高考物理全一册专题50实验：力学拓展创新实验练习含解析

专题50　实验：力学拓展创新实验

常用测量动摩擦因数的方法有动力学法、动能定理法、平衡法等．无论什么方法，关键是分析研究对象(实验对象)的受力特点、运动过程等，判断其运动过程遵循什么规律，列出方程，明确待测量及系统误差等．

1．(2020·湖南娄底市下学期第二次模拟)某兴趣小组用如图1甲所示的实验装置来测量物块与斜面间的动摩擦因数．PQ为一块倾斜放置的木板，在斜面底端Q处固定有一个光电门，光电门与数字计时器相连(图中未画)．每次实验时将一物块(其上固定有宽度为d的遮光条)从不同高度h处由静止释放，但始终保持斜面底边长L＝0.500 m不变，重力加速度g＝10 m/s2.(设物块与斜面间的动摩擦因数处处相同)

图1

(1)用20分度游标卡尺测得物块上的遮光条宽度d如图乙所示，则d＝________cm；

(2)该小组根据实验数据，计算得到物块经过光电门的速度v，并作出了如图丙所示的v2－h图象，其图象与横轴的交点为0.25.由此可知物块与斜面间的动摩擦因数μ＝____________；

(3)若更换动摩擦因数更小的斜面，重复上述实验得到v2－h图象，其图象的斜率将________(选填“增大”“减小”或“不变”)．

答案　(1)0.225　(2)0.5　(3)不变

解析　(1)由题图乙知第5条刻度线与主尺上刻度对齐，则读数为：

d＝2 mm＋5×0.05 mm＝2.25 mm＝0.225 cm；

(2)设斜面的长为s，倾角为θ，由动能定理得：

(mgsin θ－μmgcos θ)s＝mv2

即：mgh－μmgL＝mv2，可得v2＝2gh－2μgL

由题图丙可知，当h＝0.25 m时，v＝0，

代入数据得到：μ＝0.5；

(3)由v2＝2gh－2μgL知斜率k＝2g为定值，若更换动摩擦因数更小的斜面，图象的斜率不变．

2.(2020·河南非凡吉创联盟调研)某同学利用如图2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.

图2

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)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？________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

(3)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＝________________.

答案　(1)偶然

(2)可以在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥的质量，直至轻拉重锤1时，能观察到重锤匀速下落，这时即可平衡摩擦力

(3)

解析　(1)在数据的测量过程中会由于人为的原因造成偶然误差，多次测量可以减小测量的偶然误差；

(2)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差，可以通过在重锤上粘橡皮泥改变重锤的质量，使重锤能够匀速下滑，这样就实现了平衡摩擦力；

(3)使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，橡皮泥的质量为m0，

对系统应用牛顿第二定律：

(M＋m＋m0)g－Mg－Ff＝(M＋M＋m＋m0)a，Ff＝m0g

根据运动学公式：H＝at2

解得：a＝

将摩擦力值和加速度值代入牛顿第二定律方程中解得：

g＝.

3．(2020·河北衡水中学二模)甲、乙同学均设计了测动摩擦因数的实验，已知重力加速度为g.

图3

(1)甲同学设计的实验装置如图3甲所示，其中A为置于水平面上的质量为M的长直木板，B为木板上放置的质量为m的物块，C为物块右端连接的一个轻质弹簧测力计，连接弹簧的细绳水平，实验时用力向左拉动A，当C的示数稳定后(B仍在A上)，读出其示数F，则该设计能测出________(填“A与B”或“A与地面”)之间的动摩擦因数，其表达式为μ＝________.

(2)乙同学的设计如图乙所示，他在一端带有定滑轮的长木板上固定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在其间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质细绳相连的轻质测力计能显示细绳上的拉力，长木板固定在水平面上，物块与滑轮间的细绳水平，实验时，多次改变沙桶中沙的质量，每次都让物块从靠近光电门A处由静止开始运动，读出多组测力计示数F及对应的物块在两光电门之间的运动时间t；在坐标系中作出F－的图线如图丙所示，图线的斜率为k，纵轴截距为b，因乙同学不能测出物块质量，故该同学还应该测出的物理量为________(填所测物理量及符号)，根据所测物理量及图线信息，可知物块与木板之间的动摩擦因数表达式为μ＝________.

答案　(1)A与B　

(2)光电门A、B之间的距离x　

解析　(1)当C的示数保持稳定后，B处于平衡状态，弹簧测力计的读数F与B所受的滑动摩擦力Ff大小相等，B对木板A的压力大小等于B的重力mg，

由Ff＝μFN得：

μ＝；

(2)物块由静止开始做匀加速运动，根据匀变速直线运动位移公式得：x＝at2，

解得：a＝，

对于物块，根据牛顿第二定律得：F－μmg＝ma，

则F＝μmg＋ma＝μmg＋，

F－图线的斜率为k＝2mx，

纵轴的截距为b＝μmg，k与摩擦力是否存在无关，

物块与木板间的动摩擦因数μ＝＝＝，

故该同学还应该测出的物理量是光电门A、B之间的距离x.

