2019高考物理二轮复习第16讲 力学实验与创新 专题训练(含解析)

第16讲　力学实验与创新

非选择题(共64分)

1.(6分)下面各图均是用游标卡尺测量时的示意图,图甲为50分度游标卡尺,图乙为20分度游标卡尺,图丙为10分度游标卡尺,它们的读数分别为:　　　　;　　　　;　　　　。 

2.(6分)如图甲、乙、丙是螺旋测微器的三种刻度,其读数分别为,　　　　mm、　　　　mm、　　　　                                                        mm。 

甲

乙　　　　　　　　　丙

3.(6分)在测定滑块与桌面间的动摩擦因数时,设计的实验装置如图1所示,进行如下操作:首先用天平测出滑块的质量M=300 g,将纸带与滑块拴接在一起穿过打点计时器,拴接在滑块另一端的轻绳跨过定滑轮连接两个质量均为m=100 g的钩码,在实验过程中通过调节始终让轻绳与水平桌面平行。接通电源,由静止释放滑块,让滑块在钩码的牵引下做加速运动,得到一条纸带。在纸带上选取点迹清晰的A点为第一个计数点,然后每间隔四个点选择一个计数点,经测量各相邻计数点间的距离如图2所示。如果该打点计时器的打点周期为T=0.02 s,重力加速度为g=10 m/s2。回答下列问题:(均保留两位有效数字)

(1)由纸带求出打点计时器打B点时的速度为vB=　　　　m/s; 

(2)滑块的加速度大小为a=　　　　m/s2; 

(3)由以上可知,钩码数量为2个时,该滑块与水平桌面之间的动摩擦因数为μ=　　　　。 

4.(2018江苏单科,11)(10分)某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g。细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮,两端各悬挂一只质量为M的重锤。实验操作如下:

①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H;

②在重锤1上加上质量为m的小钩码;

③左手将重锤2压在地面上,保持系统静止。释放重锤2,同时右手开启秒表,在重锤1落地时停止计时,记录下落时间;

④重复测量3次下落时间,取其平均值作为测量值t。

请回答下列问题:

(1)步骤④可以减小对下落时间t测量的　　　　　　(选填“偶然”或“系统”)误差。 

(2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多,主要是为了　　　　　　　。 

A.使H测得更准确

B.使重锤1下落的时间长一些

C.使系统的总质量近似等于2M

D.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等

(3)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差。现提供一些橡皮泥用于减小该误差,可以怎么做?

(4)使用橡皮泥改进实验后,重新进行实验测量,并测出所用橡皮泥的质量为m0。用实验中的测量量和已知量表示g,得g=　　　　。 

5.(6分)某同学利用如图甲所示装置探究平抛运动中机械能是否守恒。在圆弧槽轨道的末端安装一个光电门B,圆弧槽末端水平。地面上铺有白纸,白纸上铺有复写纸,让小球从圆弧槽上固定位置A点由静止释放,通过光电门后落在地面的复写纸上,在白纸上留下打击印。重复实验多次,测得小球通过光电门B的平均时间为Δt=2.50 ms。(当地重力加速度g=9.8 m/s2)

(1)用游标卡尺测得小球直径如图乙所示,则小球直径为d=　　　　mm,由此可知小球通过光电门的速度vB=　　　　m/s。 

(2)实验测得轨道末端离地面的高度h=0.441 m,小球的平均落点P到轨道末端正下方O点的距离x=0.591 m,则由平抛运动规律解得小球平抛的初速度v0=　　　　m/s。 

(3)在误差允许范围内,实验结果中小球通过光电门的速度vB与由平抛运动规律求解的平抛初速度v0满足　　　　关系,就可以认为平抛运动过程中机械能是守恒的。 

6.(6分)“用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图(a)所示,实验中用所挂钩码的重力作为细线对小车的拉力F。通过增加钩码的数量,多次测量,可得小车运动的加速度a和所受拉力F的关系图像。他们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(b)所示。

(1)图线　　　　(选填“①”或“②”)是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的; 

