2024届高考物理二轮专题复习与测试第一部分专题六实验技能与创新第16讲力学实验与创新命题点三“非纸带”类实验

命题点三“非纸带”类实验“非纸带”类实验包括有探究弹力与弹簧伸长量的关系、验证力的平行四边形定则、探究影响向心力大小的因素、用单摆测重力加速度等．小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等，设计了如图(a)所示的实验装置，测量冰墩墩玩具的质量．主要实验步骤如下：(1)查找资料，得知每枚硬币的质量为6.05g.(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋，测量每次稳定后橡皮筋的长度l，记录数据如下表．序号12345硬币数量n/枚510152025长度l/cm10.5112.0213.5415.0516.56(3)根据表中数据在图(b)上描点，绘制图线．(4)取出全部硬币，把冰墩墩玩具放入塑料袋中，稳定后橡皮筋长度的示数如图(c)所示，此时橡皮筋的长度为________cm.(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为________g(计算结果保留三位有效数字)．解析：(3)根据表格标点连线如图(4)由题图(c)可知刻度尺的分度值为1mm，故读数l＝15.35cm.(5)设橡皮筋的劲度系数为k，原长为x0，则n1mg＝k(l1－x0)，n2mg＝k(l5－x0)，设冰墩墩的质量为m1，则有m1g＝k(l－x0)，联立各式代入数据可得m1≈42.69g.答案：(3)图见解析(4)15.35(5)42.69预测1探究弹力与伸长量关系实验要点：(1)橡皮条、弹簧的弹力大小与伸长量之间的关系满足胡克定律，实验的数据处理中一般选用图像法．(2)胡克定律描述的是在弹性限度内，橡皮条(弹簧)的弹力与形变量成正比，如果超出弹性限度，正比关系不再成立．(3)弹簧测力计读数时要先看量程和分度值，再根据指针所指的位置读出所测力的大小．如分度值为0.1N，则要估读，即有两位小数，如分度值为0.2N，则小数点后只能有一位小数．1．某兴趣小组同学想探究橡皮圈中的张力与橡皮圈的形变量是否符合胡克定律，若符合胡克定律，则进一步测量其劲度系数(圈中张力与整圈形变量之比)．他们设计了如图甲所示实验：橡皮圈上端固定在细绳套上，结点为O，刻度尺竖直固定在一边，“0”刻度与结点O水平对齐，橡皮圈下端悬挂钩码，依次增加钩码的个数，分别记录所挂钩码的总质量m和对应橡皮圈下端P的刻度值x，如下表所示：钩码质量m/g20406080100120P点刻度值x/cm5.535.926.306.677.027.40(1)请在图乙中，根据表中所给数据，充分利用坐标纸，作出mx图像．(2)作出mx图像后，同学们展开了讨论：甲同学认为：这条橡皮圈中的张力和橡皮圈的形变量基本符合胡克定律；乙同学认为：图像的斜率k即为橡皮圈的劲度系数；丙同学认为：橡皮圈中的张力并不等于所挂钩码的重力；请参与同学们的讨论，并根据图像数据确定：橡皮圈不拉伸时的总周长约为________cm，橡皮圈的劲度系数约为________N/m(重力加速度g取10m/s2，结果保留三位有效数字)．(3)若实验中刻度尺的“0”刻度略高于橡皮圈上端结点O，则由实验数据得到的劲度系数将________(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)；若实验中刻度尺没有完全竖直，而读数时视线保持水平，则由实验数据得到的劲度系数将__________(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)．解析：(1)描点作出m-x图像如图所示．(2)由m-x图像可知，橡皮圈不拉伸时P点距离O点的距离约为5.20cm(5.10～5.30cm均正确)，则橡皮圈的总周长约为10.40cm(10.20～10.60cm均正确)．由m-x图像可知，图线的斜率为k0＝eq\f(Δm,Δx)＝eq\f(120×10－3,（7.40－5.20）×10－2)kg/m≈5.45kg/m.由力的平衡条件得mg＝2F，又劲度系数为圈中张力与整圈形变量之比，即k＝eq\f(F,2Δx)，故mg＝2F＝4kΔx，则橡皮圈的劲度系数k＝eq\f(Δmg,4Δx)＝eq\f(1,4)k0g≈13.6N/m.(3)若实验中刻度尺的“0”刻度略高于橡皮圈上端结点O，则由实验数据得到的劲度系数将不受影响，因为计算劲度系数时考虑的是橡皮圈的伸长量而不是长度．若实验中刻度尺没有完全竖直，而读数时视线保持水平，会使读数偏大，则由实验数据得到的劲度系数将偏小．