新高考物理二轮复习讲义第1部分 专题7 第16讲 力学实验（含解析）

这是一份新高考物理二轮复习讲义第1部分 专题7 第16讲 力学实验（含解析），共21页。试卷主要包含了命题角度，80 m/s2，操作步骤如下，00 cm、x2＝8，720　1，59＋18，00　0等内容，欢迎下载使用。
命题规律 1.命题角度：(1)探究小车速度随时间变化的规律；(2)探究加速度与物体受力、物体质量的关系；(3)验证机械能守恒定律；(4)验证动量守恒定律；(5)探究弹簧弹力与形变量的关系；(6)探究两个互成角度的力的合成规律；(7)探究平抛运动的特点；(8)探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系；(9)用单摆测量重力加速度的大小.2.常用方法：控制变量法、等效替代法、图像法．
考点一 纸带类和光电门类实验
例1 (2022·山东日照市一模)某实验小组用如图所示的装置验证动量守恒定律．实验开始前在水平放置的气垫导轨左端装一个弹射装置，打开控制开关，滑块可被弹射装置向右弹出．滑块A和滑块B上装有相同宽度的挡光片，在相碰的端面装有轻质弹性架(未画出)．实验开始前，滑块A被弹射装置锁定，滑块B静置于两个光电门之间．
(1)打开控制开关，滑块A被弹出．数字计时器记录下挡光片通过光电门1的时间Δt1，挡光片先后通过光电门2的时间Δt2和Δt3，则滑块A(含挡光片)与滑块B(含挡光片)的质量大小关系是mA________mB(选填“大于”“等于”或“小于”)．
(2)若滑块A和滑块B的碰撞过程中满足动量守恒，则应满足的关系式为______________(用mA、mB、Δt1、Δt2、Δt3表示)．
(3)若滑块A和滑块B的碰撞是弹性碰撞，则eq \f(mA,mB)＝________(用Δt2、Δt3表示)．
答案 (1)大于 (2)eq \f(mA,Δt1)＝eq \f(mA,Δt3)＋eq \f(mB,Δt2) (3)eq \f(Δt3,Δt3－2Δt2)
解析 (1)设滑块A碰撞前瞬间的速度为vA，
碰撞后瞬间A、B的速度分别为vA′、vB，
根据动量守恒定律有mAvA＝mAvA′＋mBvB①
根据能量守恒定律有
eq \f(1,2)mAvA2＝eq \f(1,2)mAvA′2＋eq \f(1,2)mBvB2②
联立解得vA′＝eq \f(mA－mB,mA＋mB)vA③
vB＝eq \f(2mA,mA＋mB)vA④
计算机显示光电门1有一个时间记录，光电门2有两个时间记录，说明A与B碰撞后A未反弹，即vA′与vA的方向相同，可知mA>mB.
(2)设挡光片宽度为d，由题意可得vA＝eq \f(d,Δt1)⑤
vA′＝eq \f(d,Δt3)⑥
vB＝eq \f(d,Δt2)⑦
碰撞过程中满足动量守恒，则应满足的关系式为mAeq \f(d,Δt1)＝mAeq \f(d,Δt3)＋mBeq \f(d,Δt2)⑧
即eq \f(mA,Δt1)＝eq \f(mA,Δt3)＋eq \f(mB,Δt2)⑨
(3)由③④⑥⑦可得eq \f(vA′,vB)＝eq \f(Δt2,Δt3)＝eq \f(mA－mB,2mA)
解得eq \f(mA,mB)＝eq \f(Δt3,Δt3－2Δt2).
