2022届优质校一模试卷专题汇编17 力学实验 解析版

这是一份2022届优质校一模试卷专题汇编17 力学实验 解析版，共15页。试卷主要包含了纸带类实验，测定动摩擦因数的常见实验方案等内容，欢迎下载使用。

常考题型
方法点拨
1．纸带类实验
(1)判断物体是否做匀变速直线运动 (2)逐差法求加速度

(3)利用平均速度求瞬时速度
如图所示，从O到A、A到B、B到C……之间的距离分别为x1、x2、x3……，打点计时器打点的周期为T，则A、B、C、D……各点的瞬时速度分别为：vA＝eq \f(x1＋x2,2T)、vB＝eq \f(x2＋x3,2T)、vC＝eq \f(x3＋x4,2T)、vD＝eq \f(x4＋x5,2T)……
(4)图像法求加速度
2．“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验的操作关键
(1)实验中不能挂过多的钩码，防止弹簧超过弹性限度。
(2)画图像时，不要连成折线，而应尽量让数据点落在直线上或均匀分布在直线两侧。
(3)F－x和F－l图线的特点
①F－x图线为一条过原点的直线，而F－l图线为一条倾斜直线，但不过原点，在l轴上的截距表示弹簧(或橡皮筋)的原长。
②F－x图线和F－l图线的斜率均表示弹簧(或橡皮筋)的劲度系数。
③F－x图线和F－l图线发生弯曲的原因是弹簧(或橡皮筋)超出了弹性限度。
3．测定动摩擦因数的常见实验方案
例1．(2020全国卷Ⅲ·22)某同学利用图(a)所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如图(b)所示。已知打出图(b)中相邻两点的时间间隔为0.02 s，从图(b)给出的数据中可以得到，打出B点时小车的速度大小vB＝________ m/s，打出P点时小车的速度大小vP＝________ m/s。(结果均保留2位小数)
若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图(b)给出的数据中求得的物理量为____________________。
【解析】打下B点的时刻为打下与B点相邻左、右两点的中间时刻，则打下B点时小车的速度应为这两点间小车的平均速度，即vB＝eq \f(4.00－2.56,0.04)×10－2 m/s＝0.36 m/s；同理打下P点时小车的速度vP＝eq \f(57.86－50.66,0.04)×10－2 m/s＝1.80 m/s。在验证动能定理时，如果选取B到P的过程，则由mgxBP＝eq \f(1,2)(M＋m)veq \\al(2,P)－eq \f(1,2)(M＋m)veq \\al(2,B)可知，要验证动能定理还需要求得B、P两点间的距离。
【答案】0.36 1.80 B、P之间的距离
例2. (2021山东卷·13)某乒乓球爱好者，利用手机研究乒乓球与球台碰撞过程中能量损失的情况。实验步骤如下：
①固定好手机，打开录音功能；
②从一定高度由静止释放乒乓球；
③手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，其随时间（单位：s）的变化图像如图所示。
根据声音图像记录的碰撞次序及相应碰撞时刻，如下表所示。
根据实验数据，回答下列问题：
(1)利用碰撞时间间隔，计算出第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为___________m（保留2位有效数字，当地重力加速度g＝9.80 m/s2）。
(2)设碰撞后弹起瞬间与该次碰撞前瞬间速度大小的比值为k，则每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的___________倍（用k表示），第3次碰撞过程中k＝___________（保留2位有效数字）。
(3)由于存在空气阻力，第(1)问中计算的弹起高度___________（填“高于”或“低于”）实际弹起高度。
【方法点拨】本题结合实际生活问题考查对动能的认识，关键在于审清题目，如碰撞时间间隔代表乒乓球上升下降的时间。
