2023年上海高三物理模拟卷汇编：力学实验

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一、实验题
1．（2023·上海虹口·统考二模）图（a）装置可以研究物体质量一定时，其加速度与合外力的关系。实验时，气垫导轨水平放置，右侧适当位置的上方固定光电门，调整定滑轮的高度，使滑块与滑轮间的细绳水平。
（1）测量前，力传感器________________调零（选填“需要”、“不需要”）。
（2）在右侧吊篮中放入砝码，将滑块由静止释放，力传感器测得细绳中的拉力，光电门测得宽度为的挡光片的挡光时间。保持滑块质量不变，逐渐增加吊篮中砝码的个数，再将滑块由静止释放，测得多组拉力和对应的挡光时间。建立图（b）所示的坐标系，若希望从图像方便而又准确地得出加速度与合外力的关系，则每次滑块________________（选填“必须”、“不必”）从相同位置释放，挡光片宽度________________改变（选填“可以”、“不可以”）。
（3）某同学依据采集的数据绘出图（b）所示的图线，并得出图线的斜率，从轨道标尺上读出滑块释放位置与光电门之间的距离，则滑块与挡光片的总质量________________（用、、表示）。
（4）为了提高实验的准确度，可以采取的措施有__________________________。（不少于2条措施）
【答案】 需要 必须 不可以 选择宽度较小的挡光片，适当增大滑块释放位置与光电门之间的距离x
【详解】（1）[1]测量前，力传感器需要调零。
（2）[2][3]设每次滑块释放位置与光电门的距离为，滑块的质量为，根据牛顿第二定律可得
滑块经过光电门的速度为
根据运动学公式可得
联立可得
为了使图像的斜率保持不变，则每次滑块必须从相同位置释放，挡光片宽度不可以改变。
（3）[4]根据
可知图像的斜率为
解得滑块与挡光片的总质量为
（4）[5]为了提高实验的准确度，可以采取的措施有：选择宽度较小的挡光片，适当增大滑块释放位置与光电门之间的距离。
2．（2023·上海虹口·统考二模）图（a）为“研究共点力的合成”实验装置图，A为固定的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳。根据记录的数据，在图（b）中画出了力的图示，则F与F′中，________________（选填“F”或“F′”）是依据等效性测得的合力。实验中，若将细绳OC换成橡皮筋，则实验结果_________________（选填“发生变化”或“不受影响”）。
【答案】 F 不受影响
【详解】[1]实验测的弹力方向沿绳子方向，即图中的AO方向，由于误差的存在，作图法得到的合力与实验值有一定的差别，即作图得出的合力方向与AO方向有一定的夹角，故F一定沿AO方向，F′是F1和F2的合力的理论值。
[2]在实验中，如果将细绳也换成橡皮筋，不会影响分力的大小与方向，那么实验结果不受影响。
3．（2023·上海长宁·统考二模）“用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图所示。
（1）该实验使用的是___传感器；
（2）由于实验中没有注意始终满足小车质量M>>m（钩码质量）的条件，得到图像可能是图___；
A． B．
C． D．
（3）小王同学想用该装置来验证。他将钩码换成小桶，在小车中放入沙子，将小车中的沙子逐次放入小桶中，但保持小车、小桶及沙子的总质量不变。记录小桶和沙子的总质量为m，小车和沙子的总质量为M，则小车的加速度可表示为a=____（用“m、M、g”表示）。实验中测量不同的m对应的加速度a，此时___要求M>>m（选填“不必”或“仍然”），作出a-___图像（选填“m”、“M”、“M+m”、“”、“”或“”），如果图像是过原点的直线，说明成立。
【答案】 位移 C 不必 m
【详解】（1）[1]该实验使用的是位移传感器；
（2）[2]当M>>m时，可以近似认为拉力等于钩码重力，此时有
解得
所以只有当M>>m时，图像才为过原点的一条直线，当不满足该条件时，绳子拉力明显小于钩码重力，小车此时实际的加速度会小于，故图线会向下弯曲。
故选C。
（3）[3]对小车、小桶和沙子整体为研究对象，根据牛顿第二定律有

解得
[4][5]因为不变，此时作出图像为过原点的直线，说明成立，本实验没有系统误差，不必满足。
4．（2023·上海金山·统考二模）“用DIS研究加速度与质量的关系”的实验装置如图a所示。
（1）本实验______（选填“能”或“不能”）在“天宫课堂”完成。
（2）实验中，通过v-t图像的______测得小车加速度；需保持______不变，改变小车上的配重片数量，多次测量。