答案：(1)图见解析(2)10.4013.6(3)不受影响偏小预测2探究两个互成角度的力的合成规律实验要点：本实验的依据是合力与分力的等效性，在操作时要记住“三注意”和“七记录”．三注意两次O点的位置必须相同两个细绳套不要太短夹角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之间为宜七记录两个弹簧测力计拉橡皮筋时，记录两弹簧测力计示数、两绳方向和O点的位置(五记录)一个弹簧测力计拉橡皮筋时，记录弹簧测力计示数和细绳方向(二记录)2.(2023·全国乙卷)在“验证力的平行四边形定则”的实验中使用的器材有：木板、白纸、两个标准弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、刻度尺、铅笔、细线和图钉若干．完成下列实验步骤：①用图钉将白纸固定在水平木板上．②将橡皮条的一端固定在木板上，另一端系在轻质小圆环上．将两细线也系在小圆环上，它们的另一端均挂上测力计．用互成一定角度、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个测力计，小圆环停止时由两个测力计的示数得到两拉力F1和F2的大小，并__________(多选，填正确答案字母号)．A．用刻度尺量出橡皮条的长度B．用刻度尺量出两细线的长度C．用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置D．用铅笔在白纸上标记出两细线的方向③撤掉一个测力计，用另一个测力计把小圆环拉到________，由测力计的示数得到拉力F的大小，沿细线标记此时F的方向．④选择合适标度，由步骤②的结果在白纸上根据力的平行四边形定则作F1和F2的合成图，得出合力F′的大小和方向；按同一标度在白纸上画出力F的图示．⑤比较F′和F的________，从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则．解析：②将橡皮条的一端固定在木板上，另一端系在轻质小圆环上．将两细线也系在小圆环上，它们的另一端均挂上测力计．用互成一定角度、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个测力计，小圆环停止时由两个测力计的示数得到两拉力F1和F2的大小，还需要用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置以及用铅笔在白纸上标记出两细线的方向．故选CD.③撤掉一个测力计，用另一个测力计把小圆环拉到相同位置，由测力计的示数得到拉力F的大小，沿细线标记此时F的方向．⑤比较F′和F的大小和方向，从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则．答案：②CD③相同位置⑤大小和方向预测3探究平抛运动实验要点和操作关键．(1)应保持斜槽末端的切线水平，钉有坐标纸的木板竖直，并使小钢球的运动靠近坐标纸但不接触．(2)小钢球每次必须从斜槽上同一位置无初速度滚下，斜槽的粗糙程度对该实验没有影响．在斜槽上释放小钢球的高度应适当，使小钢球以合适的水平初速度抛出．(3)坐标原点不是槽口的端点，应是小钢球在槽口时球心在坐标纸上的水平投影点．3．(2023·广东湛江统考一模)某物理小组利用如图甲所示的装置探究平抛运动规律．在斜槽轨道的末端安装一个光电门，调节激光束与实验所用小钢球的球心等高，斜槽末端切线水平，又分别在该装置正上方A处和右侧正前方B处安装频闪摄像头进行拍摄，钢球从斜槽上的固定位置无初速度释放，通过光电门后抛出，测得钢球通过光电门的平均时间为2.10ms，得到的频闪照片如图丙所示，O为抛出点，P为运动轨迹上某点，g取9.80m/s2.(1)用50分度游标卡尺测得钢球直径如图乙所示，则钢球直径d＝________mm，由此可知钢球通过光电门的速度v＝________m/s(此空结果保留两位小数)．(2)在图丙中，B处摄像头所拍摄的频闪照片为________(选填“a”或“b”)．(3)测得图丙a中OP距离为59.10cm，b中OP距离为44.10cm，则钢球平抛的初速度大小v0＝________m/s(结果保留两位小数)．(4)通过比较钢球通过光电门的速度v与由平抛运动规律解得的平抛初速度v0的关系，从而验证平抛运动的规律．解析：(1)由游标卡尺读数规则可知读数为d＝4mm＋10×0.02mm＝4.20mm，由此可知钢球通过光电门的速度v＝eq\f(d,t)＝2.00m/s.(2)钢球做平抛运动时，水平方向是匀速直线运动，竖直方向是自由落体运动，故B处摄像头所拍摄的频闪照片为b.(3)由平抛运动规律可得，竖直方向h＝eq\f(1,2)gt2，水平方向x＝v0t，解得v0＝xeq\r(\f(g,2h))，代入数据得v0＝1.97m/s.