2021年高考物理试题专题35 力学实验（A）

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2021年高考物理精品试题专题35 力学实验（A）一、实验题在“验证机械能守恒定律”的实验中，小明同学利用传感器设计实验：如图甲所示，将质量为 、直径为 的金属小球在一定高度 由静止释放，小球正下方固定一台红外线计时器，能自动记录小球挡住红外线的时间 ，改变小球下落高度 ，进行多次重复实验。此方案验证机械能守恒定律方便快捷。(1)  用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径      ；(2)  为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，应作下列哪一个图象    。A. 图象    B. 图象    C. 图象    D. 图象(3)  经正确的实验操作，小明发现小球动能增加量 总是稍小于重力势能减少量 ，你认为增加释放高度 后，两者的差值会    （填“增大”“缩小”或“不变”）。 在用传感器“探究小车加速度与力、质量的关系”实验中，(1)  甲、乙两组分别用如图甲、乙所示的实验装置做实验，钩码通过细线跨过滑轮拉相同质量的小车，位移传感器（）随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器（）固定在轨道一端。甲组实验中把钩码的重力作为拉力 ，乙组直接用力传感器测得拉力 。改变拉力重复实验多次，记录多组数据，并画出 图象，如图丙所示。甲组实验把钩码的重力作为拉力 的条件是    ，图丙中符合甲组同学做出的实验图象的是    ，符合乙组同学做出的实验图象是    。(2)  在研究“加速度与质量的关系”时，某同学用图乙实验装置做了实验，并作出如图丁的图象，横坐标 为小车上配重片的质量。若力传感器测出小车受到的拉力为 ，已知小车的质量为 ，则图中直线的斜率为    ，纵轴上的截距为    。 用如图 实验装置验证质量分别为 、 的用轻绳连接的重物组成的系统机械能守恒， 从高处由静止开始下落， 上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律，图 给出的是实验中获取的一条纸带： 、 、 、 、 、 为所取计数点，每相邻两计数点间还有 个点（图中未标出），计数点间的距离如图 所示，已知打点计时器所用电源的频率为 ，当地的重力加速度为 。(1)  在打 点过程中，系统重力势能的变化量     ，系统动能的增量     （用题中和图中给出的字母表示）；(2)  经计算发现， 总是略大于 ，其主要原因是    （写出两条即可）。 使用如图所示的气垫导轨装置探究加速度与力的关系（把钩码的重力视为绳子拉力）。其中 、 为两个光电门（光电门上的小孔很小)，它们与数字计时器相连，当滑行器通过 、 光电门时，光束被遮挡的时间 、 都可以被测量并记录，滑行器连同上面固定的条形挡光片的总质量为 ，挡光片宽度为 ，光电门之间的距离为 ，牵引砝码的质量为 。回答下列问题：(1)  若取 ，改变 的值，进行多次实验，以下 的取值不合适的一个是    ；A. B. C. D. (2)  在此实验中，需要测得每次牵引力对应的加速度，求得的加速度的表达式为    （用 、 、 、 表示）。 请回答下列问题：(1)  研究小组的同学在水平放的方木板上做“探究共点力的合成规律”实验：i  小组同学利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置 以及两只弹簧秤拉力的大小和方向，如图所示，图中每一小格长度均代表 ，则 与 的合力大小为     。（保留两位有效数字）ii  关于此实验的操作，下列叙述中正确的是    。A.两细绳必须等长B.弹簧秤、细绳、橡皮筋都应与木板平行C.每次实验中两个分力间的夹角必须大于 D.拉橡皮筋的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要近些(2)  某班同学做“探究加速度与力、质量关系”的实验：i  甲同学某次实验中打出的部分纸带如图甲所示，已知打点计时器的电源频率为 ，则根据测量数据计算出的加速度值为      。（结果保留两位有效数字）ii  如图乙所示是乙同学利用实验室提供的最新器材进行“探究加速度与力关系”的实验装置示意图。他在气垫导轨上安装了一个光电门 ，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从 处由静止释放。  .该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度 ，如图丙所示，则      ；  .实验时，将滑块从 位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门 的时间 ，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是    ；  .