高考物理必備專題18之09 力學(xué)實驗的新情景問題（原卷版）

專題09力學(xué)實驗近幾年高考力學(xué)實驗注重考查考生的科學(xué)探究能力，注重考查知識的形成過程。探究型實驗要求學(xué)生將自己掌握的物理知識和實驗技能創(chuàng)造性地應(yīng)用到新的實驗情境中，由題給條件自行選定實驗原理，確定實驗方案，選擇合適的器材去研究物理現(xiàn)象，通過實驗得到的數(shù)據(jù)信息分析各物理量中的內(nèi)在聯(lián)系，找出其中所包含的物理規(guī)律。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，可以發(fā)現(xiàn)，茶杯掉在瓷磚的地板上，碎了；茶杯掉在鋪著地毯的地面，沒有摔壞。乒乓球與乒乓球臺碰撞后彈起的高度與什么有關(guān)？這些實際問題都可以成為我們探究的對象，也可以成為高考實驗命題的素材。我國航天員已經(jīng)開展了三次太空授課，使千萬中學(xué)生受益，極大激發(fā)了青少年的科技熱情。2022年6月5日10時44分，神舟十四號飛船搭載航天員陳冬、劉洋和蔡旭哲，成功發(fā)射，并與空間站核心艙順利對接。神舟十四號飛行乘組將首次利用位于問天實驗艙的氣閘艙實施兩到三次出艙活動，并將繼續(xù)開展天宮課堂。航天員太空授課時，為青少年展示了一系列科學(xué)實驗，可能成為高考命題素材。在我們的日常生活中，我們騎電動車關(guān)閉動力后，還能滑行多遠(yuǎn)？若我們在電動車上撐一遮陽傘，關(guān)閉動力后，還能滑行多遠(yuǎn)？我們需要測量哪些物理量進(jìn)行探究？通過探究你能夠得出什么結(jié)論？同一電動車撐遮陽傘和不撐遮陽傘的最大速度相同嗎？為什么？可以再現(xiàn)天宮課堂實驗，或給出簡化模型。例如可以根據(jù)航天員的水油分離實驗，探究與向心力相關(guān)的因素?？梢岳弥袑W(xué)常用器材做與天宮課堂上類似實驗。例如利用氣墊導(dǎo)軌等器材測量物體質(zhì)量等。1.（2022·.屆湖南新高考教學(xué)教研聯(lián)盟高三第一次聯(lián)考，6分）（實驗原理的創(chuàng)新）大家知道，質(zhì)量可以用天平來測量。但是在太空，物體完全失重，用天平無法測量質(zhì)量，那么應(yīng)該如何測量呢？北京時間2013年6月20日上午10時，我國航天員在天宮一號空間實驗室進(jìn)行了太空授課，演示了包括質(zhì)量測量在內(nèi)的一系列實驗。質(zhì)量的測量是通過艙壁上打開的一個支架形狀的質(zhì)量測儀完成的。由牛頓第二定律F=ma可知，如果給物休施加一個已知的力，并測得物體在這個力作用下的加速度，就可以求出物體的質(zhì)量。這就是動力學(xué)測量質(zhì)量的方法。（1）如圖，假如航天員在A、B兩物塊中間夾了一個質(zhì)量不計的壓力傳感器，現(xiàn)讓艙壁支架給B物塊一個恒力F，此時壓力傳感器示數(shù)為N1.將A、B對換位置，給A施加相同的恒力F，壓力傳感器示數(shù)為N2.據(jù)此可知A、B兩物塊的質(zhì)量之比mA：mB=___________。（2）在計算機(jī)設(shè)定的恒力F作用下，物體由靜止開始運(yùn)動，用測量裝置能夠測量出支架作用距離x和時間t，從而計算出加速度a=______（用x、t表示）。這樣，我們就能夠計算出A物體的質(zhì)量mA=_______（用F、N1、N2、x、t表示）。.2。（2022·重慶市高三模擬，5分）（實驗原理創(chuàng)新）周吳同學(xué)打算利用平拋運(yùn)動知識研究水龍頭水平噴水的相關(guān)參數(shù)，方法步驟如下：（1）用游標(biāo)卡尺測量噴水口的內(nèi)徑，記為D；（2）打開水龍頭，水從噴水口水平噴出，穩(wěn)定后測得落地點距噴水口水平距離為x，豎直距離為h，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，則水噴出的初速度______（用題中字母表示）；（3）根據(jù)上述測量值，可得空中水的體積V＝________。（用題中字母表示）.3.（2022·河北省邢臺南和區(qū)第一中學(xué)模擬，6分））（y—x）物如圖甲所示，研究平拋運(yùn)動規(guī)律的實驗裝置放置在水平桌面上，利用光電門傳感器和碰撞傳感器可以測得小球的水平初速度和飛行時間，底板上的標(biāo)尺可以測得水平位移。