高考物理二轮复习主题突破练：纸带、光电门类实验

主题突破练纸带、光电门类实验【真题示范】1．(2022·辽宁卷·12)某同学利用如图所示的装置测量重力加速度，其中光栅板上交替排列着等宽度的遮光带和透光带(宽度用d表示)．实验时将光栅板置于光电传感器上方某高度，令其自由下落穿过光电传感器．光电传感器所连接的计算机可连续记录遮光带、透光带通过光电传感器的时间间隔Δt.(1)除图中所用的实验器材外，该实验还需要________________(填“天平”或“刻度尺”)；(2)该同学测得遮光带(透光带)的宽度为4.50cm，记录时间间隔的数据如表所示；编号1遮光带2遮光带3遮光带…Δt/(×10－3s)73.0438.6730.00…根据上述实验数据，可得编号为3的遮光带通过光电传感器的平均速度大小为v3＝______m/s(结果保留两位有效数字)；(3)某相邻遮光带和透光带先后通过光电传感器的时间间隔为Δt1、Δt2，则重力加速度g＝____________________(用d、Δt1、Δt2表示)；(4)该同学发现所得实验结果小于当地的重力加速度，请写出一条可能的原因：__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.2．(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_____________________________________________________________________________________________________________________________________.3．(2021·湖南卷·11)某实验小组利用图甲所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系．主要实验步骤如下：(1)用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图乙所示，h＝________cm；(2)接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；(3)在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；(4)在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数n和滑块对应的加速度a；(5)在右支点下增加垫块个数(垫块完全相同)，重复步骤(4)，记录数据如下表：n123456a/(m·s－2)0.0870.1800.2600.4250.519根据表中数据在图丙上描点，绘制图线．如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是________m/s2(保留三位有效数字)．4．(2022·全国甲卷·23)利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究．让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2，进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞．完成下列填空：(1)调节导轨水平；(2)测得两滑块的质量分别为0.510kg和0.304kg.要使碰撞后两滑块运动方向相反，应选取质量为________kg的滑块作为A；(3)调节B的位置，使得A与B接触时，A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等；(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B碰撞，分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2；(5)将B放回到碰撞前的位置，改变A的初速度大小，重复步骤(4)．多次测量的结果如下表所示；12345t1/s0.490.671.011.221.39t2/s0.150.210.330.400.46k＝eq\f(v1,v2)0.31k20.330.330.33(6)表中的k2＝________(保留2位有效数字)；(7)eq\f(v1,v2)的平均值为______(保留2位有效数字)；(8)理论研究表明，对本实验的碰撞过程，是否为弹性碰撞可由eq\f(v1,v2)判断．若两滑块的碰撞为弹性碰撞，则eq\f(v1,v2)的理论表达式为______________(用m1和m2表示)，本实验中其值为________(保留2位有效数字)，若该值与(7)中结果间的差别在允许范围内，则可认为滑块A与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞.【模拟演练】1.利用如图甲所示的装置研究自由落体运动．实验中需要调整好仪器，接通打点计时器的电源，松开纸带，使重物下落，打点计时器会在纸带上打出一系列的点．(1)本实验采用电火花计时器，所接电源应为电压________V，频率为50Hz的交流电，打点的时间间隔是________s；(2)取下纸带，取其中的一段标出计数点如图乙所示，测出相邻计数点间的距离分别为x1＝2.60cm，x2＝4.14cm，x3＝5.69cm，x4＝7.22cm，x5＝8.75cm，x6＝10.29cm，打点计时器的打点间隔为T，则重物运动的加速度计算表达式为a＝________________，代入数据，可得加速度大小a＝________m/s2；(计算结果保留三位有效数字)(3)实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，而实验操作与数据处理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因：__________________________________.2．