高考物理必备专题18之09 力学实验的新情景问题（原卷版）

专题09力学实验近几年高考力学实验注重考查考生的科学探究能力，注重考查知识的形成过程。探究型实验要求学生将自己掌握的物理知识和实验技能创造性地应用到新的实验情境中，由题给条件自行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律。在我们日常生活中，可以发现，茶杯掉在瓷砖的地板上，碎了；茶杯掉在铺着地毯的地面，没有摔坏。乒乓球与乒乓球台碰撞后弹起的高度与什么有关？这些实际问题都可以成为我们探究的对象，也可以成为高考实验命题的素材。我国航天员已经开展了三次太空授课，使千万中学生受益，极大激发了青少年的科技热情。2022年6月5日10时44分，神舟十四号飞船搭载航天员陈冬、刘洋和蔡旭哲，成功发射，并与空间站核心舱顺利对接。神舟十四号飞行乘组将首次利用位于问天实验舱的气闸舱实施两到三次出舱活动，并将继续开展天宫课堂。航天员太空授课时，为青少年展示了一系列科学实验，可能成为高考命题素材。在我们的日常生活中，我们骑电动车关闭动力后，还能滑行多远？若我们在电动车上撑一遮阳伞，关闭动力后，还能滑行多远？我们需要测量哪些物理量进行探究？通过探究你能够得出什么结论？同一电动车撑遮阳伞和不撑遮阳伞的最大速度相同吗？为什么？可以再现天宫课堂实验，或给出简化模型。例如可以根据航天员的水油分离实验，探究与向心力相关的因素。可以利用中学常用器材做与天宫课堂上类似实验。例如利用气垫导轨等器材测量物体质量等。1.（2022·.届湖南新高考教学教研联盟高三第一次联考，6分）（实验原理的创新）大家知道，质量可以用天平来测量。但是在太空，物体完全失重，用天平无法测量质量，那么应该如何测量呢？北京时间2013年6月20日上午10时，我国航天员在天宫一号空间实验室进行了太空授课，演示了包括质量测量在内的一系列实验。质量的测量是通过舱壁上打开的一个支架形状的质量测仪完成的。由牛顿第二定律F=ma可知，如果给物休施加一个已知的力，并测得物体在这个力作用下的加速度，就可以求出物体的质量。这就是动力学测量质量的方法。（1）如图，假如航天员在A、B两物块中间夹了一个质量不计的压力传感器，现让舱壁支架给B物块一个恒力F，此时压力传感器示数为N1.将A、B对换位置，给A施加相同的恒力F，压力传感器示数为N2.据此可知A、B两物块的质量之比mA：mB=___________。（2）在计算机设定的恒力F作用下，物体由静止开始运动，用测量装置能够测量出支架作用距离x和时间t，从而计算出加速度a=______（用x、t表示）。这样，我们就能够计算出A物体的质量mA=_______（用F、N1、N2、x、t表示）。.2。（2022·重庆市高三模拟，5分）（实验原理创新）周吴同学打算利用平抛运动知识研究水龙头水平喷水的相关参数，方法步骤如下：（1）用游标卡尺测量喷水口的内径，记为D；（2）打开水龙头，水从喷水口水平喷出，稳定后测得落地点距喷水口水平距离为x，竖直距离为h，当地重力加速度为g，则水喷出的初速度______（用题中字母表示）；（3）根据上述测量值，可得空中水的体积V＝________。（用题中字母表示）.3.（2022·河北省邢台南和区第一中学模拟，6分））（y—x）物如图甲所示，研究平抛运动规律的实验装置放置在水平桌面上，利用光电门传感器和碰撞传感器可以测得小球的水平初速度和飞行时间，底板上的标尺可以测得水平位移。（1）控制斜槽轨道的水平槽口高度不变，让小球从斜槽的不同高度处滚下，以不同的速度冲出水平槽口，下列说法正确的是___________。A．飞行时间与初速度成正比B．飞行时间与初速度大小无关C．水平位移与初速度成反比D．水平位移与初速度成正比（2）一位同学做实验时，通过描点画出的小球的平抛运动轨迹如图乙所示，O为抛出点。A、B是轨迹上的两点，分别测得A点的竖直坐标、B点的竖直坐标，A、B两点间的水平距离，取重力加速度大小，则小球从A点运动到B点的时间_________，初速度_______。（结果均保留两位有效数字）4..（2022·广东省汕头二模）小羽同学尝试利用数码相机和视频软件研究平抛运动。在平抛运动演示仪表面贴上坐标纸，拍摄出小球做平抛运动的一段视频。利用FreeVidcotoJPG软件将视频转化为图片，若视频帧格式是每秒30帧，即通过软件每秒可生成30张图片，在图片中选出有小球画面的连续7张图片，并依次对齐叠加，得到小球做平抛运动时连续时刻的像，如图所示。