高中物理高考 2020版高考物理大二轮复习专题七第1讲力学实验与创新练习含解析

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(1)为完成实验，还需要的实验器材有：_________________________________．
(2)实验中需要测量的物理量有：________________________________．
(3)为完成该实验，设计实验步骤如下：
A．以弹簧伸长量为横坐标，以弹力为纵坐标，描出各组(x，F)对应的点，并用平滑的曲线连接起来；
B．记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度l0；
C．将铁架台固定于桌子上，并将弹簧的一端系于横梁上，在弹簧附近竖直固定一把刻度尺；
D．依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个……钩码，并分别记下钩码静止时弹簧下端所对应的刻度，并记录在表格内，然后取下钩码；
E．以弹簧伸长量为自变量，写出弹力与伸长量的关系式．首先尝试写成一次函数，如果不行，则考虑二次函数；
F．解释函数表达式中常数的物理意义；
G．整理仪器．
请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来：________________________________________________________________________.
解析：(1)根据实验原理可知还需要刻度尺来测量弹簧原长和伸长量；
(2)根据实验原理，实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度)；
(3)根据完成实验的合理性可知先后顺序为CBDAEFG.
答案：(1)刻度尺 (2)弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度) (3)CBDAEFG
2．在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用打点计时器打下的纸带，如图所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G共7个计数点，图中每相邻两个计数点间还有4个点没有画出，打点计时器接频率f＝50 Hz的交流电源．
(1)打下E点时纸带的速度vE＝________(用给定字母表示)；
(2)若测得d6＝65.00 cm，d3＝19.00 cm，物体的加速度a＝________ m/s2；
(3)如果当时交变电流的频率f>50 Hz，但当时做实验的同学并不知道，那么测得的加速度值和真实值相比________(选填“偏大”或“偏小”)．
解析：(1)由于图中每相邻两个计数点间还有4个点没有画出，所以相邻的计数点之间的时间间隔为5T，利用匀变速直线运动的推论得vE＝eq \f(d5－d3,10T)＝eq \f(（d5－d3）f,10).
(2)根据匀变速直线运动的推论Δx＝aT2 可得a＝eq \f(xDG－xAD,（3×5T）2)＝eq \f(（d6－d3）－d3,（3×0.1 s）2)＝3.00 m/s2.
(3)如果在某次实验中，交流电的频率f>50 Hz，则实际打点周期变小，根据运动学公式Δx＝aT2 得，测量的加速度值和真实的加速度值相比偏小．
答案：(1)eq \f(（d5－d3）f,10) (2)3.00 (3)偏小
3．在用如图所示的装置“验证牛顿第二定律”的实验中，保持小车质量一定时，验证小车加速度a与合力F的关系．
(1)除了电火花计时器、小车、砝码、砝码盘、细线、附有定滑轮的长木板、垫木、导线及开关外，在下列器材中必须使用的有________(选填选项前的字母)．
A．220 V、50 Hz的交流电源
B．电压可调的直流电源
C．刻度尺
D．秒表
E．天平(附砝码)
(2)为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，以下操作正确的是________．
A．调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行
B．在调整长木板的倾斜度平衡摩擦力时，应当将砝码和砝码盘通过细线挂在小车上
C．在调整长木板的倾斜度平衡摩擦力时，应当将穿过打点计时器的纸带连在小车上
(3)某同学得到了如图所示的一条纸带，由此得到小车加速度的大小a＝________ m/s2.
(4)在本实验中认为细线的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力mg，由此造成的误差是________(选填“系统误差”或“偶然误差”)．设拉力的真实值为F真，小车的质量为M，为了使eq \f(mg－F真,F真)<5%，应当满足的条件是eq \f(m,M)<________．
解析：(1)打点计时器接交流电源，处理纸带时要用刻度尺测出计数点间的距离，还要用到天平测砝码和砝码盘的质量，故选A、C、E.
(2)在平衡摩擦力时，不能挂盘；要保证细线和纸带与木板平行，先接通电源，再释放小车，若纸带做匀速直线运动，则纸带上的点间距是均匀的，即说明平衡了摩擦力，故选A、C.
(3)由图知AC＝6.40 cm，CE＝8.80 cm，CE－AC＝a(2T)2，得a＝eq \f(CE－AC,4T2)＝15 m/s2.
(4)小车在做匀加速直线运动时，砝码和砝码盘也在做匀加速直线运动，细线的拉力F一定小于砝码和砝码盘的总重力mg，此误差不可避免，为系统误差；小车与砝码和砝码盘都在做加速度为a的匀加速直线运动，对砝码和砝码盘有mg—F真＝ma，对小车有F真＝Ma，代入eq \f(mg－F真,F真)<5%，得eq \f(m,M)<5%.
答案：(1)ACE (2)AC (3)15 (4)系统误差 5%
4．某同学用如图甲所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”．弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M，弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置．分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向．
(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图乙中的示数为________N.
