2024届高考物理二轮专题复习与测试专题强化练十六力学实验与创新

这是一份2024届高考物理二轮专题复习与测试专题强化练十六力学实验与创新，共8页。试卷主要包含了一同学用手机测量重力加速度等内容，欢迎下载使用。

(2)图中游标卡尺的读数为________mm，螺旋测微器的读数为________mm.
解析：(1)用游标卡尺测量小球的直径，应将小球卡在外测量爪中，故应选题图甲．
(2)游标卡尺的读数为l＝52 mm＋7×eq \f(1,20) mm＝52.35 mm；螺旋测微器的读数为d＝1.5 mm＋49.0×0.01 mm＝1.990 mm.
答案：(1)图甲 (2)52.35 1.990(1.899～1.991均正确)
2．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＝meq \f(v2,l＋\f(D,2))，ΔEk＝eq \f(1,2)mv2－0，
验证该过程小球机械能守恒的表达式为
mgh＝eq \f(（F0－mg）,2)(l＋eq \f(D,2))．
答案：(1)1.220 (2)2T0 (3)mgh＝eq \f(（F0－mg）,2)(l＋eq \f(D,2))
3．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
4．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
5．(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eq \f(1,t2)-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________．
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＝eq \f(1,2)(M＋m)v2，v＝eq \f(d,t).
代入可得ΔEk＝eq \f(1,2)(M＋m)(eq \f(d,t))2，
由机械能守恒可得mgs＝eq \f(1,2)(M＋m)v2＝eq \f(1,2)(M＋m)(eq \f(d,t))2，
得出eq \f(1,t2)＝eq \f(2mg,（M＋m）d2)s，
则eq \f(2mg,（M＋m）d2)＝k，得g＝eq \f(（M＋m）kd2,2m).
(2)根据a＝eq \f(v2－veq \\al(2,0),2s)，将v＝eq \f(d,t)，v0＝0代入可得a＝eq \f(d2,2st2)，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 eq \f(1,2)(M＋m)(eq \f(d,t))2 eq \f(（M＋m）kd2,2m)
(2)eq \f(d2,2st2) A
6．如图所示，某同学把A、B两根不同的弹簧串接竖直悬挂，探究A、B弹簧弹力与伸长量的关系．在B弹簧下端依次挂上质量为m的钩码，静止时指针所指刻度xA、xB的数据如表．
钩码个数为2时，弹簧A的伸长量ΔxA＝________cm，弹簧B的伸长量ΔxB＝________cm，两根弹簧弹性势能的增加量ΔEp________mg(ΔxA＋ΔxB)(选填“＝”、“<”或“>”)．
解析：[1]钩码个数为2时，弹簧A的伸长量
ΔxA＝8.53 cm－7.75 cm＝0.78 cm.
[2]弹簧B的伸长量
ΔxB＝18.52 cm－16.45 cm－0.78 cm＝1.29 cm.
[3]根据系统机械能守恒定律可知两根弹簧的重力势能减少量和钩码减少的重力势能等于弹簧增加的弹性势能
ΔEp>mg(ΔxA＋ΔxB)．
答案：0.78 1.29 >
7．一同学用手机测量重力加速度．先拍摄小球自由下落的视频，得到分帧图片，再利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度，实验装置如图所示．
(1)下列主要操作步骤的正确顺序是________．(填写各步骤前的序号)
①把刻度尺竖直固定在墙上
②打开手机摄像功能，开始摄像
③手机固定在三角架上，调整好手机镜头的位置
④捏住小球，从刻度尺旁静止释放
(2)将小球底部与刻度尺0刻度对齐，由静止释放，用手机连拍其下落过程；手机每隔0.1 s拍摄一张照片，选取连续拍摄的3张照片如图所示，读出第一张和第二张照片中小球底部对应的刻度分别为78.24 cm、122.25 cm，读得第三张照片中小球底部对应的刻度为______cm.计算得到当地的重力加速度g＝______ m/s2(保留3位有效数字)．
(3)若释放时手不小心给了小球一个向下的初速度，但也仍能用(2)的方法计算当地的重力加速度，这是因为____________________．
解析：(1)先安装设备，故应先把刻度尺竖直固定在墙上，再把手机固定在三角架上，调整好手机镜头的位置，实验时要先打开手机摄像功能，开始摄像，然后捏住小球，从刻度尺旁静止释放，故正确的顺序为①③②④.
(2)刻度尺的分度值为1 mm，所以要估读到毫米的下一位，则第三张照片中小球底部对应的刻度为175.98 cm.
根据Δh＝gT2可得，当地的重力加速度g＝eq \f(Δh,T2)＝eq \f(（1.759 8－1.222 5）－（1.222 5－0.782 4）,0.12) m/s2＝9.72 m/s2.
(3)利用Δh＝gT2计算加速度大小与初速度是否为零无关．
答案：(1)①③②④ (2)175.98 9.72 (3)利用Δh＝gT2计算加速度大小与初速度是否为零无关
8．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＝mgcs θ.
到最低点时细线拉力最大，则mgl(1－cs θ)＝eq \f(1,2)mv2，
Tmax－mg＝meq \f(v2,l)，
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＝－eq \f(1.77－1.35,0.2)＝－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
次数
调节器输出频率(Hz)
测力计的读数(N)
1
10
1.95
2
20
2.02
3
40
______________
4
50
2.04
5
60
1.83
钩码个数
1
2
…
xA/cm
7.75
8.53
9.30
…
xB/cm
16.45
18.52
20.60
…