以坐标纸的左上角为坐标原点，以水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向建立直角坐标系，读取小球水平方向和竖直方向的位置，记录到表格中。位置xn（m）yn（m）（m）10.0000.000﹣﹣20.0250.0100.01030.0480.0290.01940.0700.0580.02950.0940.0990.04160.1170.1500.05170.1390.2120.062（1）叠加后图片中小球相邻两个像的时间间隔是_______s，小球水平方向的平均速度为_______m/s。（结果保留两位有效数字）（2）用逐差法计算小球的加速度，则a＝_______m/s2（结果保留两位有效数字）。5.（2022·重庆市巴蜀中学高考适应性测试，5分）（实验原理创新）用传感器和计算机可以方便地描出做平抛运动的物体的轨迹，一种设计原理如图甲所示。物体A以某一初速度从O点水平抛出，它能够在竖直平面内向各个方向同时发射超声波脉冲和红外线脉冲，在它运动的平面内安放着超声-红外接收装置B，B盒装有、两个超声-红外接收器，并与计算机相连，、各自测出收到超声脉冲和红外脉冲的时间差，并由此算出它们各自与物体A的距离。（1）为使运动轨迹更接近抛物线，物体A应选用下列哪种小球更合理（______）A．小木球B．小钢球C．小皮球（2）如图乙所示，某实验小组让物体A在图示位置同时发射超声波脉冲和红外线脉冲，以抛出点O为坐标原点建立坐标系，若还测出了O点到B1、B2的距离，重力加速度未知，则由题中条件可以求出__________。A．物体A的初速度B．物体A的位置坐标C．物体A的运动时间D．物体A此时的速度方向6.（2022·山东省泰安第一中一模）（为探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系，小明按如图装置进行实验，物块放在平台卡槽内，平台绕轴转动，物块做匀速圆周运动，平台转速可以控制，光电计时器可以记录转动快慢。（1）为了探究向心力与角速度的关系，需要控制_________保持不变，小明由计时器测转动的周期T，计算的表达式是___________。（2）小明按上述实验将测算得的结果用作图法来处理数据，如图所示纵轴F为力传感器读数，横轴为，图线不过坐标原点的原因是__________，用电子天平测得物块质量为，直尺测得半径为，图线斜率大小为_________（结果保留两位有效数字）。．7。（2022山东物理）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5.00cm，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。8.（2022·高考广东物理）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10（a）所示的装置，实验过程如下：（1）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。（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图10（b）所示，小球直径__________。（3）测量时，应__________（选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，后释放小球”）。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间和。（4）计算小球通过光电门的速度，己知小球的质量为m，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）。（5）若适当调高光电门的高度，将会__________（选填“增大”或“减小”）因空气阻力引起的测量误差。9．（2022湖北宜昌模拟）某乒乓球爱好者，利用手机研究乒乓球与球台碰撞过程中能量损失的情况。实验步骤如下：①固定好手机，打开录音功能；②从一定高度由静止释放乒乓球；③手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，其随时间（单位：s）的变化图像如图所示。