專題08 力學(xué)實(shí)驗(yàn)探究（原卷版）

專題08力學(xué)實(shí)驗(yàn)探究【解題技巧】一、研究物理量影響因素類滑動(dòng)摩擦力、壓強(qiáng)、液體的壓強(qiáng)、動(dòng)能、重力勢(shì)能等影響因素二、研究物理原理類彈簧測(cè)力計(jì)的原理、杠桿的原理、阿基米德原理、二力平衡原理三、測(cè)量物理量類測(cè)物體密度、測(cè)大氣壓的值、測(cè)杠桿、滑輪組和斜面的機(jī)械效率、測(cè)功率四、誤差分析1、測(cè)量誤差主要分為兩大類：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差（1）系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因：①測(cè)量儀器靈敏度和分辨能力較低；②實(shí)驗(yàn)原理和方法不完善等。（2）隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因：①環(huán)境因素的影響；②實(shí)驗(yàn)者自身?xiàng)l件等。2、減小誤差的方法（1）選用精密的測(cè)量儀器；（2）完善實(shí)驗(yàn)原理和方法；（3）多次測(cè)量取平均值。【例題精析】一．控制變量法與探究性實(shí)驗(yàn)方案1．2013年6月20日，神州十號(hào)航天員王亞平在太空授課時(shí)提了一個(gè)思考題：在太空中，人們常用的桿秤、天平等測(cè)量質(zhì)量的儀器都會(huì)失效。那么可否利用彈簧的振動(dòng)快慢來測(cè)量物體的質(zhì)量？為了研究彈簧振動(dòng)快慢與所掛重物質(zhì)量的關(guān)系，某中學(xué)科技小組設(shè)計(jì)了一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，其步驟如下：步驟1：測(cè)出一個(gè)鉤碼的質(zhì)量，在某一輕質(zhì)彈簧a下端掛一個(gè)鉤碼，上端固定；步驟2：把彈簧拉伸到適當(dāng)距離后放手，讓鉤碼上下振動(dòng)（如圖1所示）；步驟3：測(cè)出振動(dòng)30次所需的時(shí)間t，算出每振動(dòng)一次所需的時(shí)間t30步驟4：增加所掛鉤碼的個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟2、步驟3；步驟5：將數(shù)據(jù)采用描點(diǎn)法繪制出輕質(zhì)彈簧a每振動(dòng)一次所需的時(shí)間（即振動(dòng)快慢）與所掛鉤碼質(zhì)量的關(guān)系圖象（見圖2中輕質(zhì)彈簧a曲線）；步驟6：換用一條輕質(zhì)彈簧b，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，同理繪制出每振動(dòng)1次所需的時(shí)間（即振動(dòng)快慢）與所掛鉤碼質(zhì)量的關(guān)系圖象（見圖2中輕質(zhì)彈簧b曲線）。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)過程回答如下問題：（1）在該實(shí)驗(yàn)中，主要用到的測(cè)量儀器有。（2）忽略空氣阻力，圖1A、O、B三個(gè)位置中，位置時(shí)鉤碼具有的動(dòng)能最大。（3）分析圖2，可以得到的初步結(jié)論是。二．探究摩擦力的大小與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)2．如圖1所示，小明在“研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)中，用彈簧測(cè)力計(jì)拉著木塊分別在粗糙程度不同的甲、乙水平木板上勻速直線運(yùn)動(dòng)，通過改變放在木塊上的砝碼改變壓力，分別測(cè)出木塊在甲、乙木板上滑動(dòng)時(shí)的摩擦力，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)畫出了滑動(dòng)摩擦力f摩與對(duì)應(yīng)壓力f壓關(guān)系的圖象。（1）分析圖象甲或乙可知，木塊對(duì)木板的越大，木塊所受的滑動(dòng)摩擦力也就越大；比較圖象可知，（選填“甲”或“乙：）木板更粗糙。（2）小明在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，拉著木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)很難控制“勻速”，于是他設(shè)計(jì)了如圖2所示的裝置，將彈簧測(cè)力計(jì)固定，改為拉動(dòng)平板小車，當(dāng)他水平向左拉動(dòng)平板小車時(shí)，木塊所受到的摩擦力的方向?yàn)?。這樣改進(jìn)后的裝置的優(yōu)點(diǎn)是。3．