2023高考物理二轮专题复习与测试专题强化练十八力学实验与创新

专题强化练(十八)　力学实验与创新

1．某实验小组利用如图(a)所示装置验证小铁球在竖直平面内摆动过程中机械能守恒，将力传感器固定，不可伸长的轻绳一端系住小球，另一端连接力传感器，若某次实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图(b)所示，其中Fm是实验中测得的最大拉力值．

(1)现用游标卡尺测得小球直径如图(c)所示，则小球的直径为__________cm；

(2)小球由A点静止释放到第一次回到A点的时间为__________(用含有T0的符号表示)；

(3)若测得小球质量为m，直径为D，轻绳长为l，小球释放的位置A到最低点的高度差为h，重力加速度为g，小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中，验证该过程小球机械能守恒的表达式为__________(用题中给定的字母表示)．

解析：(1)图(c)所示游标卡尺分度值为0.05 mm，根据游标卡尺读数规则读数为12 mm＋4×0.05 mm＝12.20 mm＝1.220 cm.

(2)小球由A点静止释放到第一次回到A点的时间为一个周期，即2T0.

(3)小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中，由功能关系ΔEp＝mgh，

小球在最低点时，由牛顿第二定律得F0－mg＝m，ΔEk＝mv2－0，

验证该过程小球机械能守恒的表达式为

mgh＝(l＋)．

答案：(1)1.220　(2)2T0　(3)mgh＝(l＋)

2．某实验小组自制了如图甲所示的装置，探究物体间相对速度对摩擦因数的影响，弹簧秤连接着木块，用同步电动机匀速拖动木块前进．

(1)在保持粗糙程度等其他因素不变的前提下，调节变频器的输出频率，以不同速度拉动木块，待弹簧秤示数稳定时，观察并记录示数．实验小组做了5次实验，得到了表中5组数据，其中在第3次实验时，弹簧秤的示数如图乙所示，请你读出弹簧秤的示数并填入相应的位置．

(2)对表格中调节器输出频率和测力计读数进行分析可知，物体间动摩擦因数与其相对速度大小________(选填“无关”或“有关”)．

(3)考虑到绳圈半径的变化、绳子收缩速度会随着绕线轮转动而逐渐________(选填“变大”或“变小”)，这可能导致弹簧秤读数稍微________(选填“大于”或“小于”)木块所受滑动摩擦力．

解析：(1)由图可读出示数为1.90 N．(2)通过表格数据发现，随着频率的增加，摩擦力几乎不变或变化微小且没有规律，故物体间动摩擦因数与其相对速度大小无关．(3)绳圈半径会一直增大，根据v＝ωr，则绳子收缩速度会增大．绳子收缩速度会增大，由此说明物体在做加速运动，加速度大于零，根据牛顿第二定律F－μmg＝ma，弹簧秤读数会大于物体受到的摩擦力．

答案：(1)1.90　(2)无关　(3)变大　大于

3．某学习小组开展“探究两个互成角度的共点力与合力的关系”的实验．

(1)在一张白纸上，将橡皮条一端固定，用两根量程均为5.00 N的弹簧秤将橡皮条与两细绳的结点拉到某一位置，标记为O点、再在紧靠每条细绳处标记A、B两点，并把弹簧秤的读数记录在白纸上，如图所示；

(2)只留下一根弹簧秤，将结点重新拉至O点，这样做的目的是_______________________，

紧靠细绳处标记C点，并将弹簧秤的读数记录在同一张白纸上，如图所示．

(3)在白纸上取1 cm长度表示1.00 N，请用刻度尺画好图中三个力的图示，再把两个共点力与合力连接起来．

(4)由图得到的结论是：____________________．

解析：(2)只留下一根弹簧秤，将结点重新拉至O点，使一根弹簧秤的作用效果和两根弹簧秤的效果相同，这样做的目的是等效替代．(3)如图

(4)由于对角线得到合力的理论值与实验值基本吻合，在误差范围内，两个互成角度的共点力与合力遵循平行四边形定则．

答案：(2)等效替代　(3)图见解析　(4)在误差范围内，两个互成角度的共点力与合力遵循平行四边形定则

4．(1)如图甲为某同学利用气垫导轨“测当地重力加速度g”的实验装置．

①主要实验步骤如下：

A．将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平；

B．利用螺旋测微器测出遮光条的宽度，如图乙所示，该遮光条宽度d＝________mm；

C．用天平称出钩码的质量m、滑块(含传感器和遮光条)的总质量M；

D．将滑块移至图示位置，测出遮光条到光电门的距离s；

E．打开气源，释放滑块，读出遮光条通过光电门的挡光时间t.

