个计数点对应的速度，并将各点的速度都标在了如图２所示的坐标系中。请在坐标系中作出小车运动的ｖ－ｔ图像，并利用图像求出小车此次运动的加速度ａ＝　　　ｍ／ｓ２。图２④乙同学在验证小车加速度ａ与所受拉力Ｆ的关系时，根据实验数据作出的ａ－Ｆ图像如图３所示。发现图线不过原点，原因可能是　　　。图３Ａ．木板一端垫得过高Ｂ．木板一端垫得过低Ｃ．盘和砝码的总质量太大了Ｄ．盘和砝码的总质量太小了⑤丙同学作出的ａ－Ｆ图像如图４所示。发现图线有一段是曲线，他认为这是系统误差造成的。他将实验方法做了如下改进：他先将一些砝码放在小车上；之后每次从小车上取下一些砝码移到牵引小车的盘上；重复多次实验，直到将砝码全部移到盘中；根据测得的数据，绘制出小车加速度ａ随着盘和盘中的砝码所受重力Ｆ变化的关系图线，得到的是一条过原点的直线。已知盘和所有砝码的总质量为ｍ，小车的质量为Ｍ。请你分析说明图线为直线的原因，并说明图线斜率的物理意义。图４解析　①天平测盘和砝码及小车质量，刻度尺测计数点间的长度。②平衡摩擦力使小车做匀速直线运动。③画直线使尽可能多的点在线上，个别偏离直线较远的点舍去，求斜率。④由图知当外力Ｆ＝０时，车有加速度，说明平衡摩擦力过度。⑤由ｍｇ＝（Ｍ＋ｍ）ａ知Ｍ＋ｍ不变，ａ＝ｍｇＭ＋ｍ＝Ｆｍ＋Ｍ，ａ－Ｆ图线为直线，其斜率为１Ｍ＋ｍ，斜率不变。答案　①ＢＤ　②匀速直线　③如图所示　０．９５～１．０５　④Ａ　⑤见解析１．某同学用图所示的“碰撞实验装置”研究直径相同的两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。①在实验中小球速度不易测量，可通过仅测量　　解决这一问题。Ａ．小球做平抛运动的时间Ｂ．小球做平抛运动的水平距离Ｃ．小球做平抛运动的初始高度Ｄ．小球释放时的高度②图中ＰＱ是斜槽，ＱＲ为水平槽，Ｒ为水平槽末端。利用铅垂线在记录纸上确定Ｒ的投影点Ｏ。实验时先使Ａ球从斜槽上Ｇ处由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹；此后，再把Ｂ球放在Ｒ处，将Ａ球再从Ｇ处由静止释放，与Ｂ球碰撞后在记录纸上分别留下Ａ、Ｂ两球落点痕迹。由测量可知，碰撞前Ａ球做平抛运动的水平距离为ｘ０；碰撞后，Ａ、Ｂ两球做平抛运动的水平距离分别为ｘ１、ｘ２。用天平称量Ａ、Ｂ两球的质量分别为ｍＡ、ｍＢ。若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为　　　　　　（用题目给出的物理量符号表示）。１．答案　①Ｂ（２分）　②ｍＡｘ０＝ｍＡｘ１＋ｍＢｘ２（２分）解析　①本实验应用了等效替代法，由于小球下落高度相同，即下落时间相同，所以由ｘ＝ｖｔ知水平位移可代替速度。解题关键　平抛运动水平、竖直分运动的特点。２．某同学用如图１所示的装置探究“加速度与力和质量的关系”。①该实验开始前需要平衡摩擦力，在平衡摩擦力的时候　　　　　（填“需要”或“不需要”）挂砂桶，　　　　（填“需要”或“不需要”）安装纸带和接通打点计时器；每次改变小车的质量后　　　　（填“需要”或“不需要”）重新平衡摩擦力。②实验中打出的一条纸带的一部分如图２所示。纸带上标出了连续的３个计数点Ａ、Ｂ、Ｃ，相邻计数点之间还有４个点􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋�