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1、专题强化练(十六)力学实验及创新(满分:100分时间:45分钟)(共8小题,14题每题12分,58题每题13分,共100分)1.(考点1)(2019河北邯郸模拟)某同学在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验时,打点计时器所用电源的频率是50 Hz,在实验中得到一条点迹清晰的纸带,他把某一点记作O,再依次选6个点作为计数点,分别标以A、B、C、D、E和F,如图甲所示。(1)由实际的纸带测得C、D两点相距2.70 cm,D、E两点相距2.90 cm,则在打D点时小车的速度是 m/s。(2)该同学分别算出打各点时小车的速度,然后根据数据在v-t坐标系中描好点,请在图乙中作出小车的v-t图象,并求
2、出小车的加速度a= m/s2。解析(1)vD=CD+DE2T=1.4 m/s。(2)v-t图象如图所示。由图象的斜率知a=vt=5 m/s2。答案(1)1.4(2)v-t图象见解析图52.(考点1)(2019天津检测)小王同学在探究加速度与力、质量的关系时,小车及砝码的质量用M表示,沙桶及沙的质量用m表示,小车的加速度可由小车后拖动的纸带计算出。(1)往沙桶中加入一定量的沙子,当M与m的大小关系满足时,可近似认为绳对小车的拉力大小等于沙桶和沙的重力;在释放小车(选填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源,在纸带上打出一系列的点。(2)在平衡摩擦力后,他用打点计时器打出的纸带的一段如图甲所示,
3、该纸带上相邻两个计数点间还有4个点未标出,打点计时器使用交变电流的频率是50 Hz,则小车的加速度大小是 m/s2,当打点计时器打B点时小车的速度是 m/s。(结果保留三位有效数字)(3)小张同学用同一装置做实验,他们俩在同一坐标系中画出的a-F关系图线如图乙所示,小张和小王同学做实验,哪一个物理量是不同的。解析(1)小车实际的加速度为a=mgM+m,绳子拉力为F=Ma=mg1+mM,因此只有当mM时,拉力F才近似等于mg;实验中应先接通电源再释放小车。(2)a=xBD-xOB4T2=0.390 m/s2,vB=xAC2T0.377 m/s。(3)图线的斜率为小车及砝码的总质量的倒数,因此小张
4、和小王同学做实验所用的小车及砝码的总质量不同。答案(1)mM之前(2)0.3900.377(3)小车及砝码的总质量3.(考点2)(2017全国卷)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,将画有坐标轴(横轴为x轴,纵轴为y轴,最小刻度表示1 mm)的纸贴在水平桌面上,如图(a)所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外),另一端P位于y轴上的A点时,橡皮筋处于原长。(1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O,此时拉力F的大小可由测力计读出。测力计的示数如图(b)所示,F的大小为 N。(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个测力计同时拉橡皮筋,再
5、次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向,由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1=4.2 N和F2=5.6 N。()用5 mm长度的线段表示1 N的力,以O为作用点,在图(a)中画出力F1、F2的图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合;图(a)图(b)()F合的大小为 N,F合与拉力F的夹角的正切值为。若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内,则该实验验证了力的平行四边形定则。解析(1)题图(b)中弹簧测力计的精度为0.2 N,则示数为4.0 N;(2)用5 mm长的线段表示1 N的力,F2对应的长度为2.8 cm,F1对应的长度为2
