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高考物理实验专题（一）
力学实验大串联——万能的纸带
质量、长度、时间，是力学中的三个基本物理量，力学实验基本上是通过对这三个基本物理量的测量来达到测量、验证的目的。打点计时器是一个既能测量时间，又能同时反映改时间内物体运动的“怪物”。接下来我们将打点计时器这个怪物出发，利用它生出来的怪胎——纸带，将力学当中涉及到的几个基本实验做一个串联，希望可以起到抛砖引玉的效果。
力学实验当中有多个实验都要用到打点计时器（如研究匀变速直线运动的规律、验证牛顿第二定律、验证机械能守恒定律等），能否正确使用打点计时器并根据纸带进行正确的数据运算，是能否顺利完成这些实验的关键。利用纸带直接测量的时间和位移，可以计算研究对象的瞬时速度和加速度，若结合其他物理量的测量，还可以解决与上面这些量相关的问题，例如计算动能、重力势能、动摩擦因数、力、功率、转速等，从而延伸出很多与纸带相关的力学实验。
下面，我们通过一些典型例题的分析解答，来寻找力学实验的一般解决方法。
实验一：利用纸带测量重力加速度
例题1.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 。
点评：图像法是常用的实验数据处理方法之一。图像法是选取适当的自变量，通过作图来找到个物理量之间的变化关系，这样便于找出其中的物理规律，确定对应量的函数关系。
作图时的要求：
1.根据实验的要求选定坐标轴，一般以横坐标为自变量 ，纵坐标为因变量，坐标轴要标明所表示的物理量的名称及单位。
2.坐标轴标度的选择要合适，应是测量数据能在坐标轴上得到准确的反映。为了避免图纸上出现大片空白，坐标原点可以是零，也可以不是零；坐标轴分度的估读数，应与测量值的估读值（即有效数字的末位）相对应。
例题2. 现给定以下器材：A．闪光照相机 B．秒表 C．打点计时器 D．交流电源4～6V E．导线若干 F．纸带 G．复写纸 H．铁架台 I．游标卡尺 J．重物 K．刻度尺　　Ｌ．直径１cm的钢球　　　Ｍ．１m长细线　　Ｎ．照相底片
请你设计一个测当地重力加速度g的实验方案。
（1）从给定器材中选___________________作为实验器材。
（2）需要测量的物理量是________________。
（3）用你测量出的物理量写出重力加速度g的表达式：__________________
扩展：1.若利用照相底片测重力加速度，则（1）A、K、L、M（2）照片上相邻两像的距离差Δx；（3）g=kΔx/T2(k为照相底片的物象比，T为相机的闪光周期)
2.若利用单摆测重力加速度，则：（1）B、H、I、K、L、M（2）摆线长L，摆球的直径d，摆球完成n次全振动的时间t；（3）g=2πn2(2L+d)/t2.
实验二：利用纸带测动摩擦因数
例题3. 物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数。实验装置如图甲，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一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的频率为50 Hz。开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点。
（1）图乙给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示。根据图中数据计算滑块的加速度a＝_________m/s2,打第4个计数点时滑块的速度v4＝_________m/s。（保留三位有效数字）。
（2）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_________ 。
（3）滑块与木板间的动摩擦因数＝_________（用被测物理量的字母表示，重力加速度为g，实验过程始终保持m2 >> m3）。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：____________________。
点评：当相等时间（T）里位移的数目较多时，为了减小误差，应利用a=(xm-xn)/(m-n)T2求出多个加速度值，然后取这些加速度的平均值。
实验三：利用纸带测小车的功率
