高考物理二轮复习第1部分专题突破方略专题6第1讲力学实验及创新试题含解析

第一部分　专题六　第1讲　力学实验及创新

基础题——知识基础打牢

1．(2021·湖北武汉模拟)在验证力的平行四边形定则的实验中，某兴趣小组使用传统的木板、图钉、白纸、橡皮条、细绳和弹簧测力计等工具，把木板平放在水平桌面上来做实验．

(1)下列不必要的实验要求是　CD　.

A．弹簧测力计应在使用前校零

B．拉绳方向应与木板平面平行

C．为了更方便地验证力的平行四边形定则，最好使两个力F1、F2间的夹角为90°

D．改变拉力，进行多组实验，每次都要使结点静止在同一位置

(2)下列实验操作合理的是  BCD  .

A．记录结点的位置时，应该在结点正下方描一个清晰且尽量大的点

B．记录细绳方向时，应该在细绳正下方相距较远的位置上点两个较小的点

C．为了方便操作和作图，可将其中一个弹簧测力计中拉力的方向固定下来，改变另一个弹簧测力计的示数和拉力的方向

D．为了减小实验误差，在不超出量程的情况下，应该使弹簧测力计的示数尽量大些

(3)兴趣小组在水平放置的木板上很快做完了实验，想尝试在倾斜木板上做实验，  能  (填“能”或“不能”)有效验证力的平行四边形定则．

【解析】　(1)根据仪器使用常识可知，弹簧测力计在使用前需校零，A项是必要的；实验中力必须与木板在同一平面内，B项也是必要的；要验证平行四边形定则，夹角不应该选取特殊角度，C项不必要；在同一组实验中，要使两次拉力的作用效果相同，结点的位置必须相同，但在不是同一组实验验证时，结点的位置可以不同，所以不需要固定结点位置，D项不必要．本题选不必要的要求，故选CD.

(2)实验中记录描点时，点描得越小，带来的实验误差会越小，故描点要尽量小且清晰，A项操作是不合理；两个点相距较远，有利于作图时把力的方向作准确，B项操作是合理的；为了方便作图，可将其中一个弹簧测力计中拉力的方向固定下来，改变另一个弹簧测力计的示数和拉力的方向，只要将结点拉至与一个弹簧测力计拉橡皮条时结点相同的位置即可，不影响实验的有效性，故C项操作是合理的；为了减小实验误差，在不超出弹簧测力计量程的情况下，弹簧测力计的示数越大，读数误差越小，故D项是合理的．故选BCD.

(3)无论在哪个平面做实验，只要满足在该平面内两次力的作用效果相同，在操作无误的情况下，即可验证力的平行四边形定则，因此在倾斜的木板上做实验，也能够有效验证力的平行四边形定则．

2．(2021·辽宁抚顺模拟)某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系．

将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹簧一侧，弹簧轴线和刻度尺都在竖直方向上．弹簧自然悬挂，待弹簧静止时，长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时，长度记为Lx.

(1)在砝码盘中每次增加20 g砝码，弹簧长度依次记为L1至L6，数据如下表：

表中有一个数值记录不规范，代表符号为  L4  (填“L0”“Lx”“L1”“L2”“L3”“L4”“L5”或“L6”)．

(2)该同学根据表中部分数据作的图如图所示，纵轴是砝码的质量，横轴是弹簧长度与  L0  (填“L0”或“Lx”)的差值．

(3)由图可知弹簧的劲度系数为  10  N/m(结果保留两位有效数字，取重力加速度大小g＝9.8 m/s2)

【解析】　(1)由表中记录的数据可知，L4的数据没有估读一位，与其他组不一致，故L4数值记录不规范．

(2)图像中质量为0时，横轴的坐标为x1＝0.5×1.96×10－2m＝0.98 cm，故横轴是弹簧长度与弹簧未挂上砝码盘时弹簧长度L0的差值，若横轴是弹簧长度与Lx的差值图线应过原点．

(3)由胡克定律可知，图线斜率表示弹簧的劲度系数，可得k＝＝＝ N/m＝10 N/m.

3．(2021·河北张家口一模)某实验小组以图中装置验证“动能定理”．他们用不可伸长的细线将滑块(含挡光片)通过一个定滑轮和挂有重物的动滑轮与力的传感器相连，在水平气垫导轨的A、B两点各安装一个光电门，A、B两点间距为x，释放重物，挡光片通过A、B时的遮光时间分别为tA、tB，力的传感器连接计算机记录细绳的拉力大小为F，已知滑块及挡光片的总质量为M，挡光片宽度为d，重物的质量为m.

(1)实验操作过程中  不需要  (选填“需要”或“不需要”)满足m≪M；

(2)实验过程中测得的滑块通过A、B两点时动能变化为　M2－M2　；若关系式　Fx＝M2－M2　成立，则动能定理成立．(用题中已知的物理量字母表示)

【解析】　(1)因为有力的传感器测量拉力，故不需要满足m≪M.