小明要探究“滑動(dòng)摩擦力的大小與什么因素有關(guān)”，他猜想影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素可能有：①接觸面所受的壓力大?、诮佑|面的粗糙程度③物體運(yùn)動(dòng)的速度。接下來，小明通過如圖甲的實(shí)驗(yàn)操作來驗(yàn)證他的猜想。（1）如圖甲所示，讓物體沿者木板和毛巾表面做勻速直線運(yùn)動(dòng)，記下物體在木板和毛巾上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的摩擦力大小，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成如圖乙的圖象。根據(jù)圖甲和圖乙可知，物體在木板表面運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的滑動(dòng)摩擦力為N。該實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：。（2）小明又以較快的速度水平勻速直線拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，發(fā)現(xiàn)和原來較緩慢勻速直線拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)一樣，這說明滑動(dòng)摩擦力的大小與物體運(yùn)動(dòng)的快慢。（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）（3）在實(shí)驗(yàn)過程中，如果沿豎直方向?qū)⑽矬w截去一半后，測(cè)得物體所受的滑動(dòng)摩擦力大小變?yōu)樵瓉淼囊话?。?jù)此小明得出：滑動(dòng)摩擦力的大小隨接觸面積減小而減小。你認(rèn)為小明在實(shí)驗(yàn)探究的過程中存在的主要問題是：。4．如圖甲所示，小華同學(xué)用彈簧測(cè)力計(jì)拉著運(yùn)動(dòng)鞋在橡膠墊上沿水平方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的大小，并探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素。（1）她必須拉著運(yùn)動(dòng)鞋在水平方向做運(yùn)動(dòng)，才能準(zhǔn)確地測(cè)量出滑動(dòng)摩擦力的大小，若此時(shí)的測(cè)量結(jié)果如圖甲所示，則運(yùn)動(dòng)鞋所受的滑動(dòng)摩擦力為N。（2）小華采用向鞋里放置重物、更換桌面上墊片的材料、改變鞋的運(yùn)動(dòng)速度等方法，進(jìn)一步探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素，并收集有關(guān)數(shù)據(jù)如下：實(shí)驗(yàn)次數(shù)墊片材料放置重物的個(gè)數(shù)運(yùn)動(dòng)速度/m?s﹣1彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)/N1橡膠墊00.12橡膠墊10.13.03毛巾20.23.24毛巾30.33.4①分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在接觸面的粗糙程度相同時(shí)，越大，滑動(dòng)摩擦力越大。②小華發(fā)現(xiàn)第3、4兩次的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滑動(dòng)摩擦力都比第1、2兩次的大，她認(rèn)為這是因?yàn)槊肀砻姹认鹉z墊粗糙導(dǎo)致的，你認(rèn)為這個(gè)結(jié)論是的（選填“可靠”或“不可靠”），理由是。③根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（選填“能”或“不能”）得出滑動(dòng)摩擦力的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的結(jié)論。（3）小華在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)很難保持好運(yùn)動(dòng)鞋運(yùn)動(dòng)的速度，于是她又設(shè)計(jì)了如圖乙所示的實(shí)驗(yàn)，只需緩慢抽出墊片，當(dāng)運(yùn)動(dòng)鞋相對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)（選填“運(yùn)動(dòng)”或“靜止”）時(shí)，讀取彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，測(cè)得滑動(dòng)摩擦力的大小是（選填“不變”或“變化”）的。