②在滑块从静止释放到遮光条运动到光电门的过程中，系统动能增加量的测量值为ΔEk＝________；

③通过改变s重复实验得到多组数据，作出了-s图像，测得图像斜率为k，则当地重力加速度g＝________；

(2)另一同学仍用该装置，探究加速度与力和质量的关系．该同学根据第(1)问的数据可得物体运动加速度a＝______(用d、t、s表示)，该同学根据传感器的读数直接得出了拉力F，则a与F的关系图像最符合本实验实际情况的是________．

A　　　 　　B　　　　　C　　　　　D

解析：(1)螺旋测微器固定刻度读数是1 mm，可动刻度读数是20.0×0.01 mm＝0.200 mm，故结果为1.200 mm；

系统动能增加量ΔEk＝(M＋m)v2，v＝.

代入可得ΔEk＝(M＋m)()2，

由机械能守恒可得mgs＝(M＋m)v2＝(M＋m)·()2，

得出＝s，

则＝k，得g＝.

(2)根据a＝，将v＝，v0＝0代入可得a＝，传感器的读数直接得出了拉力F，滑块在气垫导轨上运动不受摩擦力作用，F就是滑块所受的合外力，没有系统误差，所以图像应该是一条通过原点的倾斜的直线，选A.

答案：(1)1.200　(M＋m)()2　

(2)　A

5．如图所示，某同学利用图示装置做“探究加速度与物体所受合力的关系”的实验．在气垫导轨上安装了两个光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块通过绕过两个滑轮的细绳与弹簧秤相连，C为弹簧秤，实验时改变钩码的质量，读出弹簧秤的不同示数F，不计细绳与滑轮之间的摩擦力．

(1)实验中__________(填“一定要”或“不必要”)保证钩码的质量远小于滑块和遮光条的总质量；实验中__________(填“一定要”或“不必要”)用天平测出所挂钩码的质量；

(2)某同学实验时，未挂细绳和钩码接通气源，推一下滑块使其从轨道右端向左运动，发现遮光条通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间，该同学疏忽大意，未采取措施调节导轨，继续进行其他实验步骤(其他实验步骤没有失误)，则该同学作出的滑块(含遮光条)加速度a与弹簧秤拉力F的图像可能是__________(填图像下方的字母)．

A　　　　　　B　　　　　C

(3)若该同学作出的a-F图像中图线的斜率为k，则滑块(含遮光条)的质量为__________．

解析：(1)此实验滑块受到的拉力可以用弹簧秤测出，故不需要满足钩码的质量远小于滑块和遮光条的总质量，也不需要用天平测出所挂钩码的质量．(2)遮光条通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间，说明滑块做减速运动，导轨的左端偏高，则加外力时，需到达一定的值才能使滑块加速运动，则作出的滑块(含遮光条)加速度a与弹簧秤拉力F的图像可能是C.(3)根据a＝，则＝k，解得M＝.

答案：(1)不必要　不必要　(2)C　(3)

6．(2022·湖北卷)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验．一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示．拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值Tmin.改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程．根据测量数据在直角坐标系中绘制的Tmax-Tmin图像是一条直线，如图乙所示．

(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒．则图乙中直线斜率的理论值为______．

(2)由图乙得：直线的斜率为________，小钢球的重力为________N．(结果均保留2位有效数字)

(3)该实验系统误差的主要来源是________(单选，填正确答案标号)．

A．小钢球摆动角度偏大

B．小钢球初始释放位置不同

C．小钢球摆动过程中有空气阻力

解析：(1)设初始位置时，细线与竖直方向夹角为θ，则细线拉力最小值为Tmin＝mgcos θ，

到最低点时细线拉力最大，则mgl(1－cos θ)＝mv2，

Tmax－mg＝m，

联立可得Tmax＝3mg－2Tmin，

即若小钢球摆动过程中机械能守恒．则图乙中直线斜率的理论值为－2；

(2)由图乙得直线的斜率为k＝－＝－2.1，

3mg＝1.77，则小钢球的重力为mg＝0.59.

(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选C.

答案：(1)－2　(2)－2.1　0.59　(3)C