例2 (2022·河北张家口市高三期末)某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置验证系统机械能守恒定律，当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，操作步骤如下：
①用天平测量物块a的质量m1和物块b的质量m2；
②把打点计时器、定滑轮固定在铁架台上，用跨过定滑轮的轻质细线连接物块a和物块b；
③把固定在物块a上的纸带穿过打点计时器的限位孔，让物块a靠近打点计时器，先________________，再________________；
④实验过程中打出的一条纸带如图乙所示；
⑤更换物块重复实验．
(1)请把步骤③补充完整；
(2)所用交变电源的频率为50 Hz，测得计数点O、A、B、C、D、E、F相邻两点间的距离分别为x1＝6.00 cm、x2＝8.39 cm、x3＝10.81 cm、x4＝13.20 cm、x5＝15.59 cm、x6＝18.01 cm，相邻两个计数点间还有4个点未画出，打下计数点A时物块a和物块b运动的速度大小vA＝________ m/s，打下计数点E时物块a和物块b运动的速度大小vE＝________ m/s；(结果均保留三位有效数字)
(3)用天平测出物块a和物块b的质量分别为m1、m2(m1”“ ③OM＋eq \f(m2,m1)·ON (2)B
解析 (1)①因小球在斜槽末端的速度与平抛的水平位移成正比，所以斜槽是否光滑不影响实验结果，故A错误；斜槽末端保持水平，是为了保证它们在水平碰撞后做平抛运动，故B正确；小球1每次必须从同一位置由静止释放，尽可能保证每次碰撞情况相同，故C正确．②为确保小球1碰后不弹回，要求m1＞m2.
③小球离开斜槽末端做平抛运动，竖直方向满足y＝eq \f(1,2)gt2，下落高度一定，则运动时间相同；水平方向满足x＝vt，水平位移与平抛初速度成正比，两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，即OP＝OM＋eq \f(m2,m1)·ON.
(2)将OP＝OM＋eq \f(m2,m1)·ON变形得eq \f(m1,m2)＝eq \f(ON,OP－OM)，由于m1＞m2，则eq \f(ON,OP－OM)＞1，图A中比值为负值，故A错误；图B中比值为eq \f(8,3)＞1，故B正确；图C中，比值为eq \f(25,2)＞1，但OP＋OM＜ON，不符合能量守恒定律，故C错误．
4．(2022·广东深圳市一模)在“探究共点力的平衡条件”的实验中，将三个细绳套系于一点，在水平桌面上用三只弹簧测力计互成角度地水平拉细绳套，使结点静止在纸面上O点，如图甲所示．
(1)弹簧测力计1的指针位置如图甲所示，其读数为________ N，弹簧测力计2和3的读数分别为1.30 N和1.25 N.
(2)取0.5 cm代表1 N，请在图乙虚线框内作出三个力的图示，并借助平行四边形定则作图，求出其中两个力的合力．
(3)改变三只弹簧测力计的弹力方向和大小，多次实验．
(4)在误差允许范围内，可归纳出这三个共点力的平衡条件是________．
答案 (1)2.30 (2)见解析图 (4)见解析
解析 (1)由于弹簧测力计的最小刻度是0.1 N，因此弹簧测力计1的示数为2.30 N；
(2)由题，作出力的图示，根据平行四边形定则，可作出任意两个力的合力，以下三个图中任意一个均正确．
(4)其中一个力与另两力的合力等值反向(或“三个共点力的合力等于零”“合力等于零”“合外力等于零”“两个共点力的合力与第三个力大小相等，方向相反，在同一条直线上”“两力的合力与第三力等大反向共线”等)
5．(2022·辽宁葫芦岛市普通高中高三期末)某同学用如图甲所示实验装置“探究弹簧的弹力和伸长量的关系”．直尺和光滑的细杆(未画出)水平固定在铁架台上，一根弹簧穿在细杆上，其左端固定，右端与细绳连接．细绳跨过光滑定滑轮，其下端可以悬挂钩码．实验时先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在绳子的下端，每次测出对应的弹簧总长度L，并将所挂钩码的重力大小作为弹簧的弹力大小F.弹簧伸长均在弹性限度内．
(1)把以上测得的数据描点连线，如图乙所示，则该弹簧的原长L0＝__________ cm，劲度系数k＝__________ N/m.(结果均保留3位有效数字)
(2)若该同学先把弹簧竖直悬挂，下端不挂钩码测出弹簧原长为L1，再按照图甲所示方法悬挂钩码，测出弹簧伸长后长度L，以L－L1作为弹簧伸长量x，以钩码重力大小作为弹力F大小．由于弹簧自身重力的影响，得到的图线可能是图中的________．
答案 (1)5.00 13.3 (2)B
解析 (1)弹簧弹力为零时，弹簧总长度即为弹簧原长，故L0＝5.00 cm，
弹簧劲度系数k＝eq \f(ΔF,ΔL)＝eq \f(2.0,0.2－0.05) N/m
≈13.3 N/m.