（3）某同学测得数据后，以小车加速度的倒数为纵坐标，小车上配重片的质量为横坐标，作出如图b所示图像。若钩码的重力为G，小车的质量为M，重力加速度为g，则直线与横轴交点的横坐标为______，直线的斜率为______。
【答案】 不能 斜率 钩码的重力
【详解】（1）[1]天宫内部处于失重状态，本实验不能在“天宫课堂”完成。
（2）[2]v-t图像的斜率表示加速度，故实验中，通过v-t图像的斜率测得小车加速度。
[3]本实验研究加速度与质量的关系，实验中需保持钩码的重力不变，改变小车上的配重片数量，多次测量。
（3）[4][5]根据牛顿第二定律得
则
则直线与横轴交点的横坐标为；直线的斜率为。
5．（2023·上海青浦·统考二模）在“用DIS研究加速度和力的关系”实验中：某同学采用光电门测量加速度，实验装置如图。将小车放置在轨道上，使挡光片的左端与小车的左端A点对齐，光电门放在B处，测出A到B的距离L和挡光片的宽度d。由静止开始释放小车，光电门自动测出小车上挡光片通过光电门的时间Δt。
（1）根据题中已知物理量，小车的加速度a=__________（用题中字母表示）；
（2）在上述实验中，下列操作步骤中必须做到的是__________
A．要用天平称量小车质量 B．钩码的质量应该远小于小车质量
C．通过增减配重片来改变小车的质量 D．不论轨道光滑与否，轨道一定要保持水平
（3）上述实验用光电门来测量小车运动的瞬时速度，若考虑挡光片的宽度，得到的速度测量值和真实值相比__________
A．偏大 B．偏小
C．一样大 D．都有可能
（4）为了研究研究加速度和力的关系，某同学选择画小车的加速度与钩码质量的关系图线，如图所示。分析发现图线在横轴上有截距，这是因为____________________________。
【答案】 B B 小车与轨道间存在摩擦力
【详解】（1）[1] 小车从A到B有

其中v为B点速度大小，其值为

联立解得
（2）[2] A．本实验采用控制变量法，研究加速度和力的关系时只要保证小车质量不变就行，不需要测量小车质量，A错误。
B．设绳子上的拉力大小为T，小车质量为M，钩码质量为m，在平衡摩擦力的前提下，对小车和钩码有

解得

本实验认为钩码重力大小为绳子拉小车拉力的大小，所以钩码的质量应该远小于小车质量，B正确。
C．本实验采用控制变量法，研究加速度和力的关系时要保证小车质量不变，C错误。
D．轨道光滑的话不需要平衡摩擦力，轨道保持水平，轨道不光滑的话，要使轨道倾斜来平衡摩擦力，D错误。
故选B。
（3）[3]小车做匀加速直线运动，用光电门测出的是挡光过程的平均速度，其等于挡光过程的中间时刻的速度，小于小车实际的末速度。
（4）[4]由图知，当钩码质量大于某值时，小车才有加速度，说明小车与轨道间存在摩擦力，当绳子拉力大于摩擦力时小车才动起来。
6．（2023·上海松江·统考二模）在“研究共点力的合成”实验时，需要两次拉伸橡皮筋，两次都要将橡皮筋的结点拉到相同的________；通过本实验可以验证共点力合成时遵循________定则。
【答案】 位置 平行四边形
【详解】[1][2]在“研究共点力的合成”实验时，根据实验原理可知，需要两次拉伸橡皮筋，两次都要将橡皮筋的结点拉到相同的位置；通过本实验可以验证共点力合成时遵循平行四边形定则。
7．（2023·上海崇明·统考二模）用单摆测重力加速度实验中，
（1）同学甲有如下操作，其中正确的操作是( )
A．测量摆长时把摆线悬挂并拉紧
B．测悬点到摆球顶点的线长作为摆长
C．把摆球从平衡位置拉起至摆角约释放
D．摆球经过最低点时启动秒表计时
E．摆球每经过最低点记录一次作为全振动次数
（2）该同学改进测量方法后，多次测量得到数据见表。除了第1组外，其中一组数据偏差较大，它是第______组，可以删除。根据各组数据求重力加速度，然后求______得到当地的重力加速度，其中第1组数据计算得重力加速度为______m/s2（结果保留3位有效数字）。
（3）同学乙实验时将人工记录振动次数改为自动记录，如图A所示的装置，摆球在垂直纸面的平面内摆动，在摆动最低点的左、右两侧分别放置光敏电阻与某一自动记录仪相连、激光光源，记录仪显示的光敏电阻阻值R随时间t变化的关系如图B所示，则该单摆的振动周期为________。若保持悬点到小球顶点的线长不变，改用直径小些的球进行实验，则该单摆的周期将________（选填“变大”、“不变”或“变小”）。
【答案】 CD/DC 3 平均值 9.68 2t0 变小
【详解】（1）[1] A．测量摆长时需把摆球处于自由下垂状态时测量，A错误；
B．测悬点到摆球中心的线长作为摆长，B错误；
