知识点七 力学实验-2022年高考物理分类题库

专题七力学实验1.(2022·广东选择考)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(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(b)所示,小球直径d=mm。

(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t1和t2。

(4)计算小球通过光电门的速度,已知小球的质量为m,可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE=(用字母m、d、t1和t2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。

【解析】(2)依题意,小球的直径为d=7.5mm+38.4×0.01mm=7.884mm,考虑到偶然误差,7.883~7.885mm均可。(3)在测量时,因小球下落时间很短,如果先释放小球,有可能会出现时间记录不完整,所以应先接通数字计时器,再释放小球,故选B。(4)依题意,小球向下、向上先后通过光电门时的速度分别为v1、v2,则有v1=dt1,v2=dt2,则小球与橡胶材料碰撞过程中机械能的损失量为ΔE=12mv12-12mv22=12m((5)若调高光电门的高度,较调整之前小球会经历较大的空中距离,所以将会增大因空气阻力引起的测量误差。答案:(2)7.884(7.883~7.885均可)(3)B(4)12m(dt1)2-12m(dt2)2.(2022·河北选择考)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1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=12kx2,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2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3所示。由图3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

。

【解析】(1)从打出A点到打出F点的时间内,弹簧的弹性势能减少量为ΔEp弹=12k(L-L0)2-12k(L-L0-h5整理有ΔEp弹=k(L-L0)h5-12k打F点时钩码的速度为vF=h由于在误差允许的范围内,认为释放钩码的同时打出A点,则钩码动能的增加量为ΔEk=12mvF钩码的重力势能增加量为DEp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,以至于空气阻力做的功也逐渐增大。答案:(1)k(L-L0)h5-12kh52m(h6-3.(2022·湖北选择考)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器,另一端连接小钢球,如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放,使小钢球在竖直平面内摆动,记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值Tmin。改变小钢球的初始释放位置,重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的Tmax-Tmin图像是一条直线,如图乙所示。(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为。

(2)由图乙得:直线的斜率为,小钢球的重力为N。(结果均保留2位有效数字)

(3)该实验系统误差的主要来源是(单选,填正确答案标号)。

A.小钢球摆动角度偏大B.小钢球初始释放位置不同C.小钢球摆动过程中有空气阻力【解析】(1)设初始位置时,轻绳与竖直方向夹角为θ,则轻绳拉力最小值为Tmin=mgcosθ,到最低点时轻绳拉力最大,则mgl(1-cosθ)=12mv2,Tmax-mg=mv2l,联立可得Tmax=3mg-2Tmin,即若小钢球摆动过程中机械能守恒,(2)由图乙得直线的斜率为k=-1.77-1.350.2=-2.1,3mg=1.77N,则小钢球的重力为(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力,使得机械能减小,故选C。答案:(1)-2(2)-2.10.59(3)C4.(2022·山东等级考)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。

【解析】(1)由题意知,弹簧处于原长时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00cm。拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时。结合图乙的F-t图有Δx=5.00cm,F=0.610N根据胡克定律得k=FΔx,计算出k≈12(2)根据牛顿第二定律有F=ma,则a-F图像的斜率为滑块与加速度传感器的总质量的倒数,根据图丙中Ⅰ,则有1m=3-00.6kg-1=5kg-1,则滑块与加速度传感器的总质量为m=(3)滑块上增加待测物体,同理,根据图丙中Ⅱ,则有1m'=1.5-00.5kg-1=3kg-1,则滑块、待测物体与加速度传感器的总质量为m'=0.33kg,则待测物体的质量为Δm=答案:(1)12(2)0.20(3)0.135.(2022·全国乙卷)(5分)用雷达探测一高速飞行器的位置。从某时刻(t=0)开始的一段时间内,该飞行器可视为沿直线运动,每隔1s测量一次其位置,坐标为x,结果如表所示,回答下列问题:t/s0123456x/m050710941759250533294233(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是:

;

(2)当x=507m时,该飞行器速度的大小v=m/s;