改变钩码的质量，测出对应的力传感器的示数 和遮光条通过光电门的时间 ，通过描点作出线性图象，研究滑块的加速度与力的关系，处理数据对应作出    图象；（选填“”“”或“”）  .若实验中力传感器出现故障，乙同学将钩码直接挂在细线上进行实验，并认为钩码重力大小即为滑块所受拉力大小，保持滑块质量不变，改变钩码的个数，得到多组数据，从而得到滑块加速度 与所受拉力 的关系图象为    。 某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。(1)  在实验得到的纸带中，选用如图乙所示的起点 与相邻点之间距离约为 的纸带来进行计算。图中 、 、 、 、 、 、 为七个相邻的原始点， 点是第 个点。设相邻点间的时间间隔为 ，下列表达式可以用在本实验中计算 点速度 的是    。A. B. C. D. (2)  测量出各计数点到 点的距离 ，并计算出各点的瞬时速度 ，然后以 为纵轴、以下落距离 为横轴作图，画出的图象是    。(3)  进一步分析发现，本实验存在较大误差，为此设计出用如图丙所示的实验装置，通过电磁铁控制的小铁球从 点自由下落，下落过程中经过光电门 时，通过与之相连的毫秒计时器（图中未画出）记录挡光时间 ，用毫米刻度尺测出 之间的距离 ，用游标卡尺测得小铁球的直径 ，重力加速度为 ，如果 、 、 、 存在关系式    ，则可验证机械能守恒定律。比较两个方案，改进后的方案相比原方案的系统误差减小了主要是因为    。 用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能。将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在 点；在 点右侧的 、 位置各安装一个光电门，计时器（图中未画出）与两个光电门相连。先用米尺测得 、 两点间距离 ，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置 ，静止释放，计时器显示遮光片从 到 所用的时间 ，用米尺测量 、 之间的距离 。(1)  计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是    。(2)  为求出弹簧的弹性势能，还需要测量    。A.弹簧原长B.当地重力加速度C.滑块（含遮光片）的质量(3)  增大 、 之间的距离 ，计时器显示时间 将    。A.增大B.减小C.不变 某实验小组用如图甲所示的实验装置进行“测量重力加速度”并“验证机械能守恒定律”两个实验。该小组把轻质细绳的一端与一个小球相连，另一端系在力传感器的挂钩上，整个装置位于竖直面内，将摆球拉离竖直方向一定角度，由静止释放，与传感器相连的计算机记录细绳的拉力 随时间 变化的图线。(1)  首先测量重力加速度。将摆球拉离竖直方向的角度小于 ，让小球做单摆运动，拉力 随时间 变化的图线如图乙所示。i  由图乙可知该单摆的周期 约为     （保留两位有效数字）。ii  该小组测得该单摆的摆长为 ，则重力加速度的表达式为    （用测量或者已知的物理量表示)。(2)  然后验证机械能守恒定律。将摆球拉离竖直方向较大角度后由静止释放，拉力 随时间 变化的图线如图丙所示。i  要验证机械能守恒，还需要测量的物理量是    。ii  若图中 点的拉力用 表示， 点的拉力用 表示，则小球从 到 的过程中，验证机械能守恒的表达式为    （填表达式前的字母序号）。A. B. C.  “验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图甲或乙所示的方案来进行。甲方案为用自由落体实验验证机械能守恒定律，乙方案为用斜面小车实验验证机械能守恒定律。(1)  比较这两种方案，    （选填“甲”或“乙”）方案好一些，理由是    。(2)  如图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所示，已知每两个计数点之间的时间间隔 。物体运动的加速度     ；该纸带是采用    （选填“甲”或“乙”）实验方案得到的。简要写出判断依据    。
答案一、实验题1.  【答案】(1)   （）(2)  D(3)  增大【解析】(1)  固定部分读数为 ，转动部分读数为 ，故最终读数为 。(2)  已知经过光电门的时间小球的直径，则可以由平均速度表示经过光电门时的速度，所以 ，若减小的重力势能等于增加的动能时，可以认为机械能守恒，则有 ，即 ，为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，所以工作 图象，故选D。(3)  经正确的实验操作，小明发现小球动能增加量 总是稍小于重力势能减少量 ，增加释放高度 后，由于空气阻力增多，导致两者的差值会增大。 2.  【答案】(1)  钩码的总质量应远小于小车的总质量；； (2)   ； 【解析】(1)  在甲组实验中实际是：，要满足 ，应该使钩码的总质量远小于小车的质量。即小车的质量远大于钩码的质量。甲组实验，由实验原理：，得 而实际加速度却是 ，即随着重物的质量增大，不再满足钩码的质量远远小于小车的质量，所以丙图中符合甲组同学作出的实验图象的是 ；乙组直接用力传感器测得拉力 ，随着重物的质量增大拉力 测量是准确的， 关系为一倾斜的直线，符合乙组同学做出的实验图象是丙图中的 ；(2)  根据牛顿第二定律得：，得 所以丁图中直线的斜率为 ，纵轴上的截距为 。 