专题能力提升练(十六)　力学实验-2025版高考物理二轮复习

15专题能力提升练(十六)力学实验(40分钟60分)【核心巩固练】1.(8分)(2024·哈尔滨模拟)在某星球上用如图甲所示的装置探究平抛运动的规律。在铁架台的悬点O的正下方P点处有水平放置的炽热电热丝,当悬线摆至电热丝处时立即被烧断,之后小球做平抛运动。现利用频闪数码照相机连续拍摄,在有坐标纸的背景屏前,拍下了小球做平抛运动的多张照片,经合成后,照片如图乙所示。a、b、c、d为连续四次拍下的小球位置,而后用平滑曲线连接各点得到小球做平抛运动的轨迹。已知照相机拍照的频率为20Hz。(1)根据上述信息可知,a点(选填“是”或“不是”)小球平抛的起点;(2分)

答案:(1)是【解析】(1)由题图乙可知,小球在水平方向上每两个点之间的距离相同,即运动时间相同,小球在竖直方向做匀加速运动,相同时间内运动的距离之比为1∶3∶5,故a点是平抛的起点。(2)小球在c点时的速度大小为m/s;(结果保留根式)(3分)

答案:(2)5【解析】(2)两个点之间的时间间隔为T=1f=0.水平方向上的速度为v0=xabT=竖直方向上,根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度知vcy=ybd2T小球在c点时的速度大小为vc=v02+(3)该星球表面的重力加速度大小为m/s2。(3分)

答案:(3)20【解析】(3)因为小球在竖直方向上做匀加速运动,所以g'=ΔyT2=ybc-yabT2.(8分)(2024·聊城二模)某小组利用气垫导轨装置研究力与速度的关系。如图甲所示,遮光条宽度为d,光电门可测出其挡光时间;滑块与遮光条的总质量为M,砝码盘的质量忽略不计,不计滑轮和导轨摩擦。实验步骤如下:①调节气垫导轨使其水平,并取4个质量均为m的砝码放在滑块上;②用细绳连接砝码盘与滑块,让滑块静止放在导轨右侧的某一位置;③从滑块上取出一个砝码放在砝码盘中,释放滑块后,测出遮光条经过光电门的挡光时间Δt;④再从滑块上取出一个砝码放在砝码盘中,重复步骤③,并保证滑块从同一位置由静止释放;⑤重复步骤④,直至滑块上的砝码全部放入到砝码盘中。请完成下面问题:(1)若用十分度的游标卡尺测量遮光条宽度d如图乙所示,则d=mm;(2分)

答案:(1)5.2【解析】(1)十分度游标卡尺的精确值为0.1mm,由图乙可知遮光条宽度为d=5mm+2×0.1mm=5.2mm。(2)滑块经过光电门时的速度v=(用题中所给的字母表示);(3分)

答案:(2)dΔ【解析】(2)释放滑块后,测出遮光条经过光电门的挡光时间Δt,由于挡光时间很短,可认为挡光过程的平均速度等于滑块经过光电门时的速度,则有v=dΔ(3)在本次实验过程中,砝码盘中放1个砝码与放4个砝码两种情况下,不考虑偶然误差,遮光条经过光电门时的速度之比v1∶v2=。(3分)

答案:(3)1∶2【解析】(3)在本次实验过程中,砝码盘中放1个砝码与放4个砝码两种情况下,可认为两种情况下滑块受到的合力之比为F1∶F2=1∶4,根据牛顿第二定律可知两种情况下滑块的加速度之比为a1∶a2=F1∶F2=1∶4,根据运动学公式v2=2ax,可知遮光条经过光电门时的速度之比为v1∶v2=a1∶a【加固训练】某中学实验小组为探究加速度与合力的关系,设计了如图甲所示的实验装置。主要实验步骤如下:①按图甲安装实验器材:重物用轻绳挂在动滑轮上(二者的总质量为m),其下端与纸带相连;轻绳左端与固定于天花板的力传感器相连,可以测量绳上的拉力大小,右端跨过定滑轮与质量为M的钩码连接;②接通打点计时器的电源,释放钩码,带动重物上升,在纸带上打出一系列点,记录此时力传感器的读数F;③改变钩码的质量,多次重复实验步骤②,利用纸带计算重物的加速度a,得到多组a、F数据。请回答以下问题:(1)已知打点计时器的打点周期为0.02s,某次实验所得纸带如图乙所示,M、P和P、N间各有4个点未标出,则重物的加速度大小为a=m/s2(结果保留两位有效数字)。

