高考物理一轮复习考点13-实验：探究平抛运动的特点-探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系

实验：探究平抛运动的特点探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系考点13[题组一基础与经典题]1．某兴趣小组探究平抛运动的特点，尝试将平抛运动分解为水平方向的分运动和竖直方向的分运动。(1)在如图甲所示的实验中，用小锤击打弹性金属片，A球水平抛出，同时B球被释放，自由下落，由两球撞击水平地面的声音判断出两球同时落地。改变装置的高度和小锤击打的力度，多次实验，发现两球仍然同时落地，由此可初步得出结论：平抛运动的________。A．竖直分运动是自由落体运动B．水平分运动是匀速直线运动C．竖直分运动是自由落体运动，水平分运动是匀速直线运动A(2)用如图乙所示的装置进行定量研究。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点水平飞出，由于挡板MN靠近硬板一侧较低，钢球落到挡板上后，就会挤压复写纸，在白纸上留下印迹。上下调节挡板，通过多次实验，在白纸上记录钢球所经过的多个位置。取平抛运动的起始点为坐标原点O，建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。下列操作正确的有________。A．钢球静置于Q点时，取钢球的球心作为坐标原点OB．确定y轴时，需要y轴与重垂线平行C．可以将重垂线当作尺直接画出y轴D．应该先确定x轴，再确定y轴AB

解析(1)A球水平抛出，同时B球被释放，自由下落，多次实验，由两球撞击水平地面的声音判断出两球始终同时落地，说明平抛运动的竖直分运动是自由落体运动，而不能由此得出平抛运动的水平分运动的性质，故A正确。(2)钢球静置于Q点时，钢球球心处即平抛运动的起始点，则取钢球的球心作为坐标原点O，A正确；确定y轴时，需要y轴与重垂线平行，B正确；由于重垂线是柔软的且可以摆动，不可以将重垂线当作尺直接画出y轴，C错误；本实验确定x轴、y轴无先后之分，D错误。解析解析2．向心力演示器如图所示，用来探究小球做圆周运动所需向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。两个变速塔轮通过皮带连接，匀速转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮1和变速塔轮2匀速转动，槽内的钢球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对钢球的压力提供钢球做匀速圆周运动的向心力，钢球对挡板的反作用力，通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比值。如图是探究过程中某次实验时装置的状态。(1)在研究向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系时我们主要用到了物理学中的________。A．理想实验法

B．等效替代法C．控制变量法

D．演绎法(2)图中所示，若两个钢球质量和运动半径相等，则是在研究向心力的大小F与________的关系。A．钢球质量m

B．运动半径r

C．角速度ωC

C

(3)图中所示，若两个钢球质量和运动半径相等，图中标尺上红白相间的等分格显示出钢球1和钢球2所受向心力的比值为1∶4，则与皮带连接的变速塔轮1和变速塔轮2的半径之比为________。A．2∶1 B．1∶2C．4∶1 D．1∶4A解析(1)在研究向心力F的大小与质量m、角速度ω和半径r多个因素之间的关系时，我们主要用到了物理学中的控制变量法，故C正确。(2)题图所示实验中，若两个钢球质量和运动半径相等，根据控制变量法可知，是在研究向心力的大小F与角速度ω的关系，故C正确。(3)钢球1和钢球2所受向心力的比值为1∶4，质量和做圆周运动的半径相等，根据F＝mω2r可知两球角速度之比为1∶2；由于钢球与塔轮同轴转动，可知变速塔轮1与变速塔轮2的角速度之比为1∶2；皮带连接的变速塔轮1和变速塔轮2的线速度相等，根据v＝ωr，可知，与皮带相连接的变速塔轮1和变速塔轮2的半径之比为2∶1，故A正确。解析3．某兴趣小组用如图甲所示的装置与传感器结合验证向心力的表达式。实验时用手拨动旋臂产生圆周运动，力传感器和光电门固定在实验器上，实时测量向心力和角速度的大小。(1)电脑通过光电门测量挡光杆通过光电门的时间，并由挡光杆的宽度d、挡光杆通过光电门的时间Δt、挡光杆做圆周运动的半径r，自动计算出砝码做圆周运动的角速度，则其计算角速度的表达式为________。(2)图乙中①②两条曲线为相同半径、不同质量下向心力与角速度的关系图线，由图可知曲线①对应的砝码质量________(填“大于”或“小于”)曲线②对应的砝码质量。(3)为了进一步明确向心力和角速度的关系，可以作哪两个量之间关系的图像？________________________________________。小于

作向心力和角速度平方之间的关系图像

解析[题组二高考真题]4．(2021·全国乙卷)某同学利用图a所示装置研究平抛运动的规律。实验时该同学使用频闪仪和照相机对做平抛运动的小球进行拍摄，频闪仪每隔0.05s发出一次闪光，某次拍摄后得到的照片如图b所示(图中未包括小球刚离开轨道的影像)。图中的背景是放在竖直平面内的带有方格的纸板，纸板与小球轨迹所在平面平行，其上每个方格的边长为5cm。该同学在实验中测得的小球影像的高度差已经在图b中标出。完成下列填空：(结果均保留2位有效数字)(1)小球运动到图b中位置A时，其速度的水平分量大小为______m/s，竖直分量大小为________m/s。(2)根据图b中数据可得，当地重力加速度的大小为________m/s2。1.02.09.7

