2023高考物理二輪專題復習與測試專題強化練十八力學實驗與創(chuàng)新

專題強化練(十八)力學實驗與創(chuàng)新1．某實驗小組利用如圖(a)所示裝置驗證小鐵球在豎直平面內(nèi)擺動過程中機械能守恒，將力傳感器固定，不可伸長的輕繩一端系住小球，另一端連接力傳感器，若某次實驗記錄輕繩拉力大小隨時間的變化如圖(b)所示，其中Fm是實驗中測得的最大拉力值．(1)現(xiàn)用游標卡尺測得小球直徑如圖(c)所示，則小球的直徑為__________cm；(2)小球由A點靜止釋放到第一次回到A點的時間為__________(用含有T0的符號表示)；(3)若測得小球質(zhì)量為m，直徑為D，輕繩長為l，小球釋放的位置A到最低點的高度差為h，重力加速度為g，小球由靜止釋放到第一次運動到最低點的過程中，驗證該過程小球機械能守恒的表達式為__________(用題中給定的字母表示)．解析：(1)圖(c)所示游標卡尺分度值為0.05mm，根據(jù)游標卡尺讀數(shù)規(guī)則讀數(shù)為12mm＋4×0.05mm＝12.20mm＝1.220cm.(2)小球由A點靜止釋放到第一次回到A點的時間為一個周期，即2T0.(3)小球由靜止釋放到第一次運動到最低點的過程中，由功能關系ΔEp＝mgh，小球在最低點時，由牛頓第二定律得F0－mg＝meq\f(v2,l＋\f(D,2))，ΔEk＝eq\f(1,2)mv2－0，驗證該過程小球機械能守恒的表達式為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))2．某實驗小組自制了如圖甲所示的裝置，探究物體間相對速度對摩擦因數(shù)的影響，彈簧秤連接著木塊，用同步電動機勻速拖動木塊前進．(1)在保持粗糙程度等其他因素不變的前提下，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以不同速度拉動木塊，待彈簧秤示數(shù)穩(wěn)定時，觀察并記錄示數(shù)．實驗小組做了5次實驗，得到了表中5組數(shù)據(jù)，其中在第3次實驗時，彈簧秤的示數(shù)如圖乙所示，請你讀出彈簧秤的示數(shù)并填入相應的位置．次數(shù)調(diào)節(jié)器輸出頻率(Hz)測力計的讀數(shù)(N)1101.952202.02340______________4502.045601.83(2)對表格中調(diào)節(jié)器輸出頻率和測力計讀數(shù)進行分析可知，物體間動摩擦因數(shù)與其相對速度大小________(選填“無關”或“有關”)．(3)考慮到繩圈半徑的變化、繩子收縮速度會隨著繞線輪轉(zhuǎn)動而逐漸________(選填“變大”或“變小”)，這可能導致彈簧秤讀數(shù)稍微________(選填“大于”或“小于”)木塊所受滑動摩擦力．解析：(1)由圖可讀出示數(shù)為1.90N．(2)通過表格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的增加，摩擦力幾乎不變或變化微小且沒有規(guī)律，故物體間動摩擦因數(shù)與其相對速度大小無關．(3)繩圈半徑會一直增大，根據(jù)v＝ωr，則繩子收縮速度會增大．繩子收縮速度會增大，由此說明物體在做加速運動，加速度大于零，根據(jù)牛頓第二定律F－μmg＝ma，彈簧秤讀數(shù)會大于物體受到的摩擦力．答案：(1)1.90(2)無關(3)變大大于3．某學習小組開展“探究兩個互成角度的共點力與合力的關系”的實驗．(1)在一張白紙上，將橡皮條一端固定，用兩根量程均為5.00N的彈簧秤將橡皮條與兩細繩的結點拉到某一位置，標記為O點、再在緊靠每條細繩處標記A、B兩點，并把彈簧秤的讀數(shù)記錄在白紙上，如圖所示；(2)只留下一根彈簧秤，將結點重新拉至O點，這樣做的目的是_______________________，緊靠細繩處標記C點，并將彈簧秤的讀數(shù)記錄在同一張白紙上，如圖所示．(3)在白紙上取1cm長度表示1.00N，請用刻度尺畫好圖中三個力的圖示，再把兩個共點力與合力連接起來．(4)由圖得到的結論是：____________________．解析：(2)只留下一根彈簧秤，將結點重新拉至O點，使一根彈簧秤的作用效果和兩根彈簧秤的效果相同，這樣做的目的是等效替代．(3)如圖(4)由于對角線得到合力的理論值與實驗值基本吻合，在誤差范圍內(nèi)，兩個互成角度的共點力與合力遵循平行四邊形定則．答案：(2)等效替代(3)圖見解析(4)在誤差范圍內(nèi)，兩個互成角度的共點力與合力遵循平行四邊形定則4．(1)如圖甲為某同學利用氣墊導軌“測當?shù)刂亓铀俣萭”的實驗裝置．①主要實驗步驟如下：A．將氣墊導軌放在水平桌面上，將導軌調(diào)至水平；B．利用螺旋測微器測出遮光條的寬度，如圖乙所示，該遮光條寬度d＝________mm；C．用天平稱出鉤碼的質(zhì)量m、滑塊(含傳感器和遮光條)的總質(zhì)量M；D．將滑塊移至圖示位置，測出遮光條到光電門的距離s；E．