(2)挡光片通过A、B时的遮光时间分别为tA、tB，挡光片宽度为d，滑块通过A、B两点时动能变化为ΔEk＝M2－M2，若关系式Fx＝ΔEk＝M2－M2成立，则动能定理成立．

4．(2021·福建龙岩质检)用如图甲所示的实验装置探究“质量不变时，加速度与合外力的关系”．

(1)在平衡摩擦力后，测出砂与砂桶的质量m，小车挂上砂与砂桶进行实验，实验中得到的一段纸带如图乙所示，图中x1＝1.39 cm，x2＝1.88 cm，x3＝2.37 cm，x4＝2.87 cm，x5＝3.39 cm，x6＝3.88 cm，已知打点计时器所接的交流电源频率为50 Hz，则可求得小车加速度a＝  0.50  m/s2(结果保留两位有效数字)．

(2)在保持小车质量不变的情况下，改变砂和砂桶质量，重复上述实验．用砂和砂桶的重力作为小车所受的合力大小F，作出a－F图像，如图所示．由图像可知质量一定时，物体加速度a与合外力F成正比．某同学利用该图像求出小车的质量为  0.42  kg(结果保留两位有效数字)；由于用砂和砂桶的重力作为小车所受的合力F，所以求得的小车质量与真实值相比  偏大  (填“偏大”“偏小”或“相等”)．

【解析】　(1)由图可知，相邻计数点的时间间隔为t＝＝0.1 s

则小车的加速度为a＝＝0.50 m/s2

(2)根据a＝，可知a－F图像斜率满足k＝

由图可知，图像经过点(0.25,0.6)，带入得

m＝＝ kg＝0.42 kg

因为小车的测量值为m测＝m砂＋m桶＋m车，所以测量值大于真实值．

5．(2021·湖北八市联考)某同学设计如图甲所示实验装置探究质量一定，加速度和力的关系．将一端带有定滑轮的长木板放在水平实验桌面上，长木板左端固定的位移传感器，可以测得滑块的位移，通过电脑将数据转换成滑块的位移－时间图线．滑块通过细绳跨过定滑轮与力传感器相连，力传感器可直接测出细线中拉力大小，传感器下方悬挂钩码．

(1)下列说法正确的是  A  .

A．细线必须与长木板平行

B．细线的拉力就是滑块受到的合外力

C．滑块的质量必须远大于钩码的质量

(2)某次实验得到滑块的位移－时间图像如图乙所示，则滑块的加速度大小为  0.50  m/s2(结果保留两位有效数字)；

(3)该同学在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图丙所示，取重力加速度g＝10 m/s2，则滑块的质量为  1.0  kg，滑块与长木板之间的动摩擦因数μ＝  0.20  .(结果均保留两位有效数字)

【解析】　(1)为了保证滑块做匀加速直线运动，细线必须与长木板平行．A正确；因为没有平衡摩擦力，所以细线拉力不等于合外力，B错误；因为有拉力传感器，所以不需要满足滑块的质量必须远大于钩码的质量，C错误．故选A．

(2)滑块做初速度为零的匀加速直线运动，有x＝at2，解得a＝0.50 m/s2.

(3)将轨道倾斜，有F－mgsin α－μmgcos α＝ma，解得m＝＝ N＝1.0 kg

轨道水平，有F－μmg＝ma，将F＝2 N、a＝0代入得μ＝0.20.

6．实验小组通过圆周运动来测量圆盘的半径，装置如图甲所示．一水平放置的圆盘绕竖直固定轴匀速转动，在圆盘上沿半径方向开有三条相同的均匀狭缝，狭缝间夹角相等．将激光器与传感器上下对准，尽量靠近圆盘的边缘处，使二者的连线与转轴平行，分别置于圆盘的上下两侧，激光器连续向下发射激光束．在圆盘的转动过程中，当狭缝经过激光器与传感器之间时，传感器接收到一个激光信号，并将其输入计算机，经处理后画出相应的图线，如图乙所示，横坐标表示时间，纵坐标表示传感器电压．

(1)使用游标卡尺测量狭缝宽度，如图丙所示，读数为  2.00  mm.

(2)根据图乙的参数，取π＝3.14，得到圆盘边缘的线速度为  0.4  m/s，圆盘的半径为  0.3  m.

【解析】　(1)游标卡尺读数为2 mm＋0.05 mm×0＝2.00 mm.

(2)线速度v＝＝＝0.4 m/s，角速度ω＝＝ rad/s，半径R＝＝0.3 m.