6、.1 cm,根据平行四边形定则作出的图形如答案图所示;测出F合的长度为1.9 cm,则F合的大小为3.8 N,如图F合、F及F构成的三角形,F的长度约0.1 cm,此三角形可近似看作直角三角形,则F合与拉力F的夹角的正切值tan =0.11.9=0.05。答案(1)4.0(2)()F1、F2和F合如图所示()3.80.054.(考点2)(2019广西钦州三模)如图甲,某实验小组采用常规方案验证动量守恒定律。实验完成后,该小组又把水平木板改为竖直木板再次实验,如图乙所示。图中小球半径均相同、质量均已知,且mAmB,B、B两点在同一水平线上。(1)若采用图甲所示的装置,实验中还必须测量的物理量是。
7、(2)若采用图乙所示的装置,下列说法正确的是。A.必须测量BO、BN、BP和BM的距离B.必须测量BN、BP和BM的距离C.若mABP=mABM+mBBN,则表明此碰撞动量守恒D.若mABN=mABM+mBBP,则表明此碰撞动量守恒解析(1)如果采用图甲所示装置,由于小球平抛运动的时间相等,故可以用水平位移代替速度进行验证,实验需要测量:OM、OP、ON的距离;(2)如果采用图乙所示装置时,利用水平距离相等,根据下落的高度可确定飞行时间,从而根据高度可以表示出对应的水平速度,从而确定动量是否守恒,故不需要测量BO、BN、BP和BM的距离,需要测量BN、BP和BM的距离,故A错误,B正确;小球碰
8、后做平抛运动,速度越快,下落高度越小,单独一个球下落时,落点为P,两球相碰后,落点分别为M和N,根据动量守恒定律有:mAv=mAv1+mBv2,而速度v=Lt,根据h=12gt2可得,t=2hg,则可解得:v=BB2BPg,v1=BB2BMg,v2=BB2BNg;代入动量守恒表达式,得mABP=mABM+mBBN,故C正确,D错误。故选BC。答案(1)OM、OP、ON的距离(2)BC5.(考点3)(2019山东聊城二模)某实验小组用如图所示的器材验证“力的平行四边形定则”。在水平的圆形桌面上平铺一张白纸,在桌子边缘安装三个光滑的滑轮,其中滑轮P1固定在桌子边,滑轮P2、P3可沿桌边移动。步骤如
9、下:A.在三根轻绳下挂上一定数量的钩码,调整滑轮P2、P3位置并使结点O静止;B.在白纸上描下O点的位置和三根绳子的方向,以O点为起点,用同一标度作出三个拉力的图示;C.以绕过滑轮P2、P3绳的两个力为邻边作平行四边形,作出以O点为起点的平行四边形的对角线,量出对角线的长度;D.检验对角线的长度和绕过滑轮P绳拉力的图示的长度是否一样,方向是否在一条直线上。(1)第一次实验中,若一根绳挂的钩码质量为m,另一根绳挂的钩码质量为2m,则第三根绳所挂的钩码质量M应满足关系。(2)第二次实验时,改变滑轮P2、P3的位置和相应绳上钩码的数量,使结点平衡,绳的结点(选填“必须”或“不必”)与第一次实验中白纸
10、上描下的O点重合。实验中,若桌面倾斜,(选填“会”或“不会”)影响实验的结论。解析(1)若一根绳挂的质量为m,另一根绳挂的质量为2m,则两绳子的拉力分别为:mg、2mg,两绳不共线,两绳子拉力的合力F的范围是:2mg-mgF2mg+mg,即mgF3mg;三力的合力为零,则第三根绳拉力范围为mgF33mg,第三根绳挂的钩码质量mM3m。(2)本实验不是先用一根绳拉,然后用两根绳去拉,使一根绳拉力的作用效果与两根绳拉力的作用效果相同,而是三根绳都直接拉O点,所以O点的位置可以改变。若桌面不水平,绳中拉力仍等于钩码重力,对实验以及实验结论无影响。答案(1)mM3m(2)不必不会6.(考点3)(201
11、9湖北荆州二模)用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能。将弹簧放置在水平气垫导轨上,左端固定,右端在O点;在O点右侧的B、C位置各安装一个光电门,计时器(图中未画出)与两个光电门相连。先用米尺测得B、C两点间距离s,再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A,然后由静止释放,计时器显示遮光片从B到C所用的时间t,用米尺测量A、O之间的距离x。(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是v=。(2)为求出弹簧的弹性势能,还需要测量。(填字母序号)A.弹簧原长B.当地重力加速度C.滑块(含遮光片)的质量(3)若气垫导轨左端比右端略高,弹性势能的测量值与真实值比较将(填字母序号)。A.偏大B.偏小C.相等解析