答案:(1)1.6【解析】(1)打点周期为0.02s,M、P和P、N间各有4个点未标出,则M、P和P、N间的运动时间为T=5×0.02s=0.1s,由逐差法有xPN-xMP=aT2,解得a=(24.02-18.81(2)实验得到重物的加速度大小a与力传感器示数F的关系如图丙所示,图像的斜率为k、纵截距为-b(b>0),则重物和动滑轮的总质量m=,当钩码与二者总质量相等时,重物的加速度大小为a=。(本问结果均用k、b表示)

答案:(2)2k【解析】(2)对重物及动滑轮由牛顿第二定律得2F-mg=ma可得a=2Fm-g,则斜率k=2m,截距绝对值解得m=2k由题图可知,钩码的加速度为重物的2倍,则Mg-F=M·2a,又M=m,解得a=g5=b3.(9分)某同学采用图甲所示装置探究“弹簧弹力与伸长量的关系”,安装好实验装置,让刻度尺与弹簧平行放置,弹簧下端连有水平指针。实验时,在弹簧下端逐个加挂钩码,静止时,记下钩码个数n及指针所指刻度L,填入表格。n123456L(cm)25.8527.8429.6531.7833.936.02请回答下列问题:(1)表中有一个数值记录不规范,是挂个钩码时的读数;(2分)

答案:(1)5【解析】(1)根据表格中数据可知,刻度尺的精度为0.1cm,读数时,若单位为cm,则需要保留两位小数,可知,表中有一个数值记录不规范,是挂5个钩码时的读数。(2)为减小误差,采用逐差法计算弹簧伸长量。利用ΔLn=Ln+3-Ln(n=1,2,3)计算弹簧的伸长量:ΔL1=5.93cm,ΔL2=6.06cm,ΔL3=6.37cm,伸长量的平均值ΔL=ΔL1+Δ答案:(2)6.12【解析】(2)伸长量的平均值ΔL=ΔL1+Δ(3)实验中,每个钩码的质量均为m=50.0g,g取9.8m/s2,该弹簧的劲度系数为N/m(结果保留3位有效数字);(2分)

答案:(3)24.0【解析】(3)结合上述,采用逐差法计算弹簧伸长量。计算弹簧的伸长量是利用表达式ΔLn=Ln+3-Ln(n=1,2,3),可知,该伸长量对应的弹力等于三个钩码的重力,根据胡克定律有3mg=kΔL,结合上述解得k≈24.0N/m,(4)图乙是同学根据另一次实验数据描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线,图线的AB段明显偏离直线OA,造成这种现象的主要原因是

。(3分)

答案:(4)所挂钩码过多,弹簧超过了弹性限度【解析】(4)图线的AB段明显偏离直线OA,造成这种现象的主要原因是所挂钩码过多,弹簧超过了弹性限度。4.(8分)小鹏用智能手机来研究物体做圆周运动时向心加速度和角速度、半径的关系。如图甲,圆形水平桌面可通过电机带动绕其圆心O转动,转速可通过调速器调节,手机到圆心的距离也可以调节。小鹏先将手机固定在桌面某一位置M处,通电后,手机随桌面转动,通过手机里的软件可以测出加速度和角速度,调节桌面的转速,可以记录不同时刻的加速度和角速度的值,并能生成如图乙所示的图像。(1)由图乙可知,t=60.0s时,桌面的运动状态是(填字母编号);(2分)