(2)下列实验要求中不必要的是________．(填写选项前对应的字母，下同)
A．细线应尽可能长一些
B．应测量重物M所受的重力
C．细线AO与BO之间的夹角应尽可能大于90°
D．改变拉力的大小与方向，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置
(3)图丙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示，下列说法正确的是________．
A．图中的F是力F1 和F2 合力的理论值
B．图中的F′是力F1 和F2 合力的理论值
C．F是力F1 和F2 合力的实际测量值
D．本实验将细绳都换成橡皮条，同样能达到实验目的
(4)本实验采用的科学方法是________．
A．理想实验法 B．等效替代法
C．控制变量法D．建立物理模型法
解析：(1)弹簧测力计每1 N被分成10格，每一小格为0.1 N，则弹簧测力计的读数为3.80 N；
(2)细线应尽可能长一些，能更加准确的记录力的方向；实验通过作出弹簧的弹力和重物的重力这三个力的图示，来验证“力的平行四边形定则”，因此重物的重力必须要知道；细线AO与BO之间的夹角适当大一点，不一定必须大于90°；只要验证两弹簧测力计拉力的合力大小等于重物的重力，方向竖直向上即可，每次只需保证O点保持静止即可，没必要每次都使O点静止在同一位置；
(3)在本实验中，按照平行四边形定则作出的合力F′是力F1 和F2 合力的理论值，而用一个弹簧测力计拉出的力F是F1 和F2 合力的实际测量值，本实验将细绳都换成橡皮条，同样能达到实验目的；
(4)本实验采用的科学方法是等效替代法．
答案：(1)3.80(3.79～3.81) (2)CD (3)BCD (4)B
5．(2019·湖州模拟)某同学利用图甲探究力对物体做的功与物体速度的关系，得到了如下表的数据：
(注：每条橡皮筋拉长的长度都一样)
(1)设一条橡皮筋拉长到固定长度所做的功为W0，在图乙中大致画出橡皮筋所做的功W与小车速度v关系的图象．
(2)由图象大致可判断出W与v的关系可能是________．
解析：(1)根据表中数据可知，橡皮筋做的功与小车获得的速度有关，并且做功越多，小车获得的速度越大．据描点法可知，W与v的图线为抛物线，如图所示．
(2)由图象大致可判断出W与v的关系可能是W∝v2.
答案：(1)见解析图 (2)W∝v2
6．利用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验．
(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________．
A．动能变化量与势能变化量
B．速度变化量与势能变化量
C．速度变化量与高度变化量
(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________．
A．交流电源
B．刻度尺
C．天平(含砝码)
(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带．在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.
已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝____________，动能变化量ΔEk＝________．
(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________．
A．利用公式v＝gt计算重物速度
B．利用公式v＝eq \r(2gh)计算重物速度
C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响
D．没有采用多次实验取平均值的方法
(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2－h图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确．
解析：(1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差范围内是否相等，A项正确．
(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故要选A，需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，选B，根据mgh＝eq \f(1,2)mv2－0可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不需用C.
(3)重物的重力势能变化量为ΔEp＝－mghB，
动能的变化量ΔEk＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,B)＝eq \f(1,2)meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(hC－hA,2T)))eq \s\up12(2).
(4)重物重力势能的减少量略大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力的影响，C正确．
(5)该同学的判断不正确，在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据mgh－fh＝eq \f(1,2)mv2－0，则v2＝2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g－\f(f,m)))h可知，v2－h图象就是过原点的一条直线．要想通过v2－h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g.
答案：(1)A (2)AB (3)－mghB eq \f(1,2)meq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(hC－hA,2T)))eq \s\up12(2) (4)C (5)不正确，理由见解析
7．(2019·南宁模拟)如图所示为“验证碰撞中的动量守恒”实验装置示意图．
实验步骤为：
A．在地面上依次铺白纸和复写纸．
B．确定重锤对应点O.
C．不放球2，让球1从斜槽滑下，确定它落地点位置P.
D．把球2放在立柱上，让球1从斜槽滑下，与球2正碰后，确定球1和球2落地点位置M和N.
E．用刻度尺测量OM、OP、ON的长度．
F．看m1eq \x\t(OM)＋m2eq \x\t(ON)与m1eq \x\t(OP)是否相等，以验证动量守恒．
上述步骤有几步不完善或有错误，请指出并写出相应的正确步骤．
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解析：为使小球离开轨道时的初速度相等，每次释放小球时应从同一高度由静止释放，故步骤D不完善；两球离开轨道后做平抛运动，它们抛出点的高度相等，在空中的运动时间t相等，若碰撞过程动量守恒，则有m1v1＝m1v′1＋m2v′2，两边同乘以t得m1v1t＝m1v′1t＋m2v′2t，即为m1eq \x\t(OP)＝m1eq \x\t(OM)＋m2(eq \x\t(ON)－d)，故步骤F错误．
答案：D不完善，小球1应从斜槽的同一高度由静止释放；
F错误，应验证m1eq \x\t(OP)＝m1eq \x\t(OM)＋m2(eq \x\t(ON)－d)
8．某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速直线运动．他设计的装置如图甲所示．在小车A后连着纸带，电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz，长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力．
(1)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(已标在图上)．A为运动的起点，则应选________段来计算A碰前的速度．应选________段来计算A和B碰后的共同速度(以上两空选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)．
(2)已测得小车A的质量m1＝0.4 kg，小车B的质量为m2＝0.2 kg，则碰前两小车的总动量为________kg·m/s，碰后两小车的总动量为________kg·m/s.
解析：(1)从纸带上打点的情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大速度，因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况，应选用BC段计算小
车A碰前的速度．从CD段打点的情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段内小车运动稳定，故应选用DE段计算A和B碰后的共同速度．
(2)小车A的碰撞前的速度v0＝eq \f(BC,5T)＝eq \f(10.50×10－2,5×0.02) m/s＝1.050 m/s，
小车A在碰撞前的动量p0＝m1v0＝0.4×1.050 kg·m/s＝0.420 kg·m/s.
碰撞后A、B的共同速度v＝eq \f(DE,5T)＝eq \f(6.95×10－2,5×0.02) m/s＝0.695 m/s，
碰撞后A、B的总动量p＝(m1＋m2)v＝(0.2＋0.4)×0.695 kg·m/s＝0.417 kg·m/s.
答案：(1)BC DE (2)0.420 0.417
实验次数
1
2
3
4
5
橡皮筋条数
1
3
4
5
7
小车速度v/(m·s－1)
0.71
1.23
1.42
1.58
1.87