（1）控制斜槽軌道的水平槽口高度不變，讓小球從斜槽的不同高度處滾下，以不同的速度沖出水平槽口，下列說法正確的是___________。A．飛行時間與初速度成正比B．飛行時間與初速度大小無關(guān)C．水平位移與初速度成反比D．水平位移與初速度成正比（2）一位同學(xué)做實驗時，通過描點畫出的小球的平拋運(yùn)動軌跡如圖乙所示，O為拋出點。A、B是軌跡上的兩點，分別測得A點的豎直坐標(biāo)、B點的豎直坐標(biāo)，A、B兩點間的水平距離，取重力加速度大小，則小球從A點運(yùn)動到B點的時間_________，初速度_______。（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）4..（2022·廣東省汕頭二模）小羽同學(xué)嘗試?yán)脭?shù)碼相機(jī)和視頻軟件研究平拋運(yùn)動。在平拋運(yùn)動演示儀表面貼上坐標(biāo)紙，拍攝出小球做平拋運(yùn)動的一段視頻。利用FreeVidcotoJPG軟件將視頻轉(zhuǎn)化為圖片，若視頻幀格式是每秒30幀，即通過軟件每秒可生成30張圖片，在圖片中選出有小球畫面的連續(xù)7張圖片，并依次對齊疊加，得到小球做平拋運(yùn)動時連續(xù)時刻的像，如圖所示。以坐標(biāo)紙的左上角為坐標(biāo)原點，以水平向右為x軸正方向，豎直向下為y軸正方向建立直角坐標(biāo)系，讀取小球水平方向和豎直方向的位置，記錄到表格中。位置xn（m）yn（m）（m）10.0000.000﹣﹣20.0250.0100.01030.0480.0290.01940.0700.0580.02950.0940.0990.04160.1170.1500.05170.1390.2120.062（1）疊加后圖片中小球相鄰兩個像的時間間隔是_______s，小球水平方向的平均速度為_______m/s。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）（2）用逐差法計算小球的加速度，則a＝_______m/s2（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。5.（2022·重慶市巴蜀中學(xué)高考適應(yīng)性測試，5分）（實驗原理創(chuàng)新）用傳感器和計算機(jī)可以方便地描出做平拋運(yùn)動的物體的軌跡，一種設(shè)計原理如圖甲所示。物體A以某一初速度從O點水平拋出，它能夠在豎直平面內(nèi)向各個方向同時發(fā)射超聲波脈沖和紅外線脈沖，在它運(yùn)動的平面內(nèi)安放著超聲-紅外接收裝置B，B盒裝有、兩個超聲-紅外接收器，并與計算機(jī)相連，、各自測出收到超聲脈沖和紅外脈沖的時間差，并由此算出它們各自與物體A的距離。（1）為使運(yùn)動軌跡更接近拋物線，物體A應(yīng)選用下列哪種小球更合理（______）A．小木球B．小鋼球C．小皮球（2）如圖乙所示，某實驗小組讓物體A在圖示位置同時發(fā)射超聲波脈沖和紅外線脈沖，以拋出點O為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，若還測出了O點到B1、B2的距離，重力加速度未知，則由題中條件可以求出__________。A．物體A的初速度B．物體A的位置坐標(biāo)C．物體A的運(yùn)動時間D．物體A此時的速度方向6.（2022·山東省泰安第一中一模）（為探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系，小明按如圖裝置進(jìn)行實驗，物塊放在平臺卡槽內(nèi)，平臺繞軸轉(zhuǎn)動，物塊做勻速圓周運(yùn)動，平臺轉(zhuǎn)速可以控制，光電計時器可以記錄轉(zhuǎn)動快慢。（1）為了探究向心力與角速度的關(guān)系，需要控制_________保持不變，小明由計時器測轉(zhuǎn)動的周期T，計算的表達(dá)式是___________。（2）小明按上述實驗將測算得的結(jié)果用作圖法來處理數(shù)據(jù)，如圖所示縱軸F為力傳感器讀數(shù)，橫軸為，圖線不過坐標(biāo)原點的原因是__________，用電子天平測得物塊質(zhì)量為，直尺測得半徑為，圖線斜率大小為_________（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。．