(2)由于弹簧自身重力的影响，当x等于零时，弹簧有一定的弹力，但弹簧劲度系数不变，则k＝eq \f(ΔF,Δx)不变，即F－x图像斜率不变．故选B.
[争分提能练]
6．(2022·山东卷·13)在天宫课堂中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验．受此启发．某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示．主要步骤如下：
①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；
②接通气源，放上滑块．调平气垫导轨；
③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块．弹簧处于原长时滑块左端位于O点．A点到O点的距离为5.00 cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；
④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示．
回答以下问题(结果均保留两位有效数字)：
(1)弹簧的劲度系数为________ N/m.
(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a—F图像如图丙中Ⅰ所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为______ kg.
(3)该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a－F图像Ⅱ，则待测物体的质量为________ kg.
答案 (1)12 (2)0.20 (3)0.13
解析 (1)由题知，弹簧处于原长时滑块左端位于O点，A点到O点的距离为5.00 cm.拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时．结合题图乙的F－t图像有
Δx＝5.00 cm，F＝0.610 N
根据胡克定律k＝eq \f(F,Δx)
可得k≈12 N/m
(2)根据牛顿第二定律有F＝ma
则a－F图像的斜率表示滑块与加速度传感器的总质量的倒数，根据题图丙中Ⅰ，则有
eq \f(1,m)＝eq \f(3.00－0,0.60) kg－1＝5 kg－1
则滑块与加速度传感器的总质量为
m＝0.20 kg
(3)滑块上增加待测物体，同理，根据题图丙中Ⅱ，则有eq \f(1,m′)＝eq \f(1.50－0,0.50) kg－1＝3 kg－1
则滑块、待测物体与加速度传感器的总质量为
m′≈0.33 kg
则待测物体的质量为Δm＝m′－m＝0.13 kg.
7．(2022·湖北武汉市武昌区检测)用实验测量小滑块与木板表面间的动摩擦因数μ，已知当地重力加速度为g.
(1)第一实验组采用如图甲所示的装置测量．将足够长的固定木板水平放置，弹簧的一端与固定挡板相连，另一端紧靠带有遮光条的小滑块但不与之拴接，弹簧处于原长时整个弹簧都在光电门左侧．先用小滑块压缩弹簧至某一位置，释放后记录小滑块上的遮光条通过光电门的挡光时间t，并测量小滑块停止时的位置B与光电门中心A的距离L.