【解析】(1)第3次碰撞到第4次碰撞用时t0＝2.40 s－2.00 s＝0.40 s，根据竖直上抛和自由落体运动的对称性可知第3次碰撞后乒乓球弹起的高度。
(2)碰撞后弹起瞬间速度为v2，碰撞前瞬间速度为v1，根据题意可知
则每次碰撞损失的动能与碰撞前动能的比值为
第2次碰后从最高点落地瞬间的速度
第3次碰撞后瞬间速度为
则第3次碰撞过程中。
(3)由于存在空气阻力，乒乓球在上升过程中受到向下的阻力和重力，加速度变大，上升的高度变小，所以第(1)问中计算的弹起高度高于实际弹起的高度。
【答案】(1)0.20 (2)1－k2 0.95 (3)高于
试题汇编
纸带、光电门类实验
1．(2022届少城中学第二次月考)某实验小组用如图所示的装置探究质量一定时加速度与力的关系。用铁架台将两块固定有定滑轮的木板架起，木板的右端固定了两个打点计时器，将两个质量相等的小车A、B放置在木板右端，用细线绕过滑轮组后与两小车相连。两条纸带穿过打点计时器后分别与小车连接在一起。将两个打点计时器接在同一个电源上，确保可将它们同时打开或关闭。实验时，甲同学将两小车按住，乙同学先在动滑轮下方挂上一个钩码，再接通电源使打点计时器开始工作，打点稳定后，甲将两辆小车同时释放。在小车撞到定滑轮前，乙断开电源，两打点计时器同时停止工作。取下两条纸带，通过分析处理纸带记录的信息，可以求出两小车的加速度，进而完成实验。请回答以下问题：
(1)图示纸带为小车A后面的部分，纸带上的0、1、2、3、4、5、6为每隔4个打印点选取的计数点，相邻两计数点间的距离如图中标注，单位为cm。打点计时器所用电源的频率为50 Hz，则小车A的加速度a1＝________ m/s2(保留两位有效数字)。同样测出车B的加速度a2，若a1∶a2 近似等于________，就可说明质量一定的情况下，物体的加速度与其受到的合外力成正比。
(2)丙同学提出，不需测出两小车加速度的数值，只量出两条纸带上从第一个打印点到最后一个打印点间的距离x1、x2，也能完成实验探究。他的验证方法是________。
(3)下列操作中，对减少实验误差有益的是________。
A．换用质量大一些的钩码
B．换用质量大一些的小车
C．平衡小车运动受到的摩擦力时，将细线与小车连接起来
(3)换用质量大一些的钩码，可以减小实验的相对阻力，对减少实验误差有益，故正确；换用质量大一些的小车，增大阻力，加大误差，故B错误；平衡小车运动受到的摩擦力时，只让小车拖着纸带走，不能将细线与小车连接起来，故C错误。
2．(2022届吉林油田中学开学调研)甲、乙两同学均设计了测动摩擦因数的实验。已知当地重力加速度的大小为g。
(1)甲同学所设计的实验装置如图甲所示，其中长直木板A的质量为M，质量为m的物块B放置在木板A上，C为物块B右端连接的一轻质弹簧测力计。实验时，用力将A从B的下方水平抽出，通过C的示数F1即可算出动摩擦因数。该同学设计的实验能测出___________（选填“A与B”或“A与地面”）之间的动摩擦因数，其表达式为___________。
(2)乙同学设计的实验如图乙所示，水平长木板上固定有A、B两个光电门，与光电门相连的计时器可以显示带有遮光片的物块通过两光电门之间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质细绳相连的轻质测力计能显示挂钩处所受的拉力。实验时，多次改变砂桶中砂的质量，每次都让物块从光电门A处由静止开始运动，读出多组测力计的示数F及对应的物块在两光电门之间运动的时间t；在坐标系中作出的图线如图丙所示，测得图线在横轴上的截距为－c。岩本实验中物块的质量不能测出。则该同学还应该测出的物理量为___________；根据该测量物理量及图线信息，可知物块与长木板之间的动摩擦因数表达式为μ＝___________（用题中所给物理量表示）。
3．(2022届潍坊12月学科核心素养测评)某学习小组的同学利用如图1所示装置测定物块与木板OP间的动摩擦因数μ1以及物块与水平面间的动摩擦因数μ2。木板O端与水平面光滑连接（物块在此处运动不损失机械能）且能绕O端在竖直平面内转动。实验过程如下：