7。（2022山東物理）在天宮課堂中、我國航天員演示了利用牛頓第二定律測量物體質(zhì)量的實驗。受此啟發(fā)。某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌、力傳感器、無線加速度傳感器、輕彈簧和待測物體等器材設(shè)計了測量物體質(zhì)量的實驗，如圖甲所示。主要步驟如下：①將力傳感器固定在氣墊導(dǎo)軌左端支架上，加速度傳感器固定在滑塊上；②接通氣源。放上滑塊。調(diào)平氣墊導(dǎo)軌；③將彈簧左端連接力傳感器，右端連接滑塊。彈簧處于原長時滑塊左端位于O點。A點到O點的距離為5.00cm，拉動滑塊使其左端處于A點，由靜止釋放并開始計時；④計算機(jī)采集獲取數(shù)據(jù)，得到滑塊所受彈力F、加速度a隨時間t變化的圖像，部分圖像如圖乙所示?；卮鹨韵聠栴}（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）：（1）彈簧的勁度系數(shù)為_____N/m。（2）該同學(xué)從圖乙中提取某些時刻F與a的數(shù)據(jù)，畫出a—F圖像如圖丙中I所示，由此可得滑塊與加速度傳感器的總質(zhì)量為________kg。（3）該同學(xué)在滑塊上增加待測物體，重復(fù)上述實驗步驟，在圖丙中畫出新的a—F圖像Ⅱ，則待測物體的質(zhì)量為________kg。8.（2022·高考廣東物理）某實驗小組為測量小球從某一高度釋放，與某種橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機(jī)械能損失，設(shè)計了如圖10（a）所示的裝置，實驗過程如下：（1）讓小球從某一高度由靜止釋放，與水平放置的橡膠材料碰撞后豎直反彈。調(diào)節(jié)光電門位置，使小球從光電門正上方釋放后，在下落和反彈過程中均可通過光電門。（2）用螺旋測微器測量小球的直徑，示數(shù)如圖10（b）所示，小球直徑__________。（3）測量時，應(yīng)__________（選填“A”或“B”，其中A為“先釋放小球，后接通數(shù)字計時器”，B為“先接通數(shù)字計時器，后釋放小球”）。記錄小球第一次和第二次通過光電門的遮光時間和。（4）計算小球通過光電門的速度，己知小球的質(zhì)量為m，可得小球與橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機(jī)械能損失__________（用字母m、d、和表示）。（5）若適當(dāng)調(diào)高光電門的高度，將會__________（選填“增大”或“減小”）因空氣阻力引起的測量誤差。9．（2022湖北宜昌模擬）某乒乓球愛好者，利用手機(jī)研究乒乓球與球臺碰撞過程中能量損失的情況。實驗步驟如下：①固定好手機(jī)，打開錄音功能；②從一定高度由靜止釋放乒乓球；③手機(jī)記錄下乒乓球與臺面碰撞的聲音，其隨時間（單位：s）的變化圖像如圖所示。根據(jù)聲音圖像記錄的碰撞次序及相應(yīng)碰撞時刻，如下表所示。碰撞次序1234567碰撞時刻（s）1.121.582.002.402.783.143.47根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，回答下列問題：（1）利用碰撞時間間隔，計算出第3次碰撞后乒乓球的彈起高度為________m（保留2位有效數(shù)字，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.80m/s2）。（2）設(shè)碰撞后彈起瞬間與該次碰撞前瞬間速度大小的比值為k，則每次碰撞損失的動能為碰撞前動能的______倍（用k表示），第3次碰撞過程中k=________（保留2位有效數(shù)字）。（3）由于存在空氣阻力，第（1）問中計算的彈起高度________（填“高于”或“低于”）實際彈起高度。10.（2022湖南名校聯(lián)考）某研究性實驗小組為探索航天器球形返回艙穿過大氣層時所受空氣阻力(風(fēng)力)的影響因素，進(jìn)行了模擬實驗研究。如圖為測定風(fēng)力的實驗裝置圖。