【创新设计】（山东专用）2022高考物理二轮专题辅导训练 专题5 第11讲 常考问题四 力学创新拓展实验（含解析）

常考问题四　力学创新拓展实验11．(实验器材的等效替换)(2022·广东卷，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．(1)如图5－11－23(a)所示，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)8.627.636.66(2)取下弹簧，将其一端固定于气垫导轨左侧，如图5－11－23(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5－11－23(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5－11－23解析　(1)据F1＝mg＝k(x0－x1)，F2＝2mg＝k(x0－x2)，有：ΔF＝F2－F1＝k(x1－x2)，则k＝N/m＝49.5N/m，同理可以求得：k′＝N/m＝50.5N/m，则劲度系数为：＝＝50N/m.(2)使滑块通过两个光电门时的速度相等，则可以认为滑块离开弹簧后做匀速直线运动．(3)弹性势能转化为滑块的动能．(4)由于v－x图线是过原点的倾斜直线，所以v与x成正比；弹性势能转化为动能，即E弹＝mv2，即弹性势能与速度平方成正比，则弹性势能与压缩量平方成正比．答案　(1)50　(2)相等　(3)滑块的动能　(4)正比　压缩量的平方12．(实验结论的拓展延伸)图5－11－24物理兴趣小组的同学现用图5－11－24所示的实验装置“研究匀变速直线运动”：表面粗糙的木板固定在水平桌面上，打点计时器使用的交流电源的频率为50-3-\nHz，小车到滑轮的距离大于钩码到地面之间的距离．实验时先用手固定小车，挂上适量的钩码，接通打点计时器的电源，释放小车，小车在钩码的作用下开始做匀加速运动，打点计时器在纸带上打出一系列的点．钩码落地后，小车继续在木板上向前运动．图5－11－25是钩码落地后打点计时器打出的一段纸带，相邻两计数点之间的时间间隔为T＝0.1s，解答下列问题(计算结果保留两位有效数字)：图5－11－25(1)他们已计算出小车在通过计数点1、2、3、4、5、6的瞬时速度，并填入了下表，以0点为计时起点，根据表中的数据请你在图5－11－26中作出小车的v－t图象.各计数点的瞬时速度单位(m/s)v1v2v3v4v5v60.4120.3640.3140.2640.2150.165(2)由所作的v－t图象可判断出小车做________(选填“匀速直线运动”或“匀变速直线运动”或“不能判断”)．图5－11－26(3)根据图象可求得钩码落地后小车的加速度a＝________m/s2.(4)若小车的质量m＝1kg，则小车与木板之间的动摩擦因数μ＝______(g＝10m/s2)．解析　(1)所作的图象如图所示．(2)所作的v－t图象为一条倾斜的直线，所以小车做匀变速直线运动．(3)v－t图象的斜率表示小车的加速度．为求直线的斜率可在直线上取两个距离较远的点，如(0.2,0.364)、(0.6,0.165)，根据图象斜率的物理意义有：a＝k＝m/s2＝－0.50m/s2，负号表示小车做匀减速直线运动．(4)钩码落地后，小车在水平面上只受摩擦力的作用，做匀减速直线运动，根据牛顿第二定律有a＝－，由此可得μ＝－＝＝0.05.答案　(1)所作图象如解析图所示(2)匀变速直线运动(3)－0.50(－0.45～－0.53均正确)(4)0.05(0.045～0.053均正确)13．(试题情景及实验设计形式上的创新)图5－11－27(2022·山东潍坊4月模拟)用如图5－11－27所示实验装置测量滑块A与木板间的动摩擦因数．长木板水平固定，细线跨过定滑轮与滑块A、重锤B相连．将细线拉直，测出B离地面的高度h，将重锤从h高处静止释放，B落地后，测出A在木板上滑动的距离x；改变B释放高度重复实验，实验数据如下表所示，-3-\n实验次数123456h/cm10.015.020.025.030.035.0x/cm14.722.430.337.644.952.4(1)若测得A的质量mA＝3kg，B的质量mB＝1kg，A和B间细线的长度L＝112.0cm，木板的长度l＝98.0cm，要达实验目的，以上四个量中没有必要测量的是______(用四个物理量的符号表示)；(2)作出x随h变化的图象；(3)由图象并结合①中所测数值求得滑块与木板间的动摩擦因数为________．解析　(1)对A、B两滑块在B下落h的过程中列动能定理方程得：mBgh－μmAgh＝(mA＋mB)v2①对A滑块再滑行x过程列动能定理方程得μmAgx＝mAv2②解①②方程可得：x＝h，故没有必要测量的是L、l.(2)x－h图象如图所示．(3)图象的斜率k＝，可得μ＝0.2答案　(1)L、l　(2)如图所示　(3)0.2力学创新类实验主要有以下几个考向1．实验器材的等效替换也是高考创新实验设计的主要思路之一，从近几年的高考命题来看，在测量物体的速度时常涉及实验器材的等效替换，如利用光电门替代纸带来测量物体的加速度、速度，还有利用闪光照相机等替代打点计时器．2．通过纸带求出小车的加速度，然后再利用牛顿第二定律求出小车与木板间的动摩擦因数，这是一种实验结论的外延，从近几年的力学实验来看，通过实验结论求动摩擦因数是实验设置的一个热点，且主要出现在两个地方，一是伴随着研究匀变速直线运动的实验出现，二是伴随着验证牛顿运动定律实验出现．3．有一些实验题虽然在试题的情境上进行了创新，但其使用的实验原理和实验处理方法仍然不变，因此，对于创新型实验的处理，最根本的还是要把其从新情境中抽出来，找出与常规实验的相同之处，然后运用熟悉的实验原理和实验数据处理方法进行处理．-3-