C．单摆作简谐运动要求摆角小于，把摆球从平衡位置拉起至摆角约释放可以，C正确；
D．摆球经过最低点时产生的时间误差小，在该位置启动秒表计时，D正确；
E．从最低点开始计时，摆球每经过最低点记录一次，假设总共记录n次，则全振动次数为
E错误。
故选CD。
（2）[2]由图看出随着摆长的减小，周期减小，第3组和第5组周期相同，说明第3组数据偏差较大。
[3]根据各组数据求重力加速度，然后对所以的重力加速度求平均值，得到当地的重力加速度。
[4]由公式
得第1组数据计算得重力加速度为
（3）[5]单摆在一个周期内经过平衡位置两次，由图知两次时间间隔为，故该单摆的振动周期为。
[6]由周期
改用直径小些的球进行实验，则摆长减小，该单摆的周期将变小。
8．（2023·上海奉贤·统考二模）利用器材：一倾角可以调节的平直轨道、小车、米尺、秒表等，探究加速度与力的关系。实验步骤如下：
①用米尺测量斜面上固定点A1与斜面底端A2之间的距离s。
②让小车自A1点从静止开始下滑到底端A2，记下所用的时间t，则小车的加速度a＝______。
③用米尺测量A1相对于A2的高度h。已知小车所受重力为mg，若无摩擦力的影响，则小车所受的合外力F＝______。
④改变斜面倾角，多次重复上述②③。
⑤以h为纵坐标，______为横坐标，若作出如图所示的图线，推断出加速度与合外力成正比的结论。
（1）在上述步骤中填入适当的公式或文字。
（2）实验中实际存在摩擦阻力的影响，为消除影响，某同学设计如下方案：
①调节斜面倾角，使小车在斜面上匀速下滑。测量此时A1点相对于斜面底端A2的高度h0。
②进行上述步骤中的各项测量。
③计算与作图时用（h－h0）代替h。
对此方案有以下几种评论意见，其中较合理的意见是( )
A．方案正确可行，可以消除摩擦阻力的影响
B．方案理论上可行，但实际操作时无法确定小车是否做匀速运动
C．方案理论上有问题，小车所受摩擦力与斜面倾角有关
【答案】 C
【详解】（1）②[1]小车做初速度为零的匀加速直线运动，由匀变速直线运动规律，得
③[2]小车在斜面上受到竖直向下的重力、垂直接触面的支持力，这两个力在垂直斜面方向的合力为零，所以沿斜面方向的力为mgsinα，而斜面高度为h，根据几何关系有
所以有小车受到的合外力为
⑤[3]若加速度与合外力成正比，则
可得
解得
则以h为纵坐标，为横坐标，若作出如图所示的图线，推断出加速度与合外力成正比的结论。
（2）③[4]当改变斜面的倾角，小车所受摩擦力会发生改变，故选C。
9．（2023·上海普陀·统考二模）“用DIS研究物体加速度与力的关系”的实验装置如图（a）所示。
（1）第一组、第二组同学分别将轨道水平、倾斜放置（A端垫高）进行实验，根据实验数据分别绘制了图线，如图（b）所示。图线①是轨道__________（选填“水平”或“倾斜”）放置实验时获得的图线，其横轴截距的物理含义是____________________；图线②没过原点的原因是_________________________。
（2）两组同学思考后，调整装置，重新实验，获得实验图线③和④，如图（c）所示，图线③和④不重合的原因是_______________________________________________。
（3）实验时小车所受拉力的实际值________（选填“大于”“等于”或“小于”）测量值。
【答案】 水平 水平轨道与小车之间的摩檫力大小 轨道倾角过大（A端垫得过高） 两组同学实验时所用小车（及配件）的总质量不同 小于
【详解】（1）[1][2]由图线①可知，当增大到一定值后，物体才有加速度，可知没有平衡摩擦力，则为轨道水平放置实验时获得的图线，根据牛顿第二定律
可得
当时
可知其横轴截距的物理含义是水平轨道与小车之间的摩檫力大小；
[3]由图线②可知，合外力为零时，小车的加速度不为零，可知为平衡摩擦力过度，即轨道倾角过大（A端垫得过高）；
（2）[4]根据牛顿第二定律
可得
图线③和④斜率不同，可知质量不同，故原因为两组同学实验时所用小车（及配件）的总质量不同；
（3）[5]实验中是以钩码的重力作为物体所受的合外力，设钩码质量为，物体质量为,以整体为研究对象，根据牛顿第二定律有
解得
以物体为研究对象，得绳子的拉力为
可知
即实验时小车所受拉力的实际值小于测量值。
10．（2023·上海黄浦·上海市大同中学统考一模）“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”的实验装置如图（a）。
（1）当重物加速向下运动时，小车所受的拉力的大小______（选填“大于”、“等于”或“小于”）重物所受重力的大小。当重物的质量m______（选填“远大于”、“近似于”或“远小于”）小车的质量M时，小车所受的拉力的大小近似等于重物所受重力的大小。