（4）小華查詢了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)了一種改進(jìn)測(cè)量摩擦力的設(shè)計(jì)方案，如圖丙所示，請(qǐng)你對(duì)此方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，寫出一點(diǎn)即可。（提示：C為彈簧測(cè)力計(jì)，D為小型電動(dòng)機(jī)，E為定滑輪。）。三．杠桿的平衡分析法及其應(yīng)用5．桿秤是中國古代沿用至今的常用測(cè)量工具，某次綜合實(shí)踐活動(dòng)中，小明所在活動(dòng)小組用木桿、鐵塊、秤鉤、細(xì)線等制作了一把“桿秤”如圖甲所示。他們?cè)谥谱鬟^程中學(xué)習(xí)了大量關(guān)于桿秤的知識(shí)，并提出了一系列問題。問題一：如何標(biāo)注桿秤的刻度？問題二：桿秤的刻度是均勻的嗎？問題三：如何增大桿秤的量程？…（1）關(guān)于刻度，他們查閱到了如下資料：如圖乙所示為桿秤的示意圖，點(diǎn)O為提紐（相當(dāng)于杠桿的），C為定星點(diǎn)，G0為秤桿、秤鉤的自重，重心在點(diǎn)B處，秤砣重為G1．不掛重物，且秤砣在定星點(diǎn)時(shí)，桿秤在水平位置平衡：G1?OC＝G0?OB．當(dāng)在秤鉤上掛一重物Gx，秤砣移到距定星點(diǎn)x處時(shí)，桿秤剛好在水平位置平衡：G1（x+OC）＝Gx?OA+G0OB可得；x=GxG1?OA．由上述推導(dǎo)可得，x與Gx成正比，因此桿秤的刻度是（選填“均勻的”或“不均勻的”）；在上述資料中，桿秤每次都需調(diào)節(jié)到水平位置平衡，這樣操作的好處是（2）操作過程中，小明在右側(cè)掛鉤上掛一重物，測(cè)得OA為5cm，x為50cm，又已知秤砣質(zhì)量為50g；請(qǐng)通過計(jì)算幫助小明標(biāo)注此位置所代表的物體質(zhì)量。（3）小明在調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上的桿秤往往有A、B是兩個(gè)不同量程的提紐（如圖丙所示），秤鉤C處懸掛被測(cè)物，提起提紐A或B，在秤桿E上移動(dòng)秤砣D，達(dá)到平衡后，根據(jù)秤砣的位置可以在秤桿上讀出被測(cè)物的質(zhì)量。有關(guān)該桿秤下列判斷中正確的是A．它只能測(cè)量比秤砣質(zhì)量大的物體B．用提紐A時(shí)比用提紐B時(shí)的量程更大C．將秤砣質(zhì)量減少，則該秤的讀數(shù)將偏小D．只有當(dāng)秤桿的粗細(xì)均勻時(shí)，桿秤的刻度才是均勻的。6．如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以探究杠桿受兩個(gè)阻力（F2、F3）時(shí)的平衡條件。在已調(diào)節(jié)好的杠桿兩端掛上不同數(shù)量的鉤碼，并適當(dāng)移動(dòng)鉤碼的位置，使杠桿水平平衡，記下鉤碼的數(shù)量和位置。通過改變鉤碼的數(shù)量和位置，按照同樣的方法再做兩次，將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)填在表中。表中數(shù)據(jù)是以一個(gè)鉤碼的重力為力的單位，以杠桿的每小格為長度的單位。實(shí)驗(yàn)次數(shù)動(dòng)力F1動(dòng)力臂L1動(dòng)力F2動(dòng)力臂L2動(dòng)力F3動(dòng)力臂L3115112222612253371544（1）分析表中的數(shù)據(jù)，可得杠桿的平衡條件是（填寫關(guān)系式）（2）在農(nóng)村還廣泛使用的桿秤就利用了上述原理。圖2是一根桿秤的示意圖。小云設(shè)計(jì)了如下測(cè)量秤砣質(zhì)量M的實(shí)驗(yàn)方案，請(qǐng)你將②、④兩步補(bǔ)充完整。①用刻度尺測(cè)量桿秤上的主要刻度的示數(shù)m到提紐O的距離x，并作出m﹣x關(guān)系圖象，如圖3所示。②用刻度尺測(cè)量掛鉤到的距離l；③在m﹣x關(guān)系圖象中任意讀取兩組數(shù)據(jù)x1、m1和x2、m2；④設(shè)桿秤自重G0，重心到提紐的距離l0，據(jù)杠桿平衡條件Mgx1＝m1gl+G0l0以及Mgx2＝m2gl+G0l0兩式相減得M＝（要求用l、x1、x2、m1、m2表示）。四．探究影響浮力大小因素的實(shí)驗(yàn)7．探究浮力大小及影響浮力的因素葉子姐姐在“驗(yàn)證阿基米德原理”的實(shí)驗(yàn)中，用圖（a）所示的溢水杯和小桶收集被石塊排開的水，她的實(shí)驗(yàn)過程分別如圖（b）、（c）、（d）、（e）所示。①圖（b）所示，是葉子姐姐用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量石塊的。②上述實(shí)驗(yàn)不重復(fù)操作的合理順序是（選填b、c、d、e）。③若圖中四個(gè)測(cè)量值F1、F2、F3、F4滿足關(guān)系式，該原理將得到驗(yàn)證。