①利用游标卡尺测得遮光条的宽度如图乙所示，则遮光条的宽度为d＝________ mm；
②多次重复实验，记录多组(t、L)数据．选择L为纵轴，________为横轴，拟合得到一条过坐标原点的倾斜直线．若该直线的斜率为k，则小滑块与木板之间的动摩擦因数的表达式为μ＝________(用题目中已有的符号表示)．
(2)第二实验组使用位移传感器设计了如图丙所示的实验装置，让小滑块从倾斜木板上的A点由静止释放，与计算机连接的位移传感器可以测出小滑块到传感器的距离x，并能描绘出这个x随时间t变化的图像．某次实验得到的图像如图丁．
①根据图丁，可计算出0.4 s时刻小滑块的速度大小v＝________ m/s，小滑块的加速度大小a＝________ m/s2.(结果均保留2位有效数字)
②为了测定小滑块与木板间的动摩擦因数μ，本次实验还必须测量的物理量是________．
A．小滑块的质量
B．小滑块的宽度
C．木板的长度
D．木板的倾角
答案 (1)①2.7 ② eq \f(1,t2) eq \f(d2,2kg) (2)①0.80 2.0 ②D
解析 (1)①由题图乙所示游标卡尺可知，主尺示数为2 mm，游标尺示数为7×0.1 mm＝
0.7 mm，
游标卡尺读数
d＝2 mm＋7×0.1 mm＝2.7 mm；
②滑块做匀减速运动，根据牛顿第二定律可知μmg＝ma
根据速度位移公式有v2＝2μgL
其中v＝eq \f(d,t)
联立解得L＝eq \f(d2,2μg)·eq \f(1,t2)
为测量小滑块与木板表面间的动摩擦因数μ，记录多组(t、L)数据，选择L为纵轴，eq \f(1,t2)为横轴．
该直线的斜率为k，则eq \f(d2,2μg)＝k，
整理得μ＝eq \f(d2,2kg).
(2)①对小滑块进行受力分析可得，小滑块受重力、支持力和斜面对小滑块的摩擦力，由牛顿第二定律得
mgsin θ－μmgcs θ＝ma
解得a＝gsin θ－μgcs θ
小滑块做匀变速直线运动，
由运动学关系可得x0－x＝eq \f(1,2)at2
代入题图丁数据可得a＝2.0 m/s2
可计算出0.4 s时刻小滑块的速度大小v＝at＝2.0×0.4 m/s＝0.80 m/s；
②由于a＝gsin θ－μgcs θ
为测定小滑块与木板间的动摩擦因数μ，本次实验还必须测量的物理量是木板的倾角，故选D.
8．(2022·河北卷·11)某实验小组利用铁架台、弹簧、钩码、打点计时器、刻度尺等器材验证系统机械能守恒定律，实验装置如图甲所示．弹簧的劲度系数为k，原长为L0，钩码的质量为m.已知弹簧的弹性势能表达式为E＝eq \f(1,2)kx2，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量，当地的重力加速度大小为g.
(1)在弹性限度内将钩码缓慢下拉至某一位置，测得此时弹簧的长度为L.接通打点计时器电源．从静止释放钩码，弹簧收缩，得到了一条点迹清晰的纸带．钩码加速上升阶段的部分纸带如图乙所示，纸带上相邻两点之间的时间间隔均为T(在误差允许范围内，认为释放钩码的同时打出A点)．从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为__________，钩码的动能增加量为__________，钩码的重力势能增加量为________________．
(2)利用计算机软件对实验数据进行处理，得到弹簧弹性势能减少量、钩码的机械能增加量分别与钩码上升高度h的关系，如图丙所示．由图丙可知，随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，主要原因是_______________________________________________________.