(3)这段时间内该飞行器加速度的大小a=m/s2(保留2位有效数字)。

【解析】(1)第1s内的位移为507m,第2s内的位移为587m,第3s内的位移为665m,第4s内的位移为746m,第5s内的位移为824m,第6s内的位移为904m,则相邻1s内的位移之差接近80m,可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动。(2)当x=507m时,飞行器的速度等于0~2s内的平均速度,即v=v-=xt=10942m/s=547(3)根据a=x36-x039T2=4233-2×1759答案:(1)相邻1s内的位移之差接近80m(2)547(3)79【方法技巧】利用纸带求物体加速度的两种方法(1)逐差法:即根据x4-x1=x5-x2=x6-x3=3aT2(T为相邻两计数点之间的时间间隔),求出a1=x4-x13T2,a2=x5-x23T2,a3=x6-x33T2,再算出a1(x4(2)图像法:以打某计数点时为计时起点,利用vn=xn+xn+12T求出打各点时的瞬时速度,(2022·浙江6月选考)(1)①“探究小车速度随时间变化的规律”实验装置如图甲所示,长木板水平放置,细绳与长木板平行。图乙是打出纸带的一部分,以计数点O为位移测量起点和计时起点,则打计数点B时小车位移大小为cm。由图丙中小车运动的数据点,求得加速度为m/s2(保留两位有效数字)。

②利用图甲装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验,需调整的是。

A.换成质量更小的车B.调整长木板的倾斜程度C.把钩码更换成砝码盘和砝码D.改变连接小车的细绳与长木板的夹角(2)“探究求合力的方法”的实验装置如图丁所示,在该实验中,①下列说法正确的是;

A.拉着细绳套的两只弹簧秤,稳定后读数应相同B.在已记录结点位置的情况下,确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的两点C.测量时弹簧秤外壳与木板之间不能存在摩擦D.测量时,橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板②若只有一只弹簧秤,为了完成该实验至少需要(选填“2”“3”或“4”)次把橡皮条结点拉到O点。

【解析】(1)①依题意,打计数点B时小车位移大小为6.20cm,考虑到偶然误差,6.15~6.25cm也可;由图丙中小车运动的数据点,有a=ΔvΔt=1.05-0.300.4m/s2=1.9m/s2,考虑到偶然误差②利用图甲装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验时,需要满足小车质量远远大于钩码质量,所以不需要换质量更小的车,故A错误;利用图甲装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验时,需要利用小车重力斜向下的分力以平衡其摩擦阻力,所以需要将长木板安装打点计时器一端较滑轮一端适当高一些,故B正确;以系统为研究对象,依题意“探究小车速度随时间变化的规律”实验时有1.9m/s2≈mg-fM+m,考虑到实际情况,即f≪mg,有1.9m/s2≈mgM+m,则可知M≈4m,而利用图甲装置“探究加速度与力、质量的关系”的实验时要保证所悬挂质量远小于小车质量,即m≪M;可知目前实验条件不满足,所以利用当前装置在“探究加速度与力、质量的关系”时,需将钩码更换成砝码盘和砝码,以满足小车质量远远大于所悬挂物体的质量,故C正确;实验过程中(2)①在不超出弹簧秤的量程和橡皮条形变限度的条件下,使拉力适当大些,不必使两只弹簧秤的示数相同,故A错误;在已记录结点位置的情况下,确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的一个点就可以了,故B错误;实验中拉弹簧秤时,只需让弹簧与外壳间没有摩擦,此时弹簧秤的示数即与弹簧对细绳的拉力相等,与弹簧秤外壳与木板之间是否存在摩擦无关,故C错误;为了减小实验中摩擦对测量结果的影响,拉橡皮条时,橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板,故D正确。②若只有一只弹簧秤,为了完成该实验,用手拉住一条细绳,用弹簧秤拉住另一条细绳,互成角度地拉橡皮条,使其结点达到某一点O,记下位置O和弹簧秤示数F1和两个拉力的方向;交换弹簧秤和手所拉细绳的位置,再次将结点拉至O点,使两力的方向与原来两力方向相同,并记下此时弹簧秤的示数F2;只有一个弹簧秤将结点拉至O点,并记下此时弹簧秤的示数F的大小及方向;所以若只有一只弹簧秤,为了完成该实验至少需要3次把橡皮条结点拉到O点。答案:(1)①6.20(6.15~6.25均可)1.9(1.7~2.1均可)②B、C(2)①D②36.(2022·辽宁选择考)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(选填“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Δ