应用题——强化学以致用

7．(2021·广东珠海质检)用如图(a)所示的实验装置测量当地重力加速度的大小．质量为m2的重锤从高处由静止开始下落，质量为m1的重锤上拖着纸带利用电磁打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行分析，即可测出当地的重力加速度g值．如图(b)给出的是实验中获取的一条纸带中的某一段，相邻两计数点间还有4个点未画出，电源的频率为50 Hz，相邻计数点间的距离如图(b)所示．已知m1＝80 g、m2＝120 g，要求所有计算结果保留两位有效数字．则：

(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝  1.5  m/s；

(2)用逐差法求出重锤的加速度大小a＝  1.9  m/s2，而得出当地的重力加速度大小为g＝  9.5  m/s2；

(3)测出的重力加速度的值比实际值小，其误差的主要来源有哪些(　C　)

A．没有使用电火花计时器

B．m1和m2的质量太悬殊

C．绳子和定滑轮之间存在阻力

D．绳子拉力不等于m2的重力

【解析】　(1)由题意可知，相邻两计数点间的时间间隔是T＝5×0.02 s＝0.1 s

打计数点5时的速度

v5＝＝ m/s＝1.5 m/s

(2)重锤的加速度大小

a＝＝

×10－2m/s2＝1.9 m/s2

由牛顿第二定律有m2g－m1g＝(m1＋m2)a，解得重力加速度大小为g＝9.5 m/s2

(3)与没有使用电火花计时器无关，A错误；m1和m2的质量相差不大，B错误；在使用牛顿第二定律计算加速度时，没有考虑绳子与定滑轮间存在的阻力，C正确；绳子拉力本身就不等于m2的重力，存在的误差与绳子拉力等不等于m2的重力无关，D错误．故选C.

8．(2021·广东汕头一模)某实验小组利用如图所示装置测量小物块与接触面间的动摩擦因数．已知小物块与长木板面和水平面的动摩擦因数相同，重力加速度为g.

(1)甲同学利用该装置进行实验，把长木板倾角调整到合适角度，使小物块在倾斜的长木板上匀速下滑，测量出长木板倾角为θ0，则可知小物块与长木板的动摩擦因数μ＝  tan_θ0  .

(2)由于难以确认小物块在倾斜的木板上做匀速运动，乙同学对实验加以改进，增大木板的倾角使其稍大于θ0，再使小物块从A点从静止开始下滑，经过O点后到达水平面上的B点停下．测得A点距水平面的高度为h，A、B两点间的水平距离为x(如图)，忽略物块在O点的机械能损失，则可测得动摩擦因数μ＝　　；

(3)由于物块在O点实际上有机械能损失，因此上述测量结果与真实值比较，μ测  >  μ真(填“>”“<”或“＝”)

【解析】　(1)小物块在倾斜的长木板上匀速下滑，对小物块受力分析得

mgsin θ0＝μmgcos θ0解得μ＝tan θ0

(2)对A－B过程运用动能定理得mgh－μmgcos θ0·－μmg＝0

即mgh－μmgx＝0解得μ＝

(3)设物块在O点机械能损失为W损，由以上分析可得mgh－μ测mgx＝0

mgh－W损－μ真mgx＝0

比较以上两式得μ测>μ真

9．(2021·福建福州八中质检)光电计时器是研究物体运动情况时常用的一种计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间，如图乙所示，气垫导轨是常用的一种实验仪器，它利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块与导轨间可视为没有摩擦．某实验小组利用如图乙所示的实验装置来探究“做功与物体动能改变量的关系”，实验前要调整气垫导轨底座水平，用游标卡尺测得遮光条的宽度为d，实验时滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt，当地重力加速度为g.

(1)如图丙所示，某同学用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝  0.540  cm.用天平测得滑块与遮光条的总质量为M、钩码的质量为m.

(2)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门所用时间为Δt＝1.2×10－2s，则滑块经过光电门时的瞬时速度为(用游标卡尺的测量结果计算)  0.45  m/s.

(3)在本次实验中为了确保细线拉力所做的功与钩码重力做的功近似相等，则滑块与遮光条的总质量M、钩码的质量m间应满足  M≫m  ；本实验中还需要测量的物理量是  滑块上的遮光条初位置到光电门的距离s  (用文字说明并用相应的字母表示)．

(4)本实验中可通过改变钩码的质量测得多组数据并建立－m关系图来进行验证，则下列图像中符合真实实验情况的是  C  .

【解析】　(1)由游标卡尺读数规则可得遮光条的宽条d＝5 mm＋0.05 mm×8＝0.540 cm.

(2)滑块经过光电门时的瞬时速度为v＝＝ m/s＝0.45 m/s.

(3)令细线拉力为T，则有T＝Ma及mg－T＝ma，T＝mg＝，所以只有满足M≫m时，细线拉力所做的功与钩码重力做的功才近似相等，细线拉力做的功为W＝mgs，即需要测定滑块上的遮光条初位置到光电门的距离s.

(4)由运动学规律知v2＝2as，由牛顿第二定律知mg＝Ma，v＝，联立得＝m，

即刚开始时图像为过原点的倾斜直线，但当钩码的质量不再远小于滑块与遮光条的总质量时，直线末端发生弯曲，分析可知选项C符合．