2022届高考物理二轮专练 专题23 力学实验（二）

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专题23  力学实验（二）1．（10分）（2021高考新课程II卷海南卷）为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计）进行实验．此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺．（1）某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是__________；①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；②用天平测量滑块和遮光条的总质量m；③用游标卡尺测量遮光条的宽度d；④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l；⑤调整好气垫导轨的倾斜状态；⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，由静止开始释放，从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间、；⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度、；⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量．（2）用游标卡尺测量遮光条的宽度d时，游标卡尺的示数如图所示，则______；某次实验中，测得，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度_______（保留3位有效数字）；（3）在误差允许范围内，若_______________（用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g），则认为滑块下滑过程中机械能守恒；（4）写出两点产生误差的主要原因：_____________________________________．
【参考答案】.（1）（2）5.00  0.431  （3）（4）滑块下滑受到空气阻力，产生误差，遮光条宽度不够窄，速度测量不准确，产生误差【名师解析】(1)利用倾斜气垫导轨验证机械能守恒定律，不需要测量滑块质量，不需要测量导轨上两光电门之间的距离。（2）根据游标卡尺读数规则，遮光条宽度d=5.00mm。滑块通过光电门1时的速度v1==0.431m/s。（3）滑块通过光电门1时的速度v1=，滑块通过光电门2时的速度v2=，由机械能守恒定律mg（h1-h2）=mv22-mv12，联立解得：h1-h2=。（4）产生误差的主要原因是：滑块下滑受到空气阻力，产生误差，遮光条宽度不够窄，速度测量不准确，产生误差。2. （2021年6月浙江选考物理）在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。
①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是___________。②已知交流电频率为，重物质量为，当地重力加速度，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值___________J、C点的动能___________J（计算结果均保留3位有效数字）。比较与的大小，出现这一结果的原因可能是___________。A.工作电压偏高      B.存在空气阻力和摩擦力      C.接通电源前释放了纸带【参考答案】    (1). 阻力与重力之比更小（或其它合理解释）  
 (2). 0.547    (3). 0.588    (4). C
【名师解析】①[1]在验证机械能守恒实验时阻力越小越好，因此密度大的阻力与重力之比更小②[2]由图中可知OC之间的距离为，因此机械能的减少量为[3]匀变速运动时间中点的速度等于这段时间的平均速度，因此因此动能的增加量为[4]工作电压偏高不会影响实验的误差，存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量。3.(7分)(1) （2021年1月浙江选考）用如图1所示装置进行“探究功与速度变化的关系”实验。装有砝码的盘用绕过滑轮的细线牵引小车，盘和砝码的重力可当作牵引力。小车运动的位移和速度可以由打点纸带测出，以小车为研究对象，改变砝码质量，便可探究牵引力所做的功与小车速度变化的关系。①关于这个实验，下列说法正确的是      (多选)。A.需要补偿小车受到阻力的影响         B.该实验装置可以“验证机能守恒定律”C.需要通过调节定滑轮使细线与长木板平行D.需要满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量②如图2所示是两条纸带，实验时打出的应是第 ▲ 条(填写“1”或“2”)纸带。③根据实验数据，在坐标纸上画出的W-v2图象是一条过原点的直线，据此图象▲(填“能”或“不能”)求出小车的质量。
【参考答案】（1）①ACD ②II  ③能 【名师解析】(1) ①“探究功与速度变化的关系”实验,把盘和砝码的重力可当作牵引力，需要补偿小车受到阻力的影响，需要通过调节定滑轮使细线与长木板平行，需要满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量，选项ACD正确；由于小车运动受到摩擦力作用，所以该实验装置不可以“验证机能守恒定律”，选项B错误。“探究功与速度变化的关系”实验, 实验时打出的纸带应该有较长的点迹均匀部分，所以应是II；由动能定理W=mv2，在坐标纸上画出的W-v2图象斜率k=m，所以据此图象能求出小车的质量m。4. （5分）（2021高考全国乙卷）     某同学利用图（a）所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔0.05s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图（b）所示（图中未包括小球刚离开轨道的图像）。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为5cm。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图（b）中标出。        图（a）                        图（b）完成下列填空：（结果均保留2位有效数字）（1）小球运动到图（b）中位置A时，其速度的水平分量大小为________m/s，竖直分量大小为_________m/s；