①用刻度尺量出木板OP的长度L；
②将木板倾斜固定，测得其与水平面的夹角θ；
③将物块从OP板上P端由静止释放，最终停在水平面上的Q点，测得O、Q间距离；
④改变木板倾角，重复②③，测得多组θ、x；
⑤利用多次测量的数据绘出的图像，如图2所示。
(1)图像的数学表达式为_____（用题目所给的物理量符号表示）；
(2)若图像中横轴截距为a，纵轴截距为－b，则μ1＝_____，μ2＝_____。（用L、a、b表示）
4．(2022届浙江三校第二次联考)(1)用图甲所示的装置进行“探究加速度与力、质量之间的关系”的实验，图乙是其俯视图。两个相间的小车放在平板上，车左端各系一条细绳，绳跨过定滑轮各挂一个相同的小盘。实验中可以通过增减车中钩码改变小车质量，通过增减盘中砝码改变拉力。两个小车右端通过细线用夹子固定，打开夹子，小车在小盘和砝码的牵引下运动，合上夹子，两小车同时停止。
①实验中，若两小车通过的位移比为1∶2，则两车加速度之比为___________。
②为使小车所受的拉力近似等于小盘和砝码的总重力，应使小盘和砝码的总质量__________（选填“远大于”或“远小于”）小车的质量。
③探究“加速度与质量之间的关系”时，应在小盘中放质量__________（选填“相同”或“不相同”）的砝码。
④探究“加速度与力之间的关系”时，事实上小车和平板间存在摩擦力，下列说法中正确的是__________。
A．若平板保持水平，选用更光滑的平板有利于减小误差
B．平板右端适当垫高以平衡摩擦力有利于减小误差
C．因为两小车质量相同时与桌面间的摩擦力相同，所以摩擦力不影响实验结果
(2)小福同学做“用单摆测量重力加速度的大小”实验。
①图甲所示，细线的上端固定在铁架台上，下端系一个小钢球，做成一个单摆。图乙、丙分别画出了细线上端的两种不同的悬挂方式，你认为图__________（填“乙”或“丙”）的悬挂方式较好。
②如图丁所示，用游标卡尺测得小钢球的直径d，测出摆线的长度，算出摆长l，再测出摆的周期T，得到一组数据，改变摆线的长度，再得到几组数据。
③据实验数据作出T2－l图像，发现图像是过坐标原点的倾斜直线，斜率为k，根据单摆周期公式，可以测得当地的重力加速度g＝__________（用k表示），利用图像法处理数据是为了减小__________（填“偶然”或“系统”）误差。
其他探究、验证类实验
5．(2022届山师大期中)如图所示，有人对“利用频闪照相研究平抛运动规律”装置进行了改进，在装置两侧都装上完全相同的斜槽A、，但位置有一定高度差，白色与黑色的两个相同的小球都由斜槽某位置静止开始释放。实验后对照片做一定处理并建立直角坐标系，得到如图所示的部分小球位置示意图，取。
(1)根据部分小球位置示意图，对实验装置和操作步骤下列说法正确的是___________。
A．两斜槽末端切线水平
B．两斜槽必须光滑
C．两小球必须同时释放
D．两小球是从两斜槽相同位置静止释放的
(2)根据部分小球位置示意图，可知闪光频率为___________，B球抛出点坐标___________。
(3)若两球在实验中于图中C位置发生碰撞，则可知两小球释放的时间差约为___________。
6．(2022届河南顶尖名校联盟12月质检)某实验小组想要验证力的平行四边形定则，他们只找到三根相同的橡皮筋、图钉若干、固定有白纸的平木板、一把刻度尺和一支铅笔。实验步骤如下：
(1)将三根橡皮筋的一端都拴在一个图钉O上。将这三根橡皮筋的另一端分别再拴一个图钉A、B、C，此时四个图钉均未固定在板上；
(2)另一同学用刻度尺测出橡皮筋的自由长度L0；
(3)使三根橡皮筋互成适当角度适度拉伸（不超过弹性限度），稳定后把图钉A、B、C钉在木板上，再将图钉O固定在木板上，需要记录、测出______、______；
(4)分别算出三根橡皮筋的伸长量x1、x2、x3。选择合适的比例标度，将x1、x2、x3按一定的标度表示出来。以x1、x2为邻边作平行四边形，作出其对角线OF，如图1所示。比较OF与_____的长度和方向，若两者大小在误差允许范围内相等且几乎在一条直线上，则达到实验目的；