(2)在轨道水平时,小车运动的阻力Ff=　　　　N; 

(3)图(b)中,拉力F较大时,a-F图线明显弯曲,产生误差。为避免此误差可采取的措施是　　　　。 

A.调整轨道的倾角,在未挂钩码时使小车能在轨道上匀速运动

B.在增加钩码数量的同时在小车上增加砝码,使钩码的总质量始终远小于小车的总质量

C.将无线力传感器捆绑在小车上,再将细线连在力传感器上,用力传感器读数代替钩码的重力

D.更换实验中使用的钩码规格,采用质量较小的钩码进行上述实验

7.(2018北京理综,21)(18分)用图1所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。

图1

主要实验步骤如下:

a.安装好实验器材,接通电源后,让拖着纸带的小车沿长木板运动,重复几次。

b.选出一条点迹清晰的纸带,找一个合适的点当作计时起点O(t=0),然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点,如图2中A、B、C、D、E、F……所示。

图2

c.通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E……点时小车的速度,分别记作v1、v2、v3、v4、v5……

d.以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系,在坐标纸上描点,如图3所示。

图3

　　结合上述实验步骤,请你完成下列任务:

(1)在下列仪器和器材中,还需要使用的有　　　　和　　　　(填选项前的字母)。 

A.电压合适的50 Hz交流电源

B.电压可调的直流电源

C.刻度尺

D.秒表

E.天平(含砝码)

(2)在图3中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点,请在该图中标出计数点C对应的坐标点,并画出v-t 图像。

(3)观察v-t图像,可以判断小车做匀变速直线运动,其依据是　　　　　　　　　　　　。v-t图像斜率的物理意义是　　　　。 

(4)描绘v-t图像前,还不知道小车是否做匀变速直线运动。用平均速度表示各计数点的瞬时速度,从理论上讲,对Δt的要求是　　　　(选填“越小越好”或“与大小无关”);从实验的角度看,选取的Δx大小与速度测量的误差　　　　(选填“有关”或“无关”)。 

(5)早在16世纪末,伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的。当时只能靠滴水计时,为此他设计了如图4所示的“斜面实验”,反复做了上百次,验证了他的猜想。请你结合匀变速直线运动的知识,分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的。

图4

8.(6分)某物理小组的同学设计了一个粗测玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验。所用器材有:玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器(圆弧部分的半径为R=0.20 m)。

完成下列填空:

(1)将凹形桥模拟器静置于托盘秤上,如图(a)所示,托盘秤的示数为1.00 kg;

(2)将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时,托盘秤的示数如图(b)所示,该示数为　　　　kg; 

(3)将小车从凹形桥模拟器某一位置释放,小车经过最低点后滑向另一侧。此过程中托盘秤的最大示数为m;多次从同一位置释放小车,记录各次的m值如下表所示:

　　(4)根据以上数据,可求出小车经过凹形桥最低点时对桥的压力为　　　　N;小车通过最低点时的速度大小为　　　m/s。(重力加速度大小取9.80 m/s2,计算结果保留2位有效数字) 

答案精解精析

非选择题

1.答案　42.16 mm　63.30 mm　29.8 mm

解析　在题图甲中,主尺读数为42 mm,游标尺上第8条刻度线与主尺上的一条刻度线对齐,由于游标卡尺是50分度的,所以读数为42 mm+8×0.02 mm=42.16 mm;在题图乙中,主尺读数为63 mm,游标尺上第6条刻度线与主尺上的一条刻度线对齐,由于游标卡尺是20分度的,所以读数为63 mm+6×0.05 mm=63.30 mm;在题图丙中,主尺读数为29 mm,游标尺上第8条刻度线与主尺上的一条刻度线对齐,由于游标卡尺是10分度的,所以读数为29 mm+8×0.1 mm=29.8 mm。

