【志鸿优化设计】2022高考物理二轮总复习 专项能力训练 专题14 力学实验（含解析）

专题14　力学实验(时间:45分钟　满分:100分)1.(14分)如图甲所示,在研究弹力和弹簧伸长量的关系时,把弹簧上端固定在横梁上,下端悬吊不同重力的砝码,用刻度尺测量弹簧的长度,把弹簧的伸长Δx和弹簧弹力F的关系在FΔx坐标系中描点如图乙所示。(1)从坐标系中的实验数据可知,该弹簧的劲度系数是　　　　(精确到两位有效数字)。 (2)关于实验注意事项,以下哪项是没有必要的?(填入字母序号)　　　　。 A.悬吊砝码后,在砝码静止后再读数B.尽量减小弹簧和横梁之间的摩擦C.弹簧的受力不超过它的弹性限度2.(16分)某同学利用图甲所示的实验装置,探究物块在水平桌面上的运动规律。物块在重物的牵引下开始运动,重物落地后,物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)。从纸带上便于测量的点开始,每5个点取1个计数点,相邻计数点间的距离如图乙所示。打点计时器电源的频率为50Hz。甲乙(1)通过分析纸带数据,可判断物块在两相邻计数点　　　　和　　　　之间某时刻开始减速。 (2)计数点5对应的速度大小为　　　　m/s,计数点6对应的速度大小为　　　　m/s。(保留三位有效数字) (3)物块减速运动过程中加速度的大小为a=　　　　m/s2,若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数(g为重力加速度),则计算结果比动摩擦因数的真实值　　　　(选填“偏大”或“偏小”)。 3.(16分)某实验小组用如图甲所示的装置测量木块与木板间的动摩擦因数μ,提供的器材有:带定滑轮的长木板,打点计时器,交流电源,木块,纸带,刻度尺,8个质量均为20g的钩码以及细线等。实验操作过程如下:7\nA.长木板置于水平桌面上,带定滑轮的一端伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上并与电源连接,纸带穿过打点计时器并与木块相连,细线一端与木块相连,另一端跨过定滑轮挂上钩码,其余钩码都叠放在木块上;B.使木块靠近打点计时器,接通电源,释放木块,打点计时器在纸带上打下一系列点,记下悬挂钩码的个数n;C.将木块上的钩码逐个移到悬挂钩码端,更换纸带,重复实验操作B;D.测出每条纸带对应木块运动的加速度a,实验数据如表乙所示。(1)实验开始时,必须调节滑轮高度,保证　　　　　　; (2)根据表乙数据,在图丙中作出an图象;由图线得到μ=　　　　,还可求的物理量是　　　　(只需填写物理量名称)。 甲n45678a/(m·s-2)0.501.302.203.003.90乙丙4.(16分)(2022·武汉武昌区调研)为了验证机械能守恒定律,某同学使用如图所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过G1、G2光电门时,光束被滑行器上的挡光片遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录,滑行器连同挡光片的总质量为m0,挡光片宽度为D,两光电门中心间的距离为x,牵引砝码的质量为m,细绳不可伸长且其质量可以忽略,重力加速度为g。该同学想在水平的气垫导轨上,只利用以上仪器,在滑行器通过G1、G2光电门的过程中验证机械能守恒定律,请回答下列问题:(1)实验前应先调节气垫导轨下面的螺母,使气垫导轨水平。请在以下空白处填写实验要求。在不增加其他测量器材的情况下,调水平的步骤是:取下牵引砝码m,接通气垫导轨装置的电源,调节导轨下面的螺母,若滑行器放在气垫导轨上的任意位置都能保持静止,或者轻推滑行器,分别通过光电门G1、G2的时间　　　　,则导轨水平。 (2)当气垫导轨调水平后,在接下来的实验操作中,以下操作合理的是　　　　; A.挡光片的宽度D应尽可能选较小的7\nB.选用的牵引砝码的质量m应远小于滑行器和挡光片的总质量m0C.为了减小实验误差,光电门G1、G2的间距x应该尽可能大一些D.用来牵引滑行器的细绳可以与导轨不平行(3)在每次实验中,若表达式　　　　(用m0、g、m、Δt1、Δt2、D、x表示)在误差允许的范围内成立,则机械能守恒定律成立。 5.(18分)(2022·山东济南联考)甲某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为6V的交变电流和直流电,交变电流的频率为50Hz。重锤从高处由静止开始下落,重锤拖着的纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律。(1)他进行了下面几个操作步骤:A.按照图示的装置安装器件;B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上:C.用天平测出重锤的质量;D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;E.测量纸带上某些点间的距离;F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能其中没有必要进行的步骤是　　　　,操作不当的步骤是　　　　。(填选项字母) (2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示,其中O点为起始点,A、B、C、D、E、F为六个计数点。根据纸带上的测量数据,可得出打B点时重锤的速度为　　　　m/s。