(5)如图2所示，把图钉O从木板上松开，保持力F3不变（即相当于三条橡皮筋的结点O和x3不变），且F1起始位置与F3垂直，另外保持F1、F2夹角不变，F1、F2从图示位置顺时针缓慢转过一个锐角过程中，下列结论正确的是_____。
A．F1一定逐渐变大 B．F1可能先变大后变小
C．F2一定逐渐变小 D．F2可能先变大后变小
7．(2022届绵阳12月月考)如图所示，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个大小相同的小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系：先安装好实验装置，在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下重垂线所指的位置O。接下来的实验步骤如下：
步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上、重复多次，用尽可能小的圆，把小球的所有落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置；
步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘位置B，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞。重复多次，并使用与步骤1同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置；步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置M、P、N离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度L1、L2、L3。
(1)小明先用螺旋测微器测量一个小球的直径，刻度如上图所示，读数为______mm；
(2)入射小球1的质量应______被碰小球2的质量；入射小球1的半径应______被碰小球2的半径；（均选填“大于”“等于”或“小于”）
(3)除了图中器材外，实验室还备有下列器材，完成本实验还必须使用的两种器材是______；
A．秒表 B．天平 C．刻度尺 D．打点计时器
(4)当所测物理量满足表达式_____________________时，即说明两球碰撞遵守动量守恒定律。如果还满足表达式_____________________时，即说明两球是弹性碰撞。（用所测物理量m1、m2、L1、L2、L3表示）
8．(2022届哈尔滨三中期中)现利用如图所示装置验证动量守恒定律。在图中气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A、B上面各固定一宽度相等的遮光片，宽度均为d；光电计数器（未完全画出）可以记录遮光片通过光电门的时间。
(1)先只将滑块A放置在导轨上，开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块A，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间______时（填“相同”或“不相同”），可认为气垫导轨水平；
(2)用天平测量滑块A（含遮光片）的质量m1、滑块B（含遮光片）的质量m2；
(3)现使滑块A在导轨左测以某一速度开始向右运动，和计算机连接的光电门测量出滑块A上的遮光片经过光电门1的遮光时间Δt1；
(4)滑块A经过光电门1后与在导轨上静止的滑块B发生瞬间碰撞，碰撞后滑块B、A依次通过光电门2，可测量出遮光片分别通过光电门2的遮光时间ΔtB及ΔtA；
(5)在A、B碰撞过程中，A和B碰前的总动量的大小p＝______，A和B碰后的总动量的大小p′______；（用题中给出的和测量的物理量的符号表示）
(6)某次测量得到的一组数据为：d＝1.000 cm，m1＝0.450 kg，m2＝0.150 kg，Δt1＝3.000 ms，ΔtA＝6.000 ms，ΔtB＝2.100 ms。计算可得p＝______kg‧m‧s－1，p′＝______ kg‧m‧s－1；（结果均保留3位小数）