解析5．(2020·天津高考)某实验小组利用图1所示装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放一起固定在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边ab与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。(1)为了正确完成实验，以下做法必要的是________。A．实验时应保持桌面水平B．每次应使钢球从静止开始释放C．使斜面的底边ab与桌边重合D．选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面AB

(2)实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动0.2m，在白纸上记录了钢球的4个落点，相邻两点之间的距离依次为15.0cm、25.0cm、35.0cm，示意如图2。重力加速度g＝10m/s2，钢球平抛的初速度为________m/s。(3)图1装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是_________________

________。2

方便将木板调整到竖直平面解析6.(2019·浙江4月选考)采用如图所示的实验装置做“研究平抛运动”的实验。(1)实验时需要下列哪个器材________。A．弹簧秤

B．重锤线

C．打点计时器B

(2)做实验时，让小球多次沿同一轨道运动，通过描点法画出小球平抛运动的轨迹。下列的一些操作要求，正确的是________。A．每次必须由同一位置静止释放小球B．每次必须严格地等距离下降记录小球位置C．小球运动时不应与木板上的白纸相接触D．记录的点应适当多一些ACD

D解析7．(2015·全国卷Ⅰ)某物理小组的同学设计了一个粗测玩具小车通过凹形桥最低点时的速度的实验。所用器材有：玩具小车、压力式托盘秤、凹形桥模拟器(圆弧部分的半径为R＝0.20m)。完成下列填空：(1)将凹形桥模拟器静置于托盘秤上，如图a所示，托盘秤的示数为1.00kg。(2)将玩具小车静置于凹形桥模拟器最低点时，托盘秤的示数如图b所示，该示数为________kg。(3)将小车从凹形桥模拟器某一位置释放，小车经过最低点后滑向另一侧。此过程中托盘秤的最大示数为m；多次从同一位置释放小车，记录各次的m值如下表所示：序号12345m(kg)1.801.751.851.751.901.40

(4)根据以上数据，可求出小车经过凹形桥最低点时对桥的压力为________N；小车通过最低点时的速度大小为________m/s。(重力加速度大小取9.80m/s2，计算结果保留两位有效数字)7.91.4解析[题组三模拟题]8．(2021·广东省深圳、汕头、潮州、揭阳名校高三上联考)北京将是首个举办过夏季奥运会和冬奥会的城市，花样滑冰是冬奥会上一个极具观赏性的比赛项目，小明和小乐同学在观看双人花样滑冰比赛时，看到男运动员拉着女运动员的手以男运动员为轴旋转(如图a所示)，他们开始讨论运动员旋转快慢跟什么条件有关，于是就设计了一个实验来探究影响运动员旋转周期的因素。他们在实验室准备了铁架台、拴有细绳的小钢球、毫米刻度尺和停表，已知当地的重力加速度为g，实验操作步骤如下：偶然误差

男运动员的肩膀到女运动员重心的竖直高度

解析9．(2021·湖北省十一校考试联盟高三上联考)“研究平抛物体的运动”实验的装置如图甲所示。钢球从斜槽上滚下，经过水平槽飞出后做平抛运动。每次都使钢球从斜槽上同一位置由静止滚下，在小球运动轨迹的某处用带孔的卡片迎接小球，使球恰好从孔中央通过而不碰到边缘，然后对准孔中央在白纸上记下一点。通过多次实验，在竖直白纸上记录钢球所经过的多个位置，用平滑曲线连起来就得到钢球做平抛运动的轨迹。(1)实验所需的器材有：白纸、图钉、平板、铅笔、斜槽、小球、重垂线、有孔的卡片，除此之外还需要的一项器材是________。A．天平

B．停表

C．刻度尺(2)如图乙所示是在实验中记录的一段轨迹。g取10m/s2，则小球平抛的初速度v0＝________m/s，小球抛出点的位置坐标x＝________cm，y＝________cm。C

2.0－10－1.25(3)一同学在实验中采用了如图丙所示的方法，主要步骤如下：a．在一块平木板上钉上复写纸和白纸，然后将其竖直立于斜槽轨道末端槽口前，木板与槽口之间有一段距离，并保持板面与轨道末端的水平段垂直；b．使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，小球撞到木板在白纸上留下痕迹A；c．将木板沿水平方向向右平移一段距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，小球撞到木板在白纸上留下痕迹B；d．将木板再水平向右平移同样距离x，使小球仍从斜槽上紧靠挡板处由静止滚下，再在白纸上得到痕迹C。该同学对上述实验过程进行了深入的研究，并得出如下的结论，其中正确的是________(单选)。A．小球打在B点时的动量与打在A点时的动量的差值为Δp1，小球打在C点时的动量与打在B点时动量的差值为Δp2，则应有Δp1∶Δp2＝1∶1B．小球打在B点时的动量与打在A点时的动量的差值为Δp1，小球打在C点时的动量与打在B点时动量的差值为Δp2，则应有Δp1∶Δp2＝1∶2C．小球打在B点时的动能与打在A点时的动能的差值为ΔEk1，小球打在C点时的动能与打在B点时动能的差值为ΔEk2，则应有ΔEk1∶ΔEk2＝1∶1D．小球打在B点时的动能与打在A点时的动能的差值为ΔEk1，小球打在C点时的动能与打在B点时动能的差值为ΔEk2，则应有ΔEk1∶ΔEk2＝1∶3A解析(3)根据动量定理，有mv2－mv1＝mgt，由于留下痕迹A时与留下痕迹B时小球的水平位移，与留下痕迹B时与留下痕迹C时小球的水平位移相