(保留3位有效数字) 乙(3)他根据纸带上的数据算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、以h为横轴画出的h图象,应是下列图中的　　　　。 7\n丙(4)他进一步分析,发现本实验存在较大误差,为此对实验设计进行了改进,用如图丙所示的实验装置来验证机械能守恒定律:通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落,下落过程中经过光电门B时,通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录挡光时间t,用毫米刻度尺测出A、B之间的距离h,用游标卡尺测得小铁球的直径d。重力加速度为g。实验前应调整光电门位置使小铁球下落过程中球心通过光电门中的激光束。则小铁球通过光电门时的瞬时速度v=　　　　。如果d、t、h、g满足关系式　　　　,就可验证机械能守恒定律。 (5)比较两个方案,改进后的方案相比原方案的最主要的优点是:　。 6.(20分)(2022·广东理综,34(2))某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系。图(a)图(b)(1)如图(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测量相应的弹簧长度,部分数据如下表。由数据算得劲度系数k=N/m(g取9.80m/s2)砝码质量(g)50100150弹簧长度(cm)8.627.636.667\n(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图(b)所示;调整导轨,使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小　　　　。 (3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度v。释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为　　　　。 (4)重复(3)中的操作,得到v与x的关系如图(c)。由图可知,v与x成　　　　关系。由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的　　　　成正比。 图(c)7\n答案与解析专题14　力学实验1.答案:(1)1.2×102N/m或1.3×102N/m　(2)B解析:(1)由胡克定律F=k·Δx知FΔx图象中的斜率即劲度系数。(2)胡克定律只在弹性限度内才成立;实验时应在砝码静止、形变量稳定时读数;弹簧和横梁之间的摩擦力对本实验没有影响。2.答案:(1)6　7(或7　6)　(2)1.00　1.20　(3)2.00　偏大解析:(1)由纸带上各点间距可以看出,6、7两点间距离最大,在计数点6之前,连续相等的时间内位移差Δx=2.00cm,而6、7两计数点间位移与前一段位移之差Δx'=x67-x56<2.00cm。故物块在两相邻计数点6和7之间开始减速。(2)根据v5=可得:v5=m/s=1.00m/s,从点2到点6段的加速度a==2.01m/s2v6=v5+aT=1.20m/s(3)物块在6、7点间加速度变化,减速过程加速度大小有a'==2.0m/s2但重物落地后,滑块向前运动时除受摩擦力作用外,纸带和限位孔之间也存在摩擦力作用,即μmg+F阻=ma,μ=,故利用μ=计算出的动摩擦因数比真实值偏大。3.答案:(1)细线与木板表面平行(2)图象如图所示　0.30(在0.29~0.33范围内均正确)　木块的质量4.答案:(1)(在误差允许的范围内)相等(2)AC(3)mgx=(m0+m)()2-(m0+m)()2解析:本题考查利用气垫导轨和光电门验证机械能守恒定律的实验,意在考查考生对机械能守恒定律的理解,以及对该实验的掌握情况。(1)由题意可知滑行器分别通过两个光电门的时间相等,即表示轨道水平。(2)由题意可得,挡光片宽度越小,速度计算越精确,选项A正确;考虑到m的作用,不需要m远小于m0,选项B错误;光电门间距更大一些,距离测量误差会减小,速度差距更大,误差会减小,选项C正确;牵引滑行器的细绳应当与导轨平行,选项D错误。(3)要使机械能守恒,以m0和m为研究对象,则需要公式mgx=(m0+m)()2-(m0+m)()2成立。5.答案:(1)C　B　(2)1.84　(3)C　(4)=gh　(5)消除了纸带与打点计时器间的摩擦影响,提高了测量的精确度,从而减小了实验误差解析:(1)要验证机械能守怛定律,需要验证mv2=mgh,则只需验证v2=gh即可,故不需要测出重锤的质量,所以没有必要进行的步骤是C。打点计时器只能使用交流电源,故操作不当的步骤是B。7\n(2)由运动学公式可知,B点的速度为vB=m/s=1.84m/s。(3)由关系式v2=gh可知,v2-h图象应是过原点的倾斜直线,故选C。(4)小铁球通过光电门的时间很短,故可用小铁球经过光电门的平均速度近似求出小铁球通过光电门的瞬时速度,即v=,代入v2=gh可得=gh。6.答案:(1)49.5~50.5　(2)相等　(3)滑块的动能　(4)正比　压缩量x的二次方解析:(1)根据题表中数据和胡克定律可得,弹簧的劲度系数k=N/m=50N/m;(2)为了探究机械能守恒定律,应保证导轨光滑,滑块离开弹簧后做匀速直线运动,即通过两个光电门的速度大小相等;(3)弹簧的弹性势能减小,滑块的动能增加,所以弹簧的弹性势能转化为滑块的动能;(4)由图象是一条过原点的倾斜直线可知,v与x成正比关系;根据弹簧的弹性势能转化为滑块的动能得,Ep=mv2,又v与x成正比,则弹性势能与弹簧的压缩量x的二次方成正比。7