根据声音图像记录的碰撞次序及相应碰撞时刻，如下表所示。碰撞次序1234567碰撞时刻（s）1.121.582.002.402.783.143.47根据实验数据，回答下列问题：（1）利用碰撞时间间隔，计算出第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为________m（保留2位有效数字，当地重力加速度g=9.80m/s2）。（2）设碰撞后弹起瞬间与该次碰撞前瞬间速度大小的比值为k，则每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的______倍（用k表示），第3次碰撞过程中k=________（保留2位有效数字）。（3）由于存在空气阻力，第（1）问中计算的弹起高度________（填“高于”或“低于”）实际弹起高度。10.（2022湖南名校联考）某研究性实验小组为探索航天器球形返回舱穿过大气层时所受空气阻力(风力)的影响因素，进行了模拟实验研究。如图为测定风力的实验装置图。其中CD是一段水平放置的长为L的光滑均匀电阻丝，电阻丝阻值较大;一质量和电阻均不计的细长裸金属丝一端固定于O点，另一端悬挂小球P，无风时细金属丝竖直，恰与电阻丝在C点接触，OC=H;有风时细金属丝将偏离竖直方向，与电阻丝相交于某一点(如图中虚线所示，细金属丝与电阻丝始终保持良好的导电接触)。(1)已知电源电动势为E，内阻不计，理想电压表两接线柱分别与O点和C点相连，球P的质量为m，重力加速度为g，由此可推得风力大小F与电压表示数U的关系为F=_______。(2)研究小组的同学猜想:风力大小F可能与风速大小v和球半径r这两个因数有关，于是他们进行了实验后获得了如下数据:(下表中风速v的单位为m/s，电压U的单位为V，球半径r的单位为m)根据表中数据可知，风力大小F与风速大小v和球半径r的关系是_______(比例系数用k表示)。11.（2022山东淄博质检）某同学用频闪摄影的方式拍摄了把手指上的水滴甩掉的过程，如图甲，A、B、C是最后三个拍摄时刻指尖的位置。把图甲简化为图乙的模型，在甩手过程中，上臂以肩关节01为转动轴转动，肘关节O2以O1为圆心做半径为r1的圆周运动，腕关节O3以O2为圆心做半径为r2的圆周运动，到接近B的最后时刻，指尖P以腕关节O3为圆心做半径为r3的圆周运动。（1）测得A、B之间的距离为26cm，频闪照相机的频率为25Hz，则指尖在A、B间运动的平均速度v为m/s，粗略认为这就是甩手动作最后阶段指尖作圆周运动的线速度。（2）指尖通过B点时的向心加速度大小为a=（结果保留三位有效数字）。（3）用这种方式可以使指尖的水滴产生巨大的向心加速度，其原因是：。12.（2022陕西西安名校联考）由于空间站处于完全失重状态，不能利用天平等仪器测量质量，为此某同学为空间站设计了如图所示（a）的实验装置，用来测量小球质量。图中弹簧固定在挡板上，轨道B处装有光电门，可以测量出小球经过光电门的时间。该同学设计的主要实验步骤如下：（ⅰ）用游标卡尺测量小球的直径d（ⅱ）将弹簧固定在档板上（ⅲ）小球与弹簧接触并压缩弹簧，记录弹簧的压缩量x（ⅳ）由静止释放小球，测量小球离开弹簧后经过光电门的时间t，计算出小球离开弹簧的速度v（ⅴ）改变弹簧的压缩量，重复步骤（ⅲ）、（ⅳ）多次（ⅵ）分析数据，得出小球的质量该同学在地面上进行了上述实验，请回答下列问题（1）步骤（ⅰ）中游标卡尺示数情况如图（b）所示，小球的直径d=______cm；（2）某一次步骤（ⅲ）中测得弹簧的压缩量为1cm，对应步骤（ⅳ）中测得小球通过光电门的时间为7.50ms，则此次小球离开弹簧的速度v=______m/s；（3）根据实验得到的弹簧的形变x与对应的小球速度v在图（c）中描出了对应的点，请将（2）问中对应的点描出，并画出v-x图象。（4）已知实验所用弹簧的弹性势能EP与弹簧形变量x2之间的关系如图（d）所示，实验测得小球的质量为______kg。【13.（2022山西大同模拟）在研究球形固体颗粒在水中竖直匀速下沉的速度与哪些因素有关的实验中，得到的实验数据记录在下面的表格中（水的密度为ρ0=1.0×103kg/m3）次序固体颗粒的半径r/（×10-3）m固体颗粒的密度ρ/（×103kg•m-3）匀速下沉的速度v/（m•s-1）10.502.00.5521