答案：(1)4.202.00(2)b(3)1.97预测点4利用单摆测重力加速度实验要点：(1)选择材料时应选择细、轻又不易伸长的线，长度一般在1m左右，小球应选用密度较大的金属球．(2)悬线顶端不能晃动，需用夹子夹住，保证悬点固定．(3)注意摆动时控制摆线偏离竖直方向不超过5°.(4)选择在摆球摆到平衡位置处时开始计时，并数准全振动的次数．(5)摆球自然下垂时，用毫米刻度尺量出悬线长L，l＝L＋eq\f(D,2).(6)作lT2的图像，图像应是一条通过原点的直线，图线的斜率k＝eq\f(Δl,ΔT2)，利用g＝4π2k求重力加速度．4．(2023·新课标卷)一学生小组做“用单摆测量重力加速度的大小”实验．(1)用实验室提供的螺旋测微器测量摆球直径．首先，调节螺旋测微器，拧动微调旋钮使测微螺杆和测砧相触时，发现固定刻度的横线与可动刻度上的零刻度线未对齐，如图(a)所示，该示数为__________mm；螺旋测微器在夹有摆球时示数如图(b)所示，该示数为__________mm，则摆球的直径为__________mm.(2)单摆实验的装置示意图如图(c)所示，其中角度盘需要固定在杆上的确定点O处，摆线在角度盘上所指的示数为摆角的大小．若将角度盘固定在O点上方，则摆线在角度盘上所指的示数为5°时，实际摆角__________5°(填“大于”或“小于”)．(3)某次实验所用单摆的摆线长度为81.50cm，则摆长为__________cm.实验中观测到从摆球第1次经过最低点到第61次经过最低点的时间间隔为54.60s，则此单摆周期为________s，该小组测得的重力加速度大小为________m/s2(结果均保留3位有效数字，π2取9.870)．解析：(1)测量前测微螺杆和测砧相触时，图(a)的示数为d0＝0mm＋0.7×0.01mm＝0.007mm，螺旋测微器读数是固定刻度读数(0.5mm整数倍)加可动刻度(0.5mm以下的小数)读数，图中读数为d1＝20mm＋3.4×0.01mm＝20.034mm，则摆球的直径为d＝d1－d0＝20.027mm.(2)角度盘的大小一定，即在规定的位置安装角度盘，测量的摆角准确，但将角度盘固定在规定位置上方，即角度盘到悬挂点的距离变短，同样的角度，摆线在刻度盘上扫过的弧长变短，故摆线在角度盘上所指的示数为5°时，实际摆角大于5°.(3)单摆的摆线长度为81.50cm，则摆长为l＝l0＋eq\f(d,2)＝81.50cm＋eq\f(2.0027,2)cm＝82.5cm，结果保留三位有效数字，得摆长为82.5cm；一次全振动单摆经过最低点两次，故此单摆的周期为T＝eq\f(2t,N)＝eq\f(54.60,30)s＝1.82s，由单摆的周期表达式T＝2πeq\r(\f(l,g))得，重力加速度g＝eq\f(4π2l,T2)＝9.83m/s2.答案：(1)0.00720.03420.027(2)大于(3)82.51.829.83预测5探究影响向心力大小的因素5．(2023·广东汕头一模)物理创新实验研究小组用步进电机、圆盘、小物块、手机等制作了圆周运动综合探究平台，探究圆周运动中向心力、向心加速度等各个物理量之间的关系：(1)手机内部自带加速度传感器，可测量向心加速度大小与方向，规定x、y、z三个方向的正方向如图所示．某同学站在转台上将手水平伸直，以不同朝向拿着手机，如图以自己身体为轴旋转，某段时间内测得y轴方向加速度—时间图像如图，x、z轴方向加速度为零，则她可以是________(填选项前的字母)．A．将手机竖起，手机屏幕正对自己旋转B．手机平放在手掌上，屏幕朝上，让底边对着自己旋转C．手机平放在手掌上，屏幕朝上，让侧边对着自己旋转(2)为了测加速度传感器在手机中位置，该同学如图将手机沿径向平放固定在圆盘上，底边正对圆盘转轴，让步进电机带动圆盘旋转，手机的加速度、角速度等值可通过手机appphyphox读取，由anω2的图像获得斜率为k(使用国际单位)，再用刻度尺测量手机底边到转轴的长度d，如图，则d＝________m．手机内部加速度传感器到手机底边的长度为________(用题目所给的物理量表示)．(3)手机中有光照传感器，用手电筒在圆盘固定位置打光，手机旋转时记录光照强度周期性变化如图所示，则手机旋转的周期为________s(保留2位小数)．测得手机的质量m，周期为T，手机视为质点，手机到转轴的距离为r，可求得向心力Fn＝________(用题目所给的物理量表述)．解析：(1)根据图像可知旋转时有沿y轴负方向的加速度，向心加速度指向圆周运动的圆心，可能是手机平放在手掌上，屏幕朝上，让底边对着自己旋转．故选B.(2)根据刻度尺的度数规则及图像可知d＝101.6mm＝0.1016m，根据公式an＝kω2，即旋转