（2）根据图（b）中数据可得，当地重力加速度的大小为________m/s²。【参考答案】（1）1.0   2.0    （2）9.7【名师解析】（1）设方格边长为L=0.05m，频闪仪周期为T，由2L=vx·2T，解得速度的水平分量大小为vx =1.0m/s，由vx =，解得竖直分量大小为vx =2.0m/s；（2）由△y=gT2，解得g=9.7m/s2。5．（9分）（2021高考河北物理）某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块（质量为，其上可放钩码）、刻度尺。当地重力加速度为。实验操作步骤如下：①安装器材，调整两个光电门距离为，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量及系统总机械能的减少量，结果如下表所示：0.2000.2500.3000.3500.4000.5870.4900.3920.2940.1950.3930.490 0.6860.785回答下列问题：（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为_______J（保留三位有效数字）；
（2）步骤④中的表格所缺数据为_______；（3）若M为横轴，为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出图像；则物块与模板之间的摩擦因数为____________（保留两位有效数字）【参考答案】（1）0.980 （20.588 （3）绘出图像如图。（4）0.40【名师解析】（1）实验中轻细绳所悬挂四个钩码重力势能的减少量为△Ep=4mgL=4×0.05×9.8×0.5J=0.980J；（2）对滑块和钩码构成的系统，由能量守恒定律，系统减少的机械能△E=△Ep-△Ek=0.980J-0.392J=0.588J，即步骤④中的表格所缺数据为0.588J；（3）根据表格中的数据，绘出图像；（4）根据功能关系，△E=μMgL，图像斜率为k=1.96，即k=μgL，解得μ=0.4.6. （2020海南高考）（1）滑板运动场地有一种常见的圆弧形轨道，其截面如图，某同学用一辆滑板车和手机估测轨道半径R（滑板车的长度远小于轨道半径）。主要实验过程如下：
①用手机查得当地的重力加速度g；②找出轨道的最低点O，把滑板车从O点移开一小段距离至P点，由静止释放，用手机测出它完成n次全振动的时间t，算出滑板车做往复运动的周期________；③将滑板车的运动视为简谐运动，则可将以上测量结果代入公式________（用T﹑g表示）计算出轨道半径。（2）某同学用如图（a）所示的装置测量重力加速度．实验器材：有机玻璃条（白色是透光部分，黑色是宽度均为的挡光片），铁架台，数字计时器（含光电门），刻度尺．主要实验过程如下：①将光电门安装在铁架台上，下方放置承接玻璃条下落的缓冲物；②用刻度尺测量两挡光片间的距离，刻度尺的示数如图（b）所示，读出两挡光片间的距离________cm；③手提玻璃条上端使它静止在________方向上，让光电门的光束从玻璃条下端的透光部分通过；④让玻璃条自由下落，测得两次挡光的时间分别为和；⑤根据以上测量的数据计算出重力加速度________（结果保留三位有效数字）。【参考答案】（1）t/n    （2）15.40   竖直   9.74【名师解析】（1）滑板车做往复运动的周期 t/n 。滑板车的运动与摆长为R的单摆运动等效，根据单摆周期公式T=2π，可得R=。（2）根据刻度尺读数规则，两挡光片间的距离15.40cm；手提玻璃条上端使它静止在竖直方向上，让光电门的光束从玻璃条下端的透光部分通过；让玻璃条自由下落，测得两次挡光的时间分别为和，下部
挡光片通过光电门的速度v1==1m/s，上部挡光片通过光电门的速度v2==2m/s；由v22- v12=2gL解得：g=9.74m/s2。7．（6分）（2020新高考山东卷）2020年5月，我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量，其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度，进而间接测量海拔高度。某同学受此启发就地取材设计了如下实验，测量当地重力加速度的大小。实验步骤如下:（i）如图甲所示，选择合适高度的垫块，使木板的倾角为53°，在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的刻度尺（图中未画出）。（ii）调整手机使其摄像头正对木板表面，开启视频录像功能。将小物块从木板顶端释放，用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况。然后通过录像的回放，选择小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点，得到小物块相对于该点的运动距离L与运动时间t的数据。（iii）该同学选取部分实验数据，画出了-t图像，利用图像数据得到小物块下滑的加速度大小为5.6 m/s2。（iv）再次调节垫块，改变木板的倾角，重复实验。回答以下问题:（1）当木板的倾角为37°时，所绘图像如图乙所示。由图像可得，物块过测量参考点时速度的大小为_____m/s;选取图线上位于坐标纸网格交叉点上的A、B两点，利用A、B两点数据得到小物块下滑加速度的大小为______m/s2。（结果均保留2位有效数字）（2）根据上述数据，进一步分析得到当地的重力加速度大小为_____ m/s2。 （结果保留2位有效数字，sin37°= 0.60，cos37°=0.80 ）
【命题意图】本题考查匀变速直线运动规律和牛顿运动定律及其相关知识点，考查的核心素养是实验探究。【参考答案】（1）0.32或0.33    3.1   (2)9.4【名师解析】(1)物块沿木板下滑，从参考点开始做匀加速直线运动，设物块通过参考点时速度大小为v0，物块加速度为a，由匀变速直线运动规律，L=v0t+at2，变化为与图乙相符的函数关系式：=2v0+ at，对照图乙图线，有：0.64=2v0，解得v0=0.32m/s。——t图象斜率等于加速度a，利用AB两点数据可得a=3.1m/s2。（2）当木板倾角为53°时，a1=5.6m/s2，由牛顿第二定律，mgsin53°-μmgcos53°=ma1，当木板倾角为37°时，a2=3.1m/s2，由牛顿第二定律，mgsin37°-μmgcos37°=ma2，联立解得：当地的重力加速度g=9.4. m/s2。