打開氣源，釋放滑塊，讀出遮光條通過光電門的擋光時間t.②在滑塊從靜止釋放到遮光條運動到光電門的過程中，系統(tǒng)動能增加量的測量值為ΔEk＝________；③通過改變s重復實驗得到多組數(shù)據(jù)，作出了eq\f(1,t2)-s圖像，測得圖像斜率為k，則當?shù)刂亓铀俣萭＝________；(2)另一同學仍用該裝置，探究加速度與力和質(zhì)量的關系．該同學根據(jù)第(1)問的數(shù)據(jù)可得物體運動加速度a＝______(用d、t、s表示)，該同學根據(jù)傳感器的讀數(shù)直接得出了拉力F，則a與F的關系圖像最符合本實驗實際情況的是________．ABCD解析：(1)螺旋測微器固定刻度讀數(shù)是1mm，可動刻度讀數(shù)是20.0×0.01mm＝0.200mm，故結果為1.200mm；系統(tǒng)動能增加量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，由機械能守恒可得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，則eq\f(2mg,（M＋m）d2)＝k，得g＝eq\f(（M＋m）kd2,2m).(2)根據(jù)a＝eq\f(v2－veq\o\al(2,0),2s)，將v＝eq\f(d,t)，v0＝0代入可得a＝eq\f(d2,2st2)，傳感器的讀數(shù)直接得出了拉力F，滑塊在氣墊導軌上運動不受摩擦力作用，F(xiàn)就是滑塊所受的合外力，沒有系統(tǒng)誤差，所以圖像應該是一條通過原點的傾斜的直線，選A.答案：(1)1.200eq\f(1,2)(M＋m)(eq\f(d,t))2eq\f(（M＋m）kd2,2m)(2)eq\f(d2,2st2)A5．如圖所示，某同學利用圖示裝置做“探究加速度與物體所受合力的關系”的實驗．在氣墊導軌上安裝了兩個光電門1、2，滑塊上固定一遮光條，滑塊通過繞過兩個滑輪的細繩與彈簧秤相連，C為彈簧秤，實驗時改變鉤碼的質(zhì)量，讀出彈簧秤的不同示數(shù)F，不計細繩與滑輪之間的摩擦力．(1)實驗中__________(填“一定要”或“不必要”)保證鉤碼的質(zhì)量遠小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量；實驗中__________(填“一定要”或“不必要”)用天平測出所掛鉤碼的質(zhì)量；(2)某同學實驗時，未掛細繩和鉤碼接通氣源，推一下滑塊使其從軌道右端向左運動，發(fā)現(xiàn)遮光條通過光電門2的時間大于通過光電門1的時間，該同學疏忽大意，未采取措施調(diào)節(jié)導軌，繼續(xù)進行其他實驗步驟(其他實驗步驟沒有失誤)，則該同學作出的滑塊(含遮光條)加速度a與彈簧秤拉力F的圖像可能是__________(填圖像下方的字母)．ABC(3)若該同學作出的a-F圖像中圖線的斜率為k，則滑塊(含遮光條)的質(zhì)量為__________．解析：(1)此實驗滑塊受到的拉力可以用彈簧秤測出，故不需要滿足鉤碼的質(zhì)量遠小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量，也不需要用天平測出所掛鉤碼的質(zhì)量．(2)遮光條通過光電門2的時間大于通過光電門1的時間，說明滑塊做減速運動，導軌的左端偏高，則加外力時，需到達一定的值才能使滑塊加速運動，則作出的滑塊(含遮光條)加速度a與彈簧秤拉力F的圖像可能是C.(3)根據(jù)a＝eq\f(F,M)，則eq\f(1,M)＝k，解得M＝eq\f(1,k).答案：(1)不必要不必要(2)C(3)eq\f(1,k)6．(2022·湖北卷)某同學設計了一個用拉力傳感器驗證機械能守恒定律的實驗．一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲所示．拉起小鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內(nèi)擺動，記錄鋼球擺動過程中拉力傳感器示數(shù)的最大值Tmax和最小值Tmin.改變小鋼球的初始釋放位置，重復上述過程．根據(jù)測量數(shù)據(jù)在直角坐標系中繪制的Tmax-Tmin圖像是一條直線，如圖乙所示．(1)若小鋼球擺動過程中機械能守恒．則圖乙中直線斜率的理論值為______．(2)由圖乙得：直線的斜率為________，小鋼球的重力為________N．(結果均保留2位有效數(shù)字)(3)該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是________(單選，填正確答案標號)．A．小鋼球擺動角度偏大B．小鋼球初始釋放位置不同C．小鋼球擺動過程中有空氣阻力解析：(1)設初始位置時，細線與豎直方向夾角為θ，則細線拉力最小值為Tmin＝mgcosθ，到最低點時細線拉力最大，則mgl(1－cosθ)＝eq\f(1,2)mv2，Tmax－m