知識點七 力學(xué)實驗-2022年高考物理分類題庫

專題七力學(xué)實驗1.(2022·廣東選擇考)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)致的機械能損失,設(shè)計了如圖(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(b)所示,小球直徑d=mm。

(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t1和t2。

(4)計算小球通過光電門的速度,已知小球的質(zhì)量為m,可得小球與橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失ΔE=(用字母m、d、t1和t2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。

【解析】(2)依題意,小球的直徑為d=7.5mm+38.4×0.01mm=7.884mm,考慮到偶然誤差,7.883~7.885mm均可。(3)在測量時,因小球下落時間很短,如果先釋放小球,有可能會出現(xiàn)時間記錄不完整,所以應(yīng)先接通數(shù)字計時器,再釋放小球,故選B。(4)依題意,小球向下、向上先后通過光電門時的速度分別為v1、v2,則有v1=dt1,v2=dt2,則小球與橡膠材料碰撞過程中機械能的損失量為ΔE=12mv12-12mv22=12m((5)若調(diào)高光電門的高度,較調(diào)整之前小球會經(jīng)歷較大的空中距離,所以將會增大因空氣阻力引起的測量誤差。答案:(2)7.884(7.883~7.885均可)(3)B(4)12m(dt1)2-12m(dt2)2.(2022·河北選擇考)某實驗小組利用鐵架臺、彈簧、鉤碼、打點計時器、刻度尺等器材驗證系統(tǒng)機械能守恒定律,實驗裝置如圖1所示。彈簧的勁度系數(shù)為k,原長為L0,鉤碼的質(zhì)量為m。已知彈簧的彈性勢能表達(dá)式為E=12kx2,其中k為彈簧的勁度系數(shù),x為彈簧的形變量,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間(1)在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置,測得此時彈簧的長度為L。接通打點計時器電源。從靜止釋放鉤碼,彈簧收縮,得到了一條點跡清晰的紙帶。鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖2所示,紙帶上相鄰兩點之間的時間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi),認(rèn)為釋放鉤碼的同時打出A點)。從打出A點到打出F點時間內(nèi),彈簧的彈性勢能減少量為,鉤碼的動能增加量為,鉤碼的重力勢能增加量為。

(2)利用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關(guān)系,如圖3所示。由圖3可知,隨著h增加,兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大,主要原因是

。

【解析】(1)從打出A點到打出F點的時間內(nèi),彈簧的彈性勢能減少量為ΔEp彈=12k(L-L0)2-12k(L-L0-h5整理有ΔEp彈=k(L-L0)h5-12k打F點時鉤碼的速度為vF=h由于在誤差允許的范圍內(nèi),認(rèn)為釋放鉤碼的同時打出A點,則鉤碼動能的增加量為ΔEk=12mvF鉤碼的重力勢能增加量為DEp重=mgh5(2)鉤碼機械能的增加量,即鉤碼動能和重力勢能增加量的總和,若無阻力做功則彈簧彈性勢能的減少量等于鉤碼機械能的增加量?，F(xiàn)在隨著h增加,兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大,而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功,則產(chǎn)生這個問題的主要原因是鉤碼和紙帶運動的速度逐漸增大,導(dǎo)致空氣阻力逐漸增大,以至于空氣阻力做的功也逐漸增大。答案:(1)k(L-L0)h5-12kh52m(h6-3.(2022·湖北選擇考)某同學(xué)設(shè)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(fù)上述過程。根據(jù)測量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)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(jié)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(biāo)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(shè)初始位置時,輕繩與豎直方向夾角為θ,則輕繩拉力最小值為Tmin=mgcosθ,到最低點時輕繩拉力最大,則mgl(1-cosθ)=12mv2,Tmax-mg=mv2l,聯(lián)立可得Tmax=3mg-2Tmin,即若小鋼球擺動過程中機械能守恒,(2)由圖乙得直線的斜率為k=-1.77-1.350.2=-2.1,3mg=1.77N,則小鋼球的重力為(3)該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是小鋼球擺動過程中有空氣阻力,使得機械能減小,故選C。答案:(1)-2(2)-2.10.59(3)C4.(2022·山東等級考)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。