(7)若实验允许的相对误差绝对值（）不超过5%，可认为碰撞过程中动量守恒，则利用(6)实验数据求得本次实验δ＝______%（保留2位有效数字）。本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律定律______。（填“是”或“否”）
参考答案
纸带、光电门类实验
1．【答案】(1)0.48 1∶2 (2)比较x1∶x2是否近似等于1∶2 (3)A
【解析】(1)每隔4个打印点选取的计数点，相邻两计数点间的时间间隔，根据，小车A的加速度。由图1所示实验装置可知，小车A受到的拉力为小车B受到拉力的eq \f(1,2)，两车的质量m相等，两车的加速度之比。
(2)两小车都做初速度为零的匀加速直线运动，它们的运动时间t相等，它们的位移之比，如果，也可以说明质量一定的情况下，物体的加速度与其质量成正比。
(3)换用质量大一些的钩码，可以减小实验的相对阻力，对减少实验误差有益，故正确；换用质量大一些的小车，增大阻力，加大误差，故B错误；平衡小车运动受到的摩擦力时，只让小车拖着纸带走，不能将细线与小车连接起来，故C错误。
2．【答案】(1)A与B (2)光电门A、B之间的距离x
【解析】(1)当A达到稳定状态时，处于静止状态，弹簧测力计的示数与所受的滑动摩擦力大小相等，对木板A的压力等于的重力，则有，故从弹簧测力计上读取，则可求得A与之间的动摩擦因数。
(2)物块由静止开始做匀加速运动，在从光电门A处运动到光电门处的过程中，位移，则有，根据牛顿第二定律，有，则，设图线在纵轴上的截距为，则图线的斜率，又因纵轴的截距，得物块与长木板间的动摩擦因数。
3．【答案】(1) (2)
【解析】(1)由动能定理可得，可得。
(2)图像中横轴截距为a，纵轴截距为，则图线斜率，纵轴截距为，则可得。
4．【答案】(1) 1∶2 远小于 相同 (2)丙 偶然
【解析】(1)①实验中，若两小车通过的位移比为1∶2，由，可得两车加速度之比。
②实际上，小车与小盘和砝码一起加速运动，设绳对小车的拉力为F，则有，可得，为使小车所受的拉力近似等于小盘和砝码的总重力，应使小盘和砝码的总质量远小于小车的质量。
③探究“加速度与质量之间的关系”时，采用控制变量法，实验时要保证拉力不变，则应在小盘中放质量相同的砝码。
④探究“加速度与力之间的关系”时，若平板保持水平，则选用更光滑的平板有利于减小摩擦力，合力跟接近绳的拉力，可以减小实验误差，故A正确；平板右端适当垫高来平衡摩擦力，使细绳拉力提供小车的合外力，有利于减小误差，故B正确；由牛顿第二定律得，解得，故摩擦力影响实验结果，故C错误。
(2)①单摆在摆动过程中，摆长要保持不变，则单摆悬挂点应固定，故图丙的悬挂方式较好。
③由单摆周期公式，可得，即，则重力加速度为。
其他探究、验证类实验
5．【答案】(1)AD (2)10 （，） (3)0.1
【解析】(1)两斜槽末端切线水平，以保证小球做平抛运动，故A正确；两斜槽不一定必须光滑，故B错误；两小球不一定要同时释放，故C错误；两小球在相同时间内的水平位移都是，则做平抛运动的初速度是相同的，则两球是从两斜槽相同位置静止释放的，故D正确。
(2)根据白色小球位置示意图，可知闪光频率，对白球因竖直方向相邻相等时间的位移之比为，可知点是球的抛出点，即球抛出点坐标，B球三个黑点位置竖直方向位移之比为，可知抛出点与最上面黑点位置的竖直距离为，水平距离为，则竖直坐标为，水平坐标为，则B球抛出点坐标。
(3)若两球在实验中于图中位置发生碰撞，则由图可知白球下落的时间为，黑球下落的时间为，可知两小球释放的时间差为。
6．【答案】(3)三根橡皮筋的方向 三根橡皮筋的长度 (4)x3 (5)BC
【解析】(3)本实验需要记录力的大小和方向，其中力的方向即三根橡皮筋的方向；虽然实验中没有弹簧测力计直接测量力的大小，但由于橡皮筋相同，所以劲度系数相同，可以通过橡皮筋的伸长量来间接反映力的大小，在自由长度已经测量的情况下，还需要测量三根橡皮筋的长度。