3.  【答案】(1)   ； (2)  纸带通过打点计时器受摩擦力及重物受空气阻力【解析】(1)  计数点 的瞬时速度为：，同理，计数点 的瞬时速度为：，系统动能的增加量为： 。  的重力势能减少了：，  的重力势能增加了：，系统重力势能的变化量为：。(2)  由上述计算得 ，造成这种结果的主要原因是纸带通过打点计时器受摩擦力及重物受空气阻力。 4.  【答案】(1)  D(2)   【解析】(1)  在实验中，认为钩码的重力 等于滑块所受的合力，所以钩码的质量 应远小于滑块的质量 ，因此 的取值不合适的一个是D选项，故选D。(2)  由于挡光片通过光电门的时间很短，所以可以认为挡光片通过光电门的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，即有 ，，再根据运动学方程 ，解得 。 5.  【答案】(1)  i   （ 均可以）ii  B(2)  i   ii   ； 位置到光电门的距离 ；；C【解析】(1)  i  以 和 为邻边作平行四边形，与 和 共点的对角线表示合力 ，标上箭头。如图所示，表示合力的线段总共 个小格的边长，因每边的边长表示 ，故则 与 的合力大小为 。ii  绳子的长短对分力大小和方向无影响，故A错误；为了防止出现竖直方向上的分力，应保证弹簧秤、细绳、橡皮筋都应与木板平行，故B正确；实验时两分力适当大即可，不需要大于 ，故C错误；为了减小作图误差，拉橡皮筋的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远一些，故D镨误。(2)  i  由于每相邻两个计数点间还有 个点所以相邻的计数点间的时间间隔 ，根据匀变速直线运动的推论公式 可以求出加速度的大小，得：。ii   .由图知第 条刻度线与主尺对齐，； .实验时，将滑块从 位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门 的时间 ，滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光电门的平均速度。根据运动学公式得若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是 位置到光电门的距离 。 .由题意可知，该实验中保持小车质量 不变，因此有：，，，，所以研究滑块的加速度与力的关系，处理数据时应作出 图象； .因用钩码的重力表示细线拉力；由于钩码的质量不能忽略，故随着所加砝码的质量增加，图象将出现弯曲，故选：C。 6.  【答案】(1)  C(2)  C(3)   ；电磁铁可以控制小球由静止释放【解析】(1)  验证机械能守恒定律的实验中，求解某一点处的速度时，AB选项认为物体在做加速度为重力加速度的匀加速直线运动，因此采用匀变速直线运动的公式进行求解，此方法错误，因该方法默认为物体只受重力作用，因此无需验证，机械能一定守恒；CD选项采用在匀变速直线运动中，一段时间内的平均速度等于这段时间内中间时刻的瞬时速度求解，C选顶正确，D选项应为 。(2)  物体下落过程中满足机械能守恒 ，根据函数图象，则可知C正确。(3)  小铁球下落到 位置时速度为 ，同时铁球从 到 满足机械能守恒：，代入化简可得 ；两个方案相比，改进后的方案可以控制小球由静止释放，从而减小误差。 7.  【答案】(1)   (2)  C(3)  B【解析】(1)  滑块离开弹簧后做匀速直线运动，故速度大小表达式为 。(2)  根据能量守恒，滑块获得的动能等于弹簧的弹性势能，即 ，从表达式中可以看出，为了求出弹簧的弹性势能，还需要测量滑块（含遮光片）的质量，因此C项正确。(3)  增大 、 之间的距离 ，弹簧压缩量增大，弹簧具有的弹性势能增加，释放滑块后，滑块离开弹簧时获得的动能增加，速度增大，从 到 所用的时间 将减小，B项正确。 8.  【答案】(1)  i   （ 或者 也对）ii   (2)  i  质量ii  A【解析】(1)  i  小球做单摆运动，经过最低点拉力最大，由图乙可知 到 内有 个全振动，该单摆的周期   。ii  根据单摆周期公式 可得重力加速度 。(2)  i  图中 点对应速度为零的位置，即最高位置，根据受力分析可得 ，图中 点对应速度最大的位置，即最低点位置，根据牛顿第二定律可得： ，小球从 到 的过程中，重力势能减小量为： ，动能的增加量为： ，要验证机械能守恒，需满足 : ，解得 ，所以还需要测量物理量是小球的质量。ii  验证机械能守恒的表达式为 ，故A正确，B、C错误。 9.  【答案】(1)  甲；该方案摩擦阻力较小，实验误差小，实验过程所用器材少，操作方便(2)   ；乙；物体运动的加速度比重力加速度小得多【解析】(1)  本题易错点是对实验原理不理解，受探究牛顿第二定律实验影响，错选乙方案。当只有重力做功时机械能守恒，实际操作的方案中应该使摩擦力越小越好，故甲方案好一些。(2)   ，因 远小于 ，故 为斜面上小车下滑的加速度，所以该纸带采用的是图乙所示的实验方案。