④以下關(guān)于實(shí)驗(yàn)過程中的操作，會(huì)影響驗(yàn)證結(jié)果的是。A．圖（a）中溢水杯內(nèi)未盛滿水B．圖（d）中小桶內(nèi)有少量水C．圖（c）中石塊未全部浸沒水中⑤石塊從剛接觸水面到全部浸沒水中，水對(duì)溢水杯底的壓強(qiáng)（選填“逐漸增大”、“逐漸減小”、“保持不變”）。⑥葉子姐姐還想驗(yàn)證“浮力的大小與哪些因素”有關(guān)，于是她找來鹽水和酒精，她將測(cè)力計(jì)下的石塊先后浸沒在鹽水、水和酒精中，發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)在中最小，圖中能反映石塊在酒精中所受的浮力F浮與V排關(guān)系的圖線是。8．如圖甲是研究彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F與物體A下表面離水面的距離h的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置。用彈簧測(cè)力計(jì)提著物體A，使其緩慢浸入水中（水未溢出），根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F與物體A的下表面浸入水中的深度h的關(guān)系圖象（如圖乙）。（1）物體A浸沒在水中之前，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)隨A向下運(yùn)動(dòng)距離的增加而減小，說明浮力與（選填“物體體積”或“排開液體體積”）有關(guān)。（2）物體A浸沒在水中后，所受的浮力為N，且保持不變，說明浸沒在水中的物體所受的浮力與它浸沒在水中的深度（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）。若某同學(xué)在使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)，指針在零刻度線以上，該同學(xué)沒有調(diào)零而直接進(jìn)行測(cè)量，這樣計(jì)算出的浮力值（選填“偏大”、“不變”或“偏小”）（3）結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，物體A的密度為kg/m3．本實(shí)驗(yàn)中先測(cè)金屬圓柱體的重力，再放入水中測(cè)浮力。若改變操作先后順序，物體A的密度的測(cè)量結(jié)果（選填“偏大”、“不變”或“偏小”或“無法判斷”）（4）圓柱體A的底面積為cm2。（5）如果將盛水的柱形容器換成梯形容器，如圖丁，再將A物體按上述操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則物體放入水的過程中水對(duì)容器底部的壓強(qiáng)增加量△p隨h的變化圖象是圖丙中的。（選填“A”“B”“C”）。9．為探究“浮在液面上的實(shí)心球體露出液面的體積與哪些因素有關(guān)”，某小組同學(xué)提出可能與實(shí)心球的密度、實(shí)心球的球體體積等因素有關(guān)，于是他們用甲、乙兩種不同物質(zhì)制成了若干個(gè)實(shí)心球體，放入盛有適量水的量筒中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)量及計(jì)算得到的有關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表一中。表一：（ρ乙＜ρ甲＜ρ水）實(shí)驗(yàn)序號(hào)12345678物質(zhì)甲乙球體的體積（cm3）1015203010122030球體浸入水中的體積（cm3）8121624561015球體露出水面的體積（cm3）2346561015（1）分析比較實(shí)驗(yàn)序號(hào)中的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件，可初步得出：浮在水面上實(shí)心球體的體積相同時(shí)，球體的越大，露出水面的體積越小。（2）分析比較表中數(shù)據(jù)還可以初步得出的結(jié)論是浮在水面上實(shí)心球體的密度相同時(shí)，。（3）若用乙物質(zhì)制成體積為15cm3的實(shí)心球體，當(dāng)它浮在水面上時(shí)露出水面的體積應(yīng)為