(4)本实验中需要比较F1和F2的合力与F3是否满足大小相等、方向相反的关系，即比较OF与x3的长度和方向，若两者大小在误差允许范围内相等且几乎在一条直线上，则达到实验目的。
(5)由题意，根据几何关系以及平衡条件可知F1、F2、F3组成的封闭矢量三角形内接于圆内，如图所示，可知F1、F2从图示位置顺时针缓慢转过一个锐角过程中，由于F1和F2的最终方向未知，所以F1可能先变大后变小，F2一定逐渐变小，故选BC。
7．【答案】(1)4.223 (2)大于 等于 (3)BC (4) m1L2＝m1L1＋m2L3 m1L22＝m1L12＋m2L32
【解析】(1)由图示螺旋测微器可知，其示数为：4 mm＋22.3×0.01 mm＝4.223 mm。
(2)根据动量守恒定律可知若碰撞小球1的质量小于被碰小球2的质量，则小球1可能被碰回，所以小球1的质量应大于被碰小球2的质量，为了保证是对心碰撞，所以小球1的半径应等于被碰小球2的半径。
(3)小球离开轨道后做平抛运动，小球在空中的运动时间相同，小球的水平位移与其初速度成正比，可以用小球的水平位移代替小球的初速度，实验需要验证m1v0＝m1v1＋m2v2，因小球均做平抛运动，下落时间相同，则可知水平位移x＝vt，因此可以直接用水平位移代替速度进行验证，故有m1OP＝m1OM＋m2ON，实验需要测量小球的质量、小球落地点的位置，测量质量需要天平，测量小球落地点的位置需要毫米刻度尺，因此需要的实验器材有BC。
(4)两球相碰前后的动量守恒，以向右为正方向，由动量守恒定律得m1v0＝m1v1＋m2v2，小球离开轨道后做平抛运动，小球在空中的运动时间相同，则有L2＝v0t，L1＝v1t，L3＝v2t，代入可得m1L2＝m1L1＋m2L3；若碰撞是弹性碰撞，满足动能守恒，则有，代入解得。
8．【答案】(1)相同 (5) (6)1.500 1.464 (7)2.4 是
【解析】(1)先只将滑块A放置在导轨上，开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块A，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间相同时，可认为气垫导轨水平。
(5)在A、B碰撞过程中，A和B碰前的总动量的大小，A和B碰后的总动量的大小。
(6)可算得，
(7)利用(6)实验数据求得本次实验，则本实验是在误差范围内验证了动量守恒定律定律。
题 型
考查年份
关联知识点
纸带、光电门类实验
2021全国甲卷22题
用逐差法计算加速度，利用牛顿第二定律测量动摩擦因数
2021湖南卷11题
验证牛顿第二定律实验方法的改进
2021浙江6月17题
验证机械能守恒定律的注意事项和误差分析
2021河北卷12题
探究动能定理的实验步骤和数据处理
2021福建卷12题
探究空气阻力与速度的关系
2021海南卷15题
验证机械能守恒定律
2021湖北卷12题
重力加速度的测量
2021江苏卷11题
验证动量定理
其他探究、验证类实验
2021广东卷11题
探究弹力和弹簧伸长量的关系
2021全国乙卷22题
计算频闪时间间隔和平抛运动水平速度
2021山东卷13题
利用能量守恒解决实际问题
2021辽宁卷11题
探究影响摩擦力大小的因素
将研究运动的物体转化为研究静止的物体，利用F弹＝Ff＝μFN求μ
让物块先做加速运动，当重物掉到地面上之后物块做匀减速直线运动。减速运动中，利用逐差法求加速度，利用F＝μmg＝ma进一步求μ
将动摩擦因数的测量转化为角度的测量。利用a＝gsin θ－μgcs θ求μ(a通过逐差法求解)
将动摩擦因数的测量转化为加速度的测量。利用veq \\al(2,B)－veq \\al(2,A)＝2ax和动力学知识得到μ＝eq \f(mg－（m＋M）a,Mg)
将动摩擦因数转化为速度测量，并营造多过程切入水平滑动情境。A→B过程中，机械能守恒；C→D过程中，物块Q做平抛运动；B→C过程中，只有摩擦力对物块Q做功，利用Wf＝EkC－EkB，进一步求μ
碰撞次序
1
2
3
4
5
6
7
碰撞时刻（s）
1.12
1.58
2.00
2.40
2.78
3.14
3.47