A.静止B.匀速圆周运动C.速度增大的圆周运动D.速度减小的圆周运动答案:(1)B【解析】(1)由题图乙可知,t=60.0s时,加速度大小不变,角速度大小也不变,所以此时桌面在做匀速圆周运动,所以B正确,A、C、D错误。(2)仅由图乙可以得到的结论是:

。(2分)

答案:(2)半径一定,角速度大小不变时,加速度大小也不变;角速度增大时,加速度也增大【解析】(2)由题图乙可以看出,加速度和角速度的变化曲线大致一样,所以可以得到的结论是:半径一定,角速度大小不变时,加速度大小也不变;角速度增大时,加速度也增大。(3)若要研究加速度与半径的关系,应该保持不变,改变,通过软件记录加速度的大小,此外,还需要的测量仪器是。(4分)

答案:(3)转速(或角速度)手机到圆心的距离刻度尺【解析】(3)手机做圆周运动的加速度为a=ω2r=4π2n2r,若要研究加速度与半径的关系,应该保持转速(或角速度)不变,改变手机到圆心的距离;所以还需要的测量仪器是刻度尺。【培优创新练】5.(9分)(2024·泰安模拟)某同学利用如图所示装置研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒。(1)(多选)下列要求和操作正确的是;(2分)

A.斜槽末端要水平B.斜槽表面要光滑C.小球落到的地面要水平D.用秒表记录小球下落时间答案:(1)A、C【解析】(1)为了保证小球做平抛运动,斜槽末端需要调节水平,故A正确;只要保证小球每次从斜槽同一位置由静止释放,小球碰撞前的速度就一样,斜槽轨道是否光滑不影响实验,故B错误;本实验需要测量小球做平抛运动的水平位移,故小球落到的地面要水平,故C正确;小球做自由落体运动的高度一样,所用时间一样,不需要用秒表记录小球下落时间,故D错误。(2)小球1与被碰小球2应该选择:质量m1m2、半径R1R2;(均选填“大于”“等于”或“小于”)(2分)

答案:(2)大于等于【解析】(2)为了保证小球1与被碰小球2碰撞后小球1不会反弹,需要m1大于m2的小球;为了保证小球1与被碰小球2发生对心碰撞,需要半径R1等于R2的小球。(3)小球1、2的质量分别为m1、m2,用刻度尺分别测量三个落点的平均位置与O点的距离,即线段OM、OP、ON的长度L1、L2、L3,当满足关系式时,说明碰撞过程中动量守恒;(2分)

答案:(3)m1L2=m1L1+m2L3【解析】(3)根据平抛运动规律可知,落地高度相同,则运动时间相同,设下落时间为t,则v0=OPt=L2t,v1=OMt=L1t,而动量守恒的表达式为m1v0=m1v1+m2v2联立可得当满足关系式m1L2=m1L1+m2L3,说明碰撞过程中动量守恒。(4)将小球1从斜槽上某点(作标记)滚下,直接离开斜槽落地称为第一次操作;小球1从斜槽上原位置(标记处)滚下,跟小球2碰撞后离开斜槽落地称为第二次操作;如果在第二次操作时,发现在第一次操作中槽的末端是不水平的,有些向上倾斜,于是把它调为水平,调整后的斜槽末端离地面高度跟原来相同。然后让小球在斜槽上原标记位置滚下进行第二次操作,分析时仍然和第一次操作的数据进行比较,其他实验操作都正确,且调节斜槽引起小球在空中运动时间的变化可忽略不计。该实验可能会得到怎样的结果并说明理由:

。(3分)