【解析】(1)由題意知,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。結(jié)合圖乙的F-t圖有Δx=5.00cm,F=0.610N根據(jù)胡克定律得k=FΔx,計算出k≈12(2)根據(jù)牛頓第二定律有F=ma,則a-F圖像的斜率為滑塊與加速度傳感器的總質(zhì)量的倒數(shù),根據(jù)圖丙中Ⅰ,則有1m=3-00.6kg-1=5kg-1,則滑塊與加速度傳感器的總質(zhì)量為m=(3)滑塊上增加待測物體,同理,根據(jù)圖丙中Ⅱ,則有1m'=1.5-00.5kg-1=3kg-1,則滑塊、待測物體與加速度傳感器的總質(zhì)量為m'=0.33kg,則待測物體的質(zhì)量為Δm=答案:(1)12(2)0.20(3)0.135.(2022·全國乙卷)(5分)用雷達(dá)探測一高速飛行器的位置。從某時刻(t=0)開始的一段時間內(nèi),該飛行器可視為沿直線運動,每隔1s測量一次其位置,坐標(biāo)為x,結(jié)果如表所示,回答下列問題:t/s0123456x/m050710941759250533294233(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)可判斷該飛行器在這段時間內(nèi)近似做勻加速運動,判斷的理由是:

;

(2)當(dāng)x=507m時,該飛行器速度的大小v=m/s;

(3)這段時間內(nèi)該飛行器加速度的大小a=m/s2(保留2位有效數(shù)字)。

【解析】(1)第1s內(nèi)的位移為507m,第2s內(nèi)的位移為587m,第3s內(nèi)的位移為665m,第4s內(nèi)的位移為746m,第5s內(nèi)的位移為824m,第6s內(nèi)的位移為904m,則相鄰1s內(nèi)的位移之差接近80m,可判斷該飛行器在這段時間內(nèi)近似做勻加速運動。(2)當(dāng)x=507m時,飛行器的速度等于0~2s內(nèi)的平均速度,即v=v-=xt=10942m/s=547(3)根據(jù)a=x36-x039T2=4233-2×1759答案:(1)相鄰1s內(nèi)的位移之差接近80m(2)547(3)79【方法技巧】利用紙帶求物體加速度的兩種方法(1)逐差法:即根據(jù)x4-x1=x5-x2=x6-x3=3aT2(T為相鄰兩計數(shù)點之間的時間間隔),求出a1=x4-x13T2,a2=x5-x23T2,a3=x6-x33T2,再算出a1(x4(2)圖像法:以打某計數(shù)點時為計時起點,利用vn=xn+xn+12T求出打各點時的瞬時速度,(2022·浙江6月選考)(1)①“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗裝置如圖甲所示,長木板水平放置,細(xì)繩與長木板平行。圖乙是打出紙帶的一部分,以計數(shù)點O為位移測量起點和計時起點,則打計數(shù)點B時小車位移大小為cm。由圖丙中小車運動的數(shù)據(jù)點,求得加速度為m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。

②利用圖甲裝置“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗,需調(diào)整的是。

A.換成質(zhì)量更小的車B.調(diào)整長木板的傾斜程度C.把鉤碼更換成砝碼盤和砝碼D.改變連接小車的細(xì)繩與長木板的夾角(2)“探究求合力的方法”的實驗裝置如圖丁所示,在該實驗中,①下列說法正確的是;

A.拉著細(xì)繩套的兩只彈簧秤,穩(wěn)定后讀數(shù)應(yīng)相同B.在已記錄結(jié)點位置的情況下,確定一個拉力的方向需要再選擇相距較遠(yuǎn)的兩點C.測量時彈簧秤外殼與木板之間不能存在摩擦D.測量時,橡皮條、細(xì)繩和彈簧秤應(yīng)貼近并平行于木板②若只有一只彈簧秤,為了完成該實驗至少需要(選填“2”“3”或“4”)次把橡皮條結(jié)點拉到O點。