4.(2020·广西桂林市第一次联合调研)如图4所示为用光电门测定钢球下落时受到的阻力的实验装置．直径为d、质量为m的钢球自由下落的过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB.用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度．测出两光电门间的距离为h，当地的重力加速度为g.设钢球所受的空气阻力大小不变．

图4

 (1)钢球下落的加速度大小a＝________， 钢球受到的空气阻力Ff＝________.

(2)本题“用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度”，但从严格意义上讲是不准确的，实际上钢球通过光电门的平均速度________(选填“>”或“<”)钢球球心通过光电门的瞬时速度．

答案　(1)　mg－　(2)<

解析　(1)钢球通过光电门A、B时的瞬时速度分别为vA＝、vB＝

由v－v＝2ah

解得加速度a＝

由牛顿第二定律得mg－Ff＝ma

解得Ff＝mg－

(2)由匀变速直线运动的规律，钢球通过光电门的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，而球心通过光电门的中间位移的速度大于中间时刻的瞬时速度．

5．(2020·山东三校在线联考)某同学在研究性学习中用如图5甲所示的装置测量弹簧压缩到某程度时的弹性势能，探究步骤如下：

图5

①用游标卡尺测量出小车上遮光条的宽度d；

②用装有砝码的小车把弹簧的右端压缩到某一位置P，并记下这一位置，同时测量出小车到光电门的距离为x；

③释放小车，测出小车上的遮光条通过光电门所用的时间t，则此时小车的速度v＝________，并记录小车及车内砝码的总质量m；

④增减小车内的砝码，________________________________________________________，重复③的操作，得出一系列小车的质量m与它通过光电门时的速度v；

⑤根据上述测得的数值算出对应的，并作出v2－图象如图乙所示．

(1)将实验步骤补充完整；

(2)由于小车与水平桌面之间存在摩擦，导致图象没过原点，这对于弹性势能的求解________(填“有”或“无”)影响；

(3)由图象可知弹簧被压缩到位置P时具有的弹性势能为________．

答案　(1)③　④仍用小车压缩弹簧使其右端到位置P　(2)无　(3)

解析　(1)③小车通过光电门的瞬时速度可以由通过光电门时的平均速度表示，

则有v＝；

④增减小车内的砝码，仍用小车把弹簧的右端压缩到位置P，重复③的操作；

(2)对小车运动过程，由动能定理可知

W－μmgx＝mv2

解得v2＝2W－2μgx

由于小车与水平桌面之间存在摩擦，导致图象没过原点，但这对于弹性势能的求解无影响；

(3)由v2＝2W－2μgx和题图乙可知，

图象的斜率k＝2W＝

那么弹簧被压缩到位置P时具有的弹性势能为Ep＝＝.

6．(2020·河南省六市4月联考)某实验小组用如图6甲所示的装置通过研究小车的匀变速运动求小车的质量．小车上前后各固定一个挡光条(质量不计)，两挡光条间的距离为L，挡光条宽度为d，小车释放时左端挡光条到光电门的距离为x，挂上质量为m的钩码后，释放小车，测得两遮光条的挡光时间分别为t1、t2.

图6

(1)用游标卡尺测量挡光条的宽度，示数如图乙所示，则挡光条的宽度为d＝________cm；

(2)本实验进行前需要平衡摩擦力，正确的做法是____________________________________

_____________________________________________________________；

(3)正确平衡摩擦力后，实验小组进行实验．不断改变左端挡光条到光电门的距离x，记录两遮光条的挡光时间t1、t2，作出－图象如图丙所示，图线的纵截距为k，小车加速度为________；小车的质量为________(用题中的字母表示)．

答案　(1)0.650　(2)去掉钩码，将木板右端垫高，轻推小车，使两挡光片挡光时间相等　(3)　m

解析　(1)挡光条的宽度为d＝0.6 cm＋0.05 mm×10＝0.650 cm.

(2)本实验进行前需要平衡摩擦力，正确的做法是去掉钩码，将木板右端垫高，轻推小车，使两挡光片挡光时间相等；

(3)两遮光片经过光电门时的速度分别为v1＝，v2＝，则由v＝v＋2aL

可得2＝2＋2aL

即2＝2＋

由题意可知＝k，解得a＝

由牛顿第二定律可得mg＝(M＋m)a

解得M＝m.