其中CD是一段水平放置的長為L的光滑均勻電阻絲，電阻絲阻值較大;一質(zhì)量和電阻均不計的細(xì)長裸金屬絲一端固定于O點，另一端懸掛小球P，無風(fēng)時細(xì)金屬絲豎直，恰與電阻絲在C點接觸，OC=H;有風(fēng)時細(xì)金屬絲將偏離豎直方向，與電阻絲相交于某一點(如圖中虛線所示，細(xì)金屬絲與電阻絲始終保持良好的導(dǎo)電接觸)。(1)已知電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，理想電壓表兩接線柱分別與O點和C點相連，球P的質(zhì)量為m，重力加速度為g，由此可推得風(fēng)力大小F與電壓表示數(shù)U的關(guān)系為F=_______。(2)研究小組的同學(xué)猜想:風(fēng)力大小F可能與風(fēng)速大小v和球半徑r這兩個因數(shù)有關(guān)，于是他們進(jìn)行了實驗后獲得了如下數(shù)據(jù):(下表中風(fēng)速v的單位為m/s，電壓U的單位為V，球半徑r的單位為m)根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，風(fēng)力大小F與風(fēng)速大小v和球半徑r的關(guān)系是_______(比例系數(shù)用k表示)。11.（2022山東淄博質(zhì)檢）某同學(xué)用頻閃攝影的方式拍攝了把手指上的水滴甩掉的過程，如圖甲，A、B、C是最后三個拍攝時刻指尖的位置。把圖甲簡化為圖乙的模型，在甩手過程中，上臂以肩關(guān)節(jié)01為轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，肘關(guān)節(jié)O2以O(shè)1為圓心做半徑為r1的圓周運(yùn)動，腕關(guān)節(jié)O3以O(shè)2為圓心做半徑為r2的圓周運(yùn)動，到接近B的最后時刻，指尖P以腕關(guān)節(jié)O3為圓心做半徑為r3的圓周運(yùn)動。（1）測得A、B之間的距離為26cm，頻閃照相機(jī)的頻率為25Hz，則指尖在A、B間運(yùn)動的平均速度v為m/s，粗略認(rèn)為這就是甩手動作最后階段指尖作圓周運(yùn)動的線速度。（2）指尖通過B點時的向心加速度大小為a=（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）。（3）用這種方式可以使指尖的水滴產(chǎn)生巨大的向心加速度，其原因是：。12.（2022陜西西安名校聯(lián)考）由于空間站處于完全失重狀態(tài)，不能利用天平等儀器測量質(zhì)量，為此某同學(xué)為空間站設(shè)計了如圖所示（a）的實驗裝置，用來測量小球質(zhì)量。圖中彈簧固定在擋板上，軌道B處裝有光電門，可以測量出小球經(jīng)過光電門的時間。該同學(xué)設(shè)計的主要實驗步驟如下：（?。┯糜螛?biāo)卡尺測量小球的直徑d（ⅱ）將彈簧固定在檔板上（ⅲ）小球與彈簧接觸并壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x（ⅳ）由靜止釋放小球，測量小球離開彈簧后經(jīng)過光電門的時間t，計算出小球離開彈簧的速度v（ⅴ）改變彈簧的壓縮量，重復(fù)步驟（ⅲ）、（ⅳ）多次（ⅵ）分析數(shù)據(jù)，得出小球的質(zhì)量該同學(xué)在地面上進(jìn)行了上述實驗，請回答下列問題（1）步驟（?。┲杏螛?biāo)卡尺示數(shù)情況如圖（b）所示，小球的直徑d=______cm；（2）某一次步驟（ⅲ）中測得彈簧的壓縮量為1cm，對應(yīng)步驟（ⅳ）中測得小球通過光電門的時間為7.50ms，則此次小球離開彈簧的速度v=______m/s；（3）根據(jù)實驗得到的彈簧的形變x與對應(yīng)的小球速度v在圖（c）中描出了對應(yīng)的點，請將（2）問中對應(yīng)的點描出，并畫出v-x圖象。（4）已知實驗所用彈簧的彈性勢能EP與彈簧形變量x2之間的關(guān)系如圖（d）所示，實驗測得小球的質(zhì)量為______kg?！?3.（2022山西大同模擬）在研究球形固體顆粒在水中豎直勻速下沉的速度與哪些因素有關(guān)的實驗中，得到的實驗數(shù)據(jù)記錄在下面的表格中（水的密度為ρ0=1.0×103kg/m3）次序固體顆粒的半徑r/（×10-3）m固體顆粒的密度ρ/（×103kg?m-3）勻速下沉的速度v/（m?s-1）10.502.00.5521