cm3，實(shí)心球體所受到的浮力為N（g＝10N/kg）。（4）如圖所示為一種自動(dòng)貯水器的示意圖，若圖中的浮子是用甲物質(zhì)制成的，如果換用乙物質(zhì)制成相同體積的實(shí)心球體為浮子，貯水器中的最高水位（選填“升高”或“降低”）。（5）在上述活動(dòng)的基礎(chǔ)上，小組同學(xué)認(rèn)為還須進(jìn)一步探究所得結(jié)論是否適用其它液體，表二所列三個(gè)方案中，符合探究要求的是（選填序號(hào)）。表二（ρ酒精＜ρ水＜ρ鹽水）序號(hào)方案A仍用上述球體換在鹽水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)B換用柱形物體并在酒精中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)C換用其它物質(zhì)的球體仍在水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)10．在“探究浮力的大小跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，小麗提出如下猜想：猜想一：浮力的大小跟物體排開液體的體積有關(guān)；猜想二：浮力的大小跟液體的密度有關(guān)；猜想三：浮力的大小跟物體的密度有關(guān)。（1）小麗用重為3.2N的物體A做了如圖1、2、3所示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了猜想是正確的，可得出：在同種液體中，物體，受到的浮力越大。實(shí)驗(yàn)中，物體浸沒時(shí)受到的浮力為N，方向。（2）小麗在驗(yàn)證猜想二時(shí)，根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出浮力與液體密度的關(guān)系圖象，如圖4中甲所示。他分析后發(fā)現(xiàn)，由于誤將物體受到的拉力當(dāng)作了浮力，導(dǎo)致圖象甲未經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)。由此可以推斷：物體受到的浮力大小與液體密度的關(guān)系圖象應(yīng)是圖4中的

（選填“乙”、“丙”或“丁”）。（3）為驗(yàn)證猜想三，小麗選用了與物體A密度不同的物體B進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。她將物體B逐漸浸入水中，容器中的水面上升至圖示O位置時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)恰好變?yōu)?，如圖所示。取出物體B后，小麗又將物體A緩慢浸入水中，她在水面上升到（選填“O點(diǎn)之上”、“O點(diǎn)”或“O點(diǎn)之下”）位置時(shí)，讀取彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，這樣做是為了控制相同，以便判斷浮力的大小與物體密度是否有關(guān)。五．物體的浮沉條件及其應(yīng)用11．小明按照教材中“綜合實(shí)踐活動(dòng)”的要求制作簡易密度計(jì)。（1）取一根粗細(xì)均勻的飲料吸管，在其下端塞入適量金屬絲并用石蠟封口。塞入金屬絲的目的是使吸管能在液體中，此時(shí)吸管受到的浮力重力（選填“等于”“大于”或“小于”）。（2）將吸管放到水中的情景如圖1所示，測(cè)得浸入的長度為H；放到另一液體中的情景如圖2所示，浸入的長度為h。用ρ液、ρ水分別表示液體和水的密度，則ρ液ρ水（選填“＝”“＞”或“＜”），h與ρ水、ρ液及H的關(guān)系式是h＝。（3）小明根據(jù)圖如圖1在吸管上標(biāo)出1.0刻度線（單位g/cm3，下同），再利用上述關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，標(biāo)出了0.8、0.9、1.1、1.2的刻度線（圖中未畫出）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1.1刻線是在1.0刻線的（選填“上”或“下”）方。（4）為檢驗(yàn)刻度誤差，小明取來食油，先用天平和量筒測(cè)量其密度，然后再用這個(gè)密度計(jì)測(cè)量。但操作時(shí)卻出現(xiàn)了如圖3所示的情形，這讓他很掃興。難道實(shí)驗(yàn)就此終止了嗎，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或思考，在不更換食油的情況下，你認(rèn)為可以進(jìn)行怎樣的嘗試：。六．杠桿機(jī)械效率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)12．小明用如圖所示的裝置探究杠桿的機(jī)械效率，O為支點(diǎn)?？傊貫镚的鉤碼懸掛在杠桿上的A點(diǎn)，豎直向上緩慢拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，測(cè)得鉤碼上升的高度為h，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)為F，其移動(dòng)距離為s。（1）該實(shí)驗(yàn)中做額外功的主要原因是，該杠桿的機(jī)械效率為η＝（用題目中物理量的符號(hào)表示）；（2）鉤碼懸掛在A點(diǎn)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)拉力