某实验小组利用如图甲所示的装置探究加速度与物体受力的关系，已知小车的质量为M，砝码盘及砝码的总质量为m，打点计时器所接的交流电的频率为f，定滑轮和动滑轮受到的阻力可忽略不计．实验步骤如下：①按图甲所示安装好实验装置，其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直；②取下砝码盘，调节长木板的倾角，轻推小车，使小车能沿长木板向下匀速运动，记下此时弹簧测力计的示数F0；③挂上砝码盘，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，记下弹簧测力计的示数F1，由纸带求出小车的加速度a1；④改变砝码盘中砝码的质量，重复步骤③，记下弹簧测力计的示数Fi，求得小车在不同合力作用下的加速度ai.(1)对于该实验方案，下列说法正确的是__________．A．实验过程中一定要保持M≫mB．与小车相连的细线跟长木板一定要平行C．补偿摩擦力时，即步骤②中一定不能挂上砝码盘D．当弹簧测力计的示数为F1时，小车受到的合力大小为F1－F0－mg(2)实验过程中打出的一条纸带如图乙所示，1、2、3、4、5为计数点，相邻两个计数点间还有四个计时点未画出，则打点计时器在打计数点“4”时，小车的速度大小为_____________，加速度的大小为______________(用字母x1、x2、x3、x4和f表示)；若x1＝6.02cm，x2＝6.89cm，x3＝7.77cm，x4＝8.66cm，f＝50Hz，则小车的加速度大小a＝______m/s2.(结果保留两位有效数字)(3)由本实验得到的数据作出小车的加速度a与弹簧测力计的示数F的关系图像，下列四幅图中，与本实验相符合的是________．3.如图所示的实验装置可以用来验证牛顿第二定律F＝ma.实验器材有铁架台、长木板、一枚表面光滑的金属小球、秒表和毫米刻度尺．主要实验步骤有：①铁架台放在水平桌面上，然后将铁架台和长木板搭建一个倾角可调斜面；②在斜面上标记出P、Q两点，并用毫米刻度尺测量出P、Q两点间的距离L；③让一个金属小球从斜面上P点由静止释放，用秒表记下小球从P运动到Q的时间t；④用毫米刻度尺测量出P、Q两点与桌面之间的距离h1、h2；⑤改变长木板的倾角，重复步骤③、④，得到多组实验数据．(1)小球在斜面上运动的加速度大小为______；若已知小球的质量为m，重力加速度大小为g，小球受到的摩擦力和空气阻力均不计，则小球在斜面上运动时受到的合外力大小为________；(2)若关系式2L2＝________成立，则说明牛顿第二定律F＝ma成立．4．某同学利用图甲所示的装置验证动量守恒定律．在图甲中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有一弹簧片，左侧与穿过打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块B左侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间．已知滑块A的质量m1＝300g，滑块B的质量m2＝100g，将光电门固定在滑块B的右侧，启动打点计时器，给滑块A一水平向右的瞬间冲量，使它与静止的滑块B相碰，碰后光电计时器显示的挡光时间为Δt＝3.200ms.(所有计算结果均保留2位有效数字)(1)该同学用螺旋测微器测得该遮光片的宽度d如图乙所示，则d＝________mm，两滑块碰撞后滑块B的速度大小vB＝________m/s；(2)碰撞前后打出的纸带如图丙所示．已知打点计时器所用的交流电的频率f＝50Hz，根据纸带数据可得两滑块碰撞前瞬间滑块A的速度大小v1＝________m/s，碰撞后瞬间滑块A的速度大小v2＝________m/s；(3)定义δ＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(p－p′,p)))×100%为实验的相对误差(其中p为碰撞前滑块A、B总动量，p′为碰撞后滑块A、B总动量)，物理实验要求δ≤5%.计算本实验的相对误差δ＝__________.5．为了消除空气阻力对实验结果的影响，某实验小组用如图甲所示实验装置做验证机械能守恒定律实验，牛顿管竖直固定在铁架台上，光电门固定在牛顿管的外侧，紧贴牛顿管外侧再固定刻度尺(图中未画出)，启动抽气泵，将牛顿管内的空气抽出，已知橡胶球的质量为m，当地重力加速度为g.(1)先用游标卡尺测量橡胶球直径d，如图乙所示，则小球直径d＝________mm；(2)从刻度尺上读取橡胶球球心和光电门中心对应的刻度值l1、l2.将橡胶球由静止释放，记录橡胶球第一次通过光电门的挡光时间Δt1；(3)要验证橡胶球下落过程中机械能是否守恒，只需比较________与________是否相等即可；(用上面测得数据符号表示)(4)该小组要利用该装置进一步探究橡胶球与管底第一次碰撞前后球的机械能损失情况，他们记录了橡胶球第二次通过光电门的挡光时间Δt2，则碰撞过程中橡胶球损失的机械能为__________________．6．某同学利用一根压缩的弹簧弹开带有遮光片的滑块来测量滑块与木板间的动摩擦因数．实验装置如图(a)所示，将木板水平固定在桌面上，弹簧的左端固定在挡板上，右端与滑块刚好接触(但不连接)，然后将光电门固定在木板上靠近滑块处．