（2）为了减小误差，改进了实验装置，用力传感器直接测量得到小车受到绳子拉力的大小。通过合理的实验步骤，五组同学得到的 a—F 图像如图（b）。根据 a—F 图像中的数据找到小车受力均为 F= 0.12N 时各组的加速度 a，并将各组加速度a及小车质量M的数据填入下表，则表中 X 处的数值为______。利用表中的数据再做 a—M 图像得到一条曲线，为进一步探究加速度a与物体质量 M的关系时，可在下表中补充______（填物理量符号）数据列，再次建立图像。
（3）在探究小车质量M一定时，加速度a与物体受力F的定量关系时，某组同学得到如图（c）所示的 a—F图像，图像不过坐标原点的最可能原因是______，由图像可得小车的质量为______（用图中h、i表示）。
【答案】 小于 远小于 0.32 （或） 实验中未能消除轨道摩擦的影响（或未平衡轨道的摩擦力或轨道的倾角过小等）
【详解】（1）[1]当重物加速向下运动时，对重物有
可知，当重物加速向下运动时，小车所受的拉力小于重物所受重力的大小；
[2]对小车有
解得
可知，当重物的质量远小于小车的质量时，小车所受的拉力的大小近似等于重物所受重力的大小。
（2）[3]根据表中数据，解得
[4]根据
解得
，
可知，为进一步探究加速度a与物体质量 M的关系时，可在表中补充（或 等）数据列，再次建立图像。
（3）[5]根据图像可知，当细绳拉力较小不为0时，小车的加速度仍然为0，表明实验中未能消除轨道摩擦的影响（或未平衡轨道的摩擦力或轨道的倾角过小等）；
[6]根据上述，对小车进行分析有
解得
结合图像有
解得
11．（2023·上海静安·统考一模）某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图所示的装置，让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹．调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门．
（1）实验时，操作顺序应为______（选填“A”或“B”，其中A为“先点击记录数据，后释放小球”，B为“先释放小球，后点击记录数据”），记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间和．
（2）小球与橡胶材料碰撞损失的机械能转化为______能．已知小球的质量为m、直径为d，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失______（用字母m、d、和表示）．
（3）请分析说明，可以采取什么办法减小实验误差？________________________
【答案】 A 内 选择密度较大，体积较小的小球
【详解】（1）[1]在测量时，因小球下落的时间很短，如果先释放小球，后点击记录数据，有可能处出现记录的数据不完整，所以应先点击记录数据，后释放小球。故选A。
（2）[2][3]小球与橡胶材料碰撞损失的机械能转化为内能；
由题意可得，小球向下、向上先后通过光电门时的速度分别为、，则有
由能量守恒定律得，小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失为
（3）[3]在本实验中，可以通过选择密度较大，体积较小的小球来减小实验误差。
12．（2023·上海浦东新·统考一模）某同学利用DIS验证机械能守恒定律，实验装置如图所示。保持摆锤释放器在P点位置不变，由静止释放摆锤，分别利用传感器（图中未画出）测出摆锤经过A、B、C、D四个位置的挡光时间t。已知摆锤的直径，质量。取D所在水平面为零势能面，A、B、C三点相对于零势能面的高度如图所示，实验获取的数据如下表：
（1）本实验使用的是__________传感器。
（2）表格中“▲”所代表的物理量的值为__________。
（3）实验中该同学发现传感器所测的位置略低于A点，则他经过计算机获得的速度数据与真实值比，__________。（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）
（4）该同学认为，如果分析t与h的关系，也能验证机械能守恒定律。所以该同学将数据进一步处理，作出“”图，图线如图所示。根据图线和相关数据，可以推算出小摆锤的机械能__________J（保留到小数点后第3位）。若该图线的斜率绝对值为k，事后另一个同学再次重复进行实验，并将释放点抬高，并保持不变，测出了新的四组数据重新作图，图线的斜率绝对值为。则k_____（选填“>”、“=”或“