12、(1)滑块离开弹簧后的运动可视为匀速运动,故可以用BC段的平均速度表示离开时的速度。有v=st;(2)弹簧的弹性势能等于物体增加的动能,故应求出物体的动能,根据动能表达式可知,应测量滑块的质量。故选C;(3)若气垫导轨左端比右端略高,导致通过两光电门的时间将减小,那么测得的速度偏大,因此弹性势能的测量值也偏大。故选A。答案(1)st(2)C(3)A7.(考点3)(2019安徽黄山二模)某同学利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图所示。气垫导轨倾斜固定在水平桌面上,导轨A点处有一带挡光片的滑块,滑块与挡光片的总质量为M,挡光片的宽度为d,滑块通过细线跨过光滑的定滑轮与两个相同的钩码相连,连
13、接滑块的一段细线与导轨平行,每个钩码的质量为m。开启气泵,滑块恰好能静止于A点。导轨上B点处固定一个光电门,挡光片到光电门的距离为L(L小于钩码到定滑轮的距离)。已知当地重力加速度为g。(1)该同学用游标卡尺测出挡光片的宽度d=0.952 cm,则该同学用的游标卡尺是分度(选填“10”“20”或“50”)。(2)某时刻只撤去钩码2,让滑块从A点静止开始运动,已知光电门记录挡光片挡光时间为t,则滑块通过B点的瞬时速度为(用题目中所给的物理符号表示)。(3)在滑块从A点运动到B点的过程中,为了验证滑块与钩码1组成的系统机械能守恒,需要验证的关系式为(用题目中所给的物理符号表示)。解析(1)10分游
14、标卡尺将9 mm等分成10份,每份0.9 mm,和主尺一格差0.1 mm,精度0.1 mm;20分游标卡尺将19 mm等分成20份,每份0.95 mm,和主尺一格差0.05 mm,精度0.05 mm;50分游标卡尺将49 mm等分成50份,每份0.98 mm,和主尺一格差0.02 mm,精度0.02 mm;游标卡尺读数的方法,主尺读数加上游标读数,不需估读,所以该同学用游标卡尺测出遮光片的宽度d=0.952 cm=9.52 mm,用的游标卡尺是50分度。(2)极短时间内的平均速度等于瞬时速度,则滑块通过B点的瞬时速度为v=dt。(3)开启气泵,滑块恰好能静止于A点,根据平衡条件则有:Mgsin
15、 =2mg;只撤去钩码2,让滑块从A点静止开始运动,系统重力势能的减小量为Ep=MgLsin -mgL=mgL,动能的增加量为:Ek=12(M+m)v2=12(M+m)dt2,为了验证滑块与钩码1组成的系统机械能守恒,需要验证的关系式为Ek=Ep,即mgL=12(M+m)dt2。答案(1)50(2)dt(3)mgL=12(m+M)dt28.(考点3)(2019广东肇庆二模)用如图甲所示装置来探究功和动能变化的关系,木板上固定两个完全相同的遮光条A、B,用不可伸长的细线将木板通过两个滑轮与弹簧测力计C相连,木板放在安装有定滑轮和光电门的轨道D上,轨道放在水平桌面上,P为小桶(内有沙子),滑轮质量
16、、摩擦不计。(1)实验中轨道应倾斜一定角度,这样做的目的是。(2)用游标卡尺测量遮光条的宽度,如图乙所示,则遮光条的宽度d= cm。(3)实验主要步骤如下:测量木板(含遮光条)的质量M,测量两遮光条间的距离L,按图甲所示正确连接器材;将木板左端与轨道左端对齐,静止释放木板,木板在细线拉动下运动,记录弹簧测力计示数F及遮光条B、A先后经过光电门的时间为t1、t2,则遮光条B、A通过光电门的过程中木板动能的变化量Ek=,合外力对木板做功W合=。(以上两空用字母M、t1、t2、d、L、F表示)在小桶中增加沙子,重复的操作,比较W合、Ek的大小,可得出实验结论。解析(1)由于探究的是功和动能的关系,而功是合力所做的功,所以要平衡摩擦力,即将导轨的一端垫高,使摩擦力与重力沿斜面的分力平衡。(2)游标卡尺的读数为主尺与游标尺的读数之和,则遮光条的宽度为:d=5 mm+12120 mm=0.560 cm。(3)先求出遮光条通过光电门的速度分别为:v1=dt1,v2=dt2则两个遮光条通过光电门的动能的变化为:Ek=12Mv22-12Mv12=12Md21t22-1t12合外力是绳的拉力,所以合外力的功为:W合=FL。答案(1)平衡木板受到的摩擦力(2)0.560(3)12Md21t22-1t12FL