实验步骤如下：(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度d，其示数如图(b)所示，d＝________cm；(2)将光电门连接计时器，让滑块压缩弹簧至P点(图(a)中未画出)，释放后滑块被弹开并沿木板向右滑动，计时器记录遮光片通过光电门的时间为Δt，再测量滑块停止时的位置与光电门的距离x，则可用________表示滑块经过光电门时速度的大小；(3)改变P点的位置，多次重复步骤(2)；(4)若用eq\f(1,Δt2)－x图像处理数据，所得图像如图(c)所示，设重力加速度大小为g，则由图线可得滑块与木板间的动摩擦因数μ＝______(用物理量的符号表示)．参考答案真题示范1．(1)刻度尺(2)1.5(3)eq\f(2dΔt1－Δt2,Δt1Δt2Δt1＋Δt2)(4)光栅板受到空气阻力的作用解析(1)该实验测量重力加速度，不需要天平测质量；需要用刻度尺测量遮光带(透光带)的宽度，故需要刻度尺．(2)根据平均速度的计算公式可知v＝eq\f(d,Δt)＝eq\f(4.5×10－2m,30×10－3s)＝1.5m/s.(3)根据匀变速直线运动的平均速度等于中间时刻的速度，有v1＝eq\f(d,Δt1)，v2＝eq\f(d,Δt2)，v2＝v1＋g(eq\f(Δt2＋Δt1,2))可得g＝eq\f(2dΔt1－Δt2,Δt1Δt2Δt1＋Δt2).(4)光栅板的长度明显，下落过程中受到空气阻力的影响，所以竖直向下的加速度小于重力加速度．2．(1)k(L－L0)h5－eq\f(1,2)kh52eq\f(mh6－h42,8T2)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)则钩码的动能增加量为ΔEk＝eq\f(1,2)mvF2－0＝eq\f(mh6－h42,8T2)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．3．(1)1.02(5)见解析图0．343(0.341～0.345均可)解析(1)垫块的厚度为h＝1cm＋2×0.1mm＝1.02cm(5)绘制图线如图；根据mg·eq\f(nh,l)＝ma可知a与n成正比关系，则根据图像可知，斜率k＝eq\f(0.6,7)＝eq\f(a,4)解得a≈0.343m/s2.4．(2)0.304(6)0.31(7)0.32(8)eq\f(v1,v2)＝eq\f(m2－m1,2m1)0.34解析(2)用质量较小的滑块碰撞质量较大的滑块，碰后运动方向相反，故选0.304kg的滑块作为A.(6)由于两段位移大小相等，根据表中的数据可得k2＝eq\f(v1,v2)＝eq\f(t2,t1)＝eq\f(0.21,0.67)＝0.31.(7)eq\f(v1,v2)的平均值为eq\x\to(k)＝eq\f(0.31＋0.31＋0.33＋0.33＋0.33,5)＝0.32.(8)弹性碰撞时满足动量守恒和机械能守恒，可得m1v0＝－m1v1＋m2v2eq\f(1,2)m1v02＝eq\f(1,2)m1v12＋eq\f(1,2)m2v22联立解得eq\f(v1,v2)＝eq\f(m2－m1,2m1)，代入数据可得eq\f(v1,v2)＝0.34.模拟演练1．(1)2200.02(2)eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,36T2)9．60(3)下降过程中重物受到空气阻力、纸带受到摩擦阻力等解析(1)采用电火花计时器，所接电源应为电压220V，频率为50Hz的交流电，打点的时间间隔是T＝eq\f(1,f)＝0.02s(2)根据Δx＝at2，则有a＝eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,3×2T2)＝eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,36T2)≈9.60m/s2(3)实验中重物会受到纸带与限位孔之间的摩擦力以及空气阻力的影响，因此实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值．2．(1)B(2)eq\f(x3＋x4f,10)eq\f(x3＋x4－x1－x2,100)f20.88(3)B解析(1)实验中因为弹簧测力计可直接读出细线的拉力大小，所以不一定要保持M≫m，故A错误；补偿摩擦力时，步骤②中也可以挂上砝码盘，只要保证小车匀速下滑，即与小车相连的细线与长木板平行即可，故B正确，C错误；小车运动过程中受到的合力大小，应为弹簧测力计的示数Fi减去小车匀速下滑时弹簧测力计的示数F0，D错误．(2)相邻计数点之间的时间间隔T＝eq\f(5,f)，打下计数点“4”时，小车的速度大小v4＝eq\f(x3＋x4,2T)＝eq\f(x3＋x4f,10)，根据逐差法有Δx＝aT2，可得a＝eq\f(x3＋x4－x1－x2,100)f2＝0.88m/s2.(3)根据牛顿第二定律可得F－F0＝ma，解得a＝eq\f(1,m)F－eq\f(1,m)F0，可知a与F是一次函数关系，且与横轴有交点，故选B.3．(1)eq\f(2L,t2)mgeq\f(h1－h2,L)(2)g(h1－h2)t2解析(1)根据匀变速直线运动位移与时间关系有L＝eq\f(1,2)at2所以小球在斜面上运动的加速度大小为a＝eq\f(2L,t2)设斜面倾角为θ，则sinθ＝eq\f(h1－h2,L)由题意可知，小球在斜面上运动时受到的合外力为F＝mgsinθ＝mgeq\f(h1－h2,L).(2)若牛顿第二定律F＝ma成立，则mgeq\f(h1－h2,L)＝meq\f(2L,t2)化简得2L2＝g(h1－h2)t2.4．(1)9.600(9.599～9.601均可)3.0(2)2.00.95(3)2.5%解析(1)用螺旋测微器测得该遮光片的宽度d＝9.5mm＋10.0×0.01mm＝9.600mm两滑块碰撞后滑块B的速度大小vB＝eq\f(d,Δt)＝eq\f(9.600×10－3,3.200