【解析】(1)①依題意,打計數(shù)點B時小車位移大小為6.20cm,考慮到偶然誤差,6.15~6.25cm也可;由圖丙中小車運動的數(shù)據(jù)點,有a=ΔvΔt=1.05-0.300.4m/s2=1.9m/s2,考慮到偶然誤差②利用圖甲裝置“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時,需要滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量,所以不需要換質(zhì)量更小的車,故A錯誤;利用圖甲裝置“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時,需要利用小車重力斜向下的分力以平衡其摩擦阻力,所以需要將長木板安裝打點計時器一端較滑輪一端適當(dāng)高一些,故B正確;以系統(tǒng)為研究對象,依題意“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗時有1.9m/s2≈mg-fM+m,考慮到實際情況,即f?mg,有1.9m/s2≈mgM+m,則可知M≈4m,而利用圖甲裝置“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時要保證所懸掛質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量,即m?M;可知目前實驗條件不滿足,所以利用當(dāng)前裝置在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”時,需將鉤碼更換成砝碼盤和砝碼,以滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所懸掛物體的質(zhì)量,故C正確;實驗過程中(2)①在不超出彈簧秤的量程和橡皮條形變限度的條件下,使拉力適當(dāng)大些,不必使兩只彈簧秤的示數(shù)相同,故A錯誤;在已記錄結(jié)點位置的情況下,確定一個拉力的方向需要再選擇相距較遠(yuǎn)的一個點就可以了,故B錯誤;實驗中拉彈簧秤時,只需讓彈簧與外殼間沒有摩擦,此時彈簧秤的示數(shù)即與彈簧對細(xì)繩的拉力相等,與彈簧秤外殼與木板之間是否存在摩擦無關(guān),故C錯誤;為了減小實驗中摩擦對測量結(jié)果的影響,拉橡皮條時,橡皮條、細(xì)繩和彈簧秤應(yīng)貼近并平行于木板,故D正確。②若只有一只彈簧秤,為了完成該實驗,用手拉住一條細(xì)繩,用彈簧秤拉住另一條細(xì)繩,互成角度地拉橡皮條,使其結(jié)點達(dá)到某一點O,記下位置O和彈簧秤示數(shù)F1和兩個拉力的方向;交換彈簧秤和手所拉細(xì)繩的位置,再次將結(jié)點拉至O點,使兩力的方向與原來兩力方向相同,并記下此時彈簧秤的示數(shù)F2;只有一個彈簧秤將結(jié)點拉至O點,并記下此時彈簧秤的示數(shù)F的大小及方向;所以若只有一只彈簧秤,為了完成該實驗至少需要3次把橡皮條結(jié)點拉到O點。答案:(1)①6.20(6.15~6.25均可)1.9(1.7~2.1均可)②B、C(2)①D②36.(2022·遼寧選擇考)某同學(xué)利用如圖所示的裝置測量重力加速度,其中光柵板上交替排列著等寬度的遮光帶和透光帶(寬度用d表示)。實驗時將光柵板置于光電傳感器上方某高度,令其自由下落穿過光電傳感器。光電傳感器所連接的計算機可連續(xù)記錄遮光帶、透光帶通過光電傳感器的時間間隔Δt。(1)除圖中所用的實驗器材外,該實驗還需要(選填“天平”或“刻度尺”);

(2)該同學(xué)測得遮光帶(透光帶)的寬度為4.50cm,記錄時間間隔的數(shù)據(jù)如表所示,編號1遮光帶2遮光帶3遮光帶…Δt/(10-3s)73.0438.6730.00…根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù),可得編號為3的遮光帶通過光電傳感器的平均速度大小為v3=m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字);

(3)某相鄰遮光帶和透光帶先后通過光電傳感器的時間間隔為Δ