答案 (1)k(L－L0)h5－eq \f(1,2)kh52 eq \f(mh6－h42,8T2) mgh5 (2)见解析
解析 (1)从打出A点到打出F点时间内，弹簧的弹性势能减少量为
ΔEp弹＝eq \f(1,2)k(L－L0)2－eq \f(1,2)k(L－L0－h5)2
整理有ΔEp弹＝k(L－L0)h5－eq \f(1,2)kh52
打F点时钩码的速度为vF＝eq \f(h6－h4,2T)
则钩码动能的增加量为
ΔEk＝eq \f(1,2)mvF2－0＝eq \f(mh6－h42,8T2)
钩码的重力势能增加量为ΔEp重＝mgh5
(2)钩码机械能的增加量，即钩码动能和重力势能增加量的总和，若无阻力做功则弹簧弹性势能的减少量等于钩码机械能的增加量．现在随着h增加，两条曲线在纵向的间隔逐渐变大，而两条曲线在纵向的间隔即阻力做的功，则产生这个问题的主要原因是钩码和纸带运动的速度逐渐增大，导致空气阻力逐渐增大，空气阻力做的功也逐渐增大．实验
装置图
实验操作
数据处理
探究小车速度随时间变化的规律
1.细绳与长木板平行
2.释放前小车应靠近打点计时器
3.先接通电源，再释放小车，打点结束先切断电源，再取下纸带
4.钩码质量适当
1.判断物体是否做匀变速直线运动
2.利用平均速度求瞬时速度
3.利用逐差法求平均加速度
4.作速度—时间图像，通过图像的斜率求加速度
探究加速度与物体受力、物体质量的关系
1.补偿阻力，垫高长木板使小车能匀速下滑
2.在补偿阻力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，实验过程中不用重复补偿阻力
3.实验必须保证的条件：小车质量m≫槽码质量m′
4.释放前小车要靠近打点计时器，应先接通电源，后释放小车
1.利用逐差法或v－t图像法求a
2.作出a－F图像和a－eq \f(1,m)图像，确定a与F、m的关系
验证机械能守恒定律
1.竖直安装打点计时器，以减少摩擦阻力
2.选用质量大、体积小、密度大的材料
3.选取第1、2两点间距离接近2 mm的纸带，用mgh＝eq \f(1,2)mv2进行
验证
1.应用vn＝eq \f(hn＋1－hn－1,2T)计算某时刻的瞬时速度
2.判断mghAB与eq \f(1,2)mvB2－eq \f(1,2)mvA2是否在误差允许的范围内相等
3.作出eq \f(1,2)v2－h图像，求g的大小
验证动量守恒定律
1.开始前调节导轨水平
2.用天平测出两滑块的质量
3.用光电门测量碰前和碰后的速度
1.滑块速度的测量：v＝eq \f(Δx,Δt)
2.验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′
F/N
M/kg
a/(m·s－2)
0.29
1.16
0.25
0.29
0.86
0.34
0.29
0.61
0.48
0.29
0.41
0.72
0.29
0.36
0.82
0.29
0.31
0.94
实验
装置图
实验操作
数据处理
探究弹簧弹力与形变量的关系
1.应在弹簧自然下垂时， 测量弹簧原长l0
2.水平放置时测原长，图线不过原点的原因是弹簧自身有重力
1.作出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线，斜率表示弹簧的劲度系数
2.超过弹簧的弹性限度，图线会发生弯曲
探究两个互成角度的力的合成规律
1.正确使用弹簧测力计
2.同一次实验中，橡皮条结点的位置一定要相同
3.细绳套应适当长一些，互成角度地拉橡皮条时，夹角合适
1.按力的图示作平行四边形
2.求合力大小
探究平抛运动的特点
1.保证斜槽末端水平
2.每次让小球从斜轨道的同一位置由静止释放
3.坐标原点应是小球出槽口时球心在木板上的投影点
1.用代入法或图像法判断运动轨迹是不是抛物线
2.由公式：x＝v0t和y＝eq \f(1,2)gt2，求初速度v0＝xeq \r(\f(g,2y))
探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
1.弹力大小可以通过标尺上刻度读出，该读数显示了向心力大小
2.采用了控制变量法，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系
作出Fn－ω2、Fn－r、Fn－m的图像，分析向心力与角速度、半径、质量之间的关系
用单摆测量重力加速度的大小
1.保证悬点固定
2.单摆必须在同一平面内振动，且摆角小于5°
3.摆长l＝悬线长l′＋小球的半径r
4.用T＝eq \f(t,n)计算单摆的周期
1.利用公式g＝eq \f(4π2l,T2)求重力加速度
2.作l－T2的图像，可利用斜率求重力加速度