例题4. 为测量玩具遥控汽车的额定功率，某同学用天平测出其质量为0.6kg，小车的最大速度由打点计时器打出的纸带来测量．主要步骤有：A．将小车的尾部系一条长纸带，纸带通过打点计时器；Ｂ．接通打点计时器的电源（频率为50Hz），使小车以额定功率加速到最大速度，继续运行一段时间后关闭小车的发动机，使其在地面上滑行直至停下；Ｃ．处理纸带上打下的点迹．（1）由图示的部分纸带可知小车的最大速度为 ，小车滑行时的加速度大小为_______m/s2（结果均保留三位有效数字，下同）；（2）小车滑行时的阻力 ，小车的额定功率为______W．
点评：P=Fv中的F仅是小车受到的牵引力，而非小车所受的合力。
实验四：利用纸带测电动机的转速
例题5. 一个有一定厚度的圆盘，可以绕通过中心垂直于盘面的水平轴转动，圆盘加速转动时，角速度的增加量Δω与对应时间Δt的比值定义为角加速度β(即β=Δω/Δt)。我们用电磁打点计时器，米尺，纸带，复写纸片完成下述实验：
①如图所示，将打点计时器固定在桌面上，将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔，然后固定在圆盘的侧面，当圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面上。②接通电源，打点计时器开始打点，启动控制装置使圆盘匀加速转动。
③经过一段时间，停止转动和打点，取下纸带，进行测量。(打点计时器所接交流电的频率为50 Hz,A、B、C、D…为计数点，相邻两计数点间有四个点未画出)
(1)如图所示，圆盘的半径r为___________cm。
(2)打下计数点D时，纸带运动的速度大小为______m/s，此时圆盘转动的角速度为________rad/s。
(3)纸带运动的加速度大小为______________m/s2。
点评：（1）游标卡尺的读数，要注意给出的游标卡尺的精确度（看准是几分度的游标卡尺），并注意读数的有效数字的位数；（2）第二问求圆盘转动的角速度，应先求出圆盘边缘处（纸带）的线速度；（3）为了减小误差，求纸带运动的加速度要用逐差法。逐差法的小技巧：若已知各计数点间的距离，则不必求出每两个计数点的位移，如本题中用后两段位移减去前两段位移即可。
实验五：利用纸带验证机械能守恒定律
例题6. “验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图所示的甲或乙方案来进行。
①比较这两种方案， （填“甲”或“乙”）方案好些，理由是 。
②如图丙是该实验中得到的一条纸带，测得每两个计数点间的距离如图中所示，已知每两个计数点之间的时间间隔T＝0．1s，物体运动的加速度a= ；该纸带是采用 （填“甲”或“乙”）实验方案得到的。简要写出判断依据 。
（3）如图，是用自由落体验证机械能守恒定律实验中得到的一条纸带，我们选中第N点来验证机械能守恒定律，下面举出一些计算N点速度的方法，其中正确的是 ( )
A． B．
C． D．
点评：在用图甲方案时不能用v=gt去计算重锤的瞬时速度，否则就不是验证机械能守恒定律，而是应用机械能守恒定律。因为重锤实际下落的加速度amgh，与实际矛盾的结果。因此，应从实际出发，计算重锤下落的瞬时速度只能用公式vN=(sn+sn+1)/2T或vn=(dn+1-dn-1)/2T。
实验六：利用纸带验证动能定理
例题7.某探究学习小组的同学欲验证“动能定理”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，另外他们还找到打点计时器所用的学生电源一台、天平、导线、复写纸、纸带、细沙若干。滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶且已完成了平衡摩擦力的操作。若你是小组中的一位成员，要完成该实验，则：
（1）还需要的实验器材为 ；
（2）在沙桶中放适量的沙进行试验，一直滑块的质量为M，沙和沙桶的总质量为m(M远大于m),若挑选的一条点迹清晰的纸带如图所示，已知相邻两个点间的时间间隔为T，从A点到B、C、D、E、F点的距离依次为s1、s2、s3、s4、s5（图中未标s3、s4、s5），则由此可求得纸带上由B点到E点所对应过程中，合外力对滑块所做的功W= ；该滑块动能改变量的表达式为△EK= （结果用题中已知物理量的符号表示）。
点评：由于本题中满足滑块的质量远大于沙和沙桶的总质量，所以可以认为滑块所受合力（即细线的拉力）等于沙和沙桶的总重力。但实际上滑块所受合力小于沙和沙桶的总重力，所以滑块所受合力做的功略大于滑块动能的改变量。
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