答案:(4)碰撞前的总动量小于碰撞后的总动量。理由见解析。【解析】(4)该实验可能会得到的结果是:碰撞前的总动量小于碰撞后的总动量;由于槽的末端不是水平的,而是有些向上倾斜,那么小球抛出后做斜抛运动,水平速度变小,且小球在空中运动时间的变化可忽略不计,所以第一次小球的水平位移变小,即L2'<L2,则有m1L2'<m1L2=m1L1+m2L3,故可能会得到碰撞前的总动量小于碰撞后的总动量。【加固训练】如图所示,在水平平台上静止放置一轻弹簧,弹簧左端与固定竖直挡板拴接,弹簧处于原长时标记右端对应平台台面上的O点,在O点右侧的A处固定一个光电门。已知水平平台摩擦很小可忽略不计,当地重力加速度为g。某同学利用该装置进行“验证动量守恒定律”实验,具体步骤如下:①在小滑块a上固定一个宽度为d的挡光片;②用天平分别测出小滑块a和b的质量ma、mb;③使小滑块a向左压缩轻弹簧到某一位置O1,标记该位置后,由静止释放小滑块a,a瞬间被弹开后沿平台向右运动,经过光电门后与另一小滑块b发生正碰,碰后两滑块先后从平台边缘飞出,分别落在水平地面的B、C点;④记录小滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t;⑤用刻度尺测出O、O1之间的距离l、平台距水平地面的高度h及平台边缘铅垂线分别与B、C点之间的水平距离sb、sa;⑥改变弹簧压缩量,进行多次测量。(1)若满足表达式(用题目中给定的字母表示),则说明小滑块a、b正碰过程动量守恒;

答案:(1)madt=masag2ℎ+【解析】(1)小滑块a到达光电门的速度为v=dt,之后滑块a与滑块b发生碰撞,碰后两滑块将做平抛运动,竖直方向有h=12gt'2,水平方向有s=v't',整理有v'=st',所以碰撞后,滑块a的速度为va=sag2ℎ,滑块b的速度为vb=sbg2ℎ,由于动量守恒有mav=mava+mbvb,整理有madt=m(2)该同学利用图像分析O、O1之间的距离l与小滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t之间的数值关系,利用描点法作出如图乙所示的图像,是一条过原点的直线,该图像纵轴表示l,则横轴表示(选填“t”“1t”或“1t2”)。若该图像的斜率为c,则由图乙可求得该轻弹簧的劲度系数k=。(弹簧的弹性势能可表示为Ep=12kx2,其中答案:(2)1t【解析】(2)由题意可知,l为弹簧的形变量,结合题意可知,弹簧的弹性势能为Ep弹=12kl2,由能量守恒有Ep弹=12mav2=12ma(dt)2,整理有l=dma由上述分析可知,图像的斜率为c=dmak,故k=6.(9分)(2024·合肥二模)如图(a)所示,某兴趣小组用单摆测量重力加速度。选用的实验器材有:智能手机、小球、细线、铁架台、夹子、游标卡尺、刻度尺等,实验操作如下:①用夹子将细线上端固定在铁架台上,将小球竖直悬挂;②用刻度尺测出摆线的长度为l,用游标卡尺测出小球直径为d;③将智能手机置于小球平衡位置的正下方,启用“近距秒表”功能;④将小球由平衡位置拉开一个角度(θ<5°),由静止释放,软件同时描绘出小球与手机间距离随时间变化的图像,如图(b)所示。请回答下列问题:(1)根据图(b)可知,单摆的周期T=s。(3分)

答案:(1)2【解析】(1)根据单摆的运动规律,一个周期内应该有两个小球与手机间距离的最小值。由图(b)可得出,单摆的周期为T=2s。(2)改变摆线长度l,重复步骤②、③、④的操作,可以得到多组T和l的值,进一步描绘出如图(c)的图像,则该图像以(选填“1T”“T”或“T2”)为横轴,若图线的斜率为k,则重力加速度的测量值为答案:(2)T24π2k【解析】(2)根据T=2πl+d2g,可得l=g4结合图(c)的图像,可知该图像以T2为横轴。若图线的斜率为k,则k=g4π2,可知重力加速度的测量值为g=4π7.(9分)小华用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。已知重物A(含挡光片)、B的质量分别为mA和mB(mB>mA),挡光片的宽度为d,重力加速度为g。(1)下列实验操作步骤,正确顺序是。