2.答案　6.360　0.007　0.658

解析　图甲:固定尺读数+可动尺读数=6.0 mm+36.0×0.01 mm=6.360 mm。

图乙:固定尺读数+可动尺读数=0 mm+0.7×0.01 mm=0.007 mm。

图丙:固定尺读数+可动尺读数=0.5 mm+15.8×0.01 mm=0.658 mm。

3.答案　(1)0.74　(2)0.64　(3)0.56

解析　(1)滑块做匀变速直线运动,一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,又由题意可知相邻计数点间的时间间隔为t=5T=5×0.02 s=0.1 s,则vB=== m/s≈0.74 m/s。

(2)利用逐差法可求得滑块的加速度

a== m/s2≈0.64 m/s2。

(3)对滑块,由牛顿第二定律可得

2mg-μMg=(2m+M)a

代入数据解得:μ=0.56。

4.答案　(1)偶然　(2)B

(3)在重锤1上粘上橡皮泥,调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1后松手,能观察到其匀速下落。

(4)

解析　本题考查利用牛顿第二定律和匀变速直线运动规律测重力加速度。

(2)m相对M越小,系统的加速度越小,重锤1下落的时间就越长,测量时间的相对误差就越小,故选B。

(3)在重锤1上粘上橡皮泥,轻拉重锤1后松手,若能匀速运动,就说明平衡了摩擦阻力。

(4)系统匀加速下落的过程中有:H=at2　①

mg=(2M+m+m0)a　②

解①②得:

g=。

5.答案　(1)5.00　2.0　(2)1.97　(3)vB=v0(相等)

解析　(1)小球的直径d=5 mm+0.05 mm×0=5.00 mm

小球通过光电门的速度vB==2.0 m/s。

(2)由平抛运动规律可得:x=v0t,h=gt2,可求得v0=1.97 m/s。

(3)在误差允许范围内,可认为vB=v0,平抛运动过程中机械能是守恒的。

6.答案　(1)①　(2)0.5　(3)C

解析　(1)在水平轨道上,由于受到摩擦力,拉力不为零时,加速度仍然为零,可知图线②是在轨道水平的情况下得到的。当轨道的右侧抬高过高时(平衡摩擦力过度),拉力等于0时,会出现加速度,所以图线①是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的。

(2)根据牛顿第二定律得,F-f=ma,a=-,F=0.5 N时,加速度为零,解得f=0.5 N。

(3)由于开始段a-F关系为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速度与外力成正比;由实验原理mg=Ma得a==,而实际上a'=,可见AB段和A'B'段明显偏离直线是由于没有满足M≫m造成的。所以更换实验中使用的钩码规格,采用质量较小的钩码进行上述实验,可以减小弯曲的程度,而将无线力传感器捆绑在小车上,再将细线连在力传感器上,用力传感器读数代替钩码的重力可以避免出现这种情况。故选C。

7.答案　(1)A　C　(2)如图所示

(3)小车的速度随时间均匀变化　加速度

(4)越小越好　有关

(5)如果小球的初速度为0,其速度v∝t,那么它通过的位移x∝t2。因此,只要测量小球通过不同位移所用的时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。

解析　本题考查研究匀变速直线运动规律的实验。

(1)打点计时器所用电源为50 Hz的交流电源,测量各计数点间距离需用刻度尺。

(2)图见答案。

(3)因为小车的速度随时间均匀变化,所以小车做匀加速直线运动。由匀加速直线运动中速度v=v0+at,可知v-t图像斜率的物理意义是加速度。

(4)=,若用 表示瞬时速度,Δt越小越好,而选取的Δx大小会影响速度测量值与真实值的偏差大小。

(5)设v0=0,v=at,而x=at2,故可通过位移随时间的变化情况,判断速度随时间的变化情况。

8.答案　(2)1.40(2分)　(4)7.9(2分)　1.4(2分)

解析　(2)示数为1.40 kg,注意估读。

(4)小车经过凹形桥最低点时对桥的压力N=g-M桥g=(1.81-1.00)×9.80 N=7.9 N,小车通过最低点时受到的支持力N'=N=7.9 N,小车质量m车=1.40 kg-1.00 kg=0.40 kg,由N'-m车g=m车,解得v=1.4 m/s。