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2019届高三物理二轮复习第二部分热点训练 九 力学实验 Word版含解析

2019届高三物理二轮复习第二部分热点训练 九 力学实验 Word版含解析
2019届高三物理二轮复习第二部分热点训练 九 力学实验 Word版含解析

热点九力学实验

力学实验的关键是测量速度和加速度,利用打点计时器在与小车(物块)连接在一起的纸带上打出的点迹,可以得到位移、速度、加速度、时间等物理量,小小纸带连接高考重点考查的五个力学实验;研究匀变速直线运动,测定动摩擦因数,探究加速度与力、质量的关系,探究动能定理,验证机械能守恒定律,真可谓“小纸带、大内涵”。

考向一游标卡尺与螺旋测微器的读取

(2018·南阳第三次月考)用螺旋测微器测圆柱体的直径时,示数如图1甲所示,此示数为________mm,用20分度的游标卡尺测量某物体的厚度时,示数如图乙所示,此示数为________mm。

图1

[解析]螺旋测微器的固定刻度读数6 mm,可动刻度读数为0.1 mm×12.5=0.125 mm,所以最终读数为6 mm+0.125 mm=6.125 mm;游标卡尺的主尺读数为6.3 cm,游标尺上第12个刻度与主尺上某一刻度对齐,因此游标读数为0.05 mm×12=0.60 mm=0.060 cm,所以最终读数为6.3 cm+0.060 cm=6.360 cm=63.60 mm。

[答案] 6.12563.60

考向二以纸带为中心的实验

“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图2甲所示,已知打点计时器所用电源频率为50 Hz,试回答下列问题。

图2

(1)实验中在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。A、B、C、D、E、F、G这些点的间距如图中标出,其中每相邻两点间还有4个计时点未画出。根据测量结果计算:打C点时小车的速度大小为______ m/s;小车运动的加速度大小为______m/s2。(结果保留3位有效数字)

(2)平衡好摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。根据小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据作出的a-F图线如图丙所示,此图线不能过原点的主要原因是_______________________________________________。

(3)在某次利用上述已调整好的装置进行实验时,保持砝码盘中砝码个数不变,小车自身的质量保持不变(已知小车的质量远大于砝码盘和盘中砝码的质量),在小车上加一个砝码,并测出此时小车的加速度a,调整小车上的砝码,进行多次实验,得到多组数据,以小车上砝码的质量m为横坐标,相应加速度

的倒数1

a为纵坐标,在坐标纸上作出如图丁所示的

1

a-m关系图线,实验结果验

证了牛顿第二定律。如果图中纵轴上的截距为b,图线的斜率为k,则小车受到的拉力大小为______,小车的质量为______。

[解析](1)纸带上两相邻计数点的时间间隔为T=0.10 s,s1=9.50 cm、s2=11.00 cm、s3=12.55 cm、s4=14.00 cm、s5=15.50 cm、s6=17.05 cm,由匀变速直线运动中,物体在某段时间内中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均

速度,可知打C点时小车的速度大小为v C=s2+s3

2T代入数值得v C=1.18 m/s,小

车的加速度大小为a=(s4+s5+s6)-(s1+s2+s3)

9T2,代入数值得a=1.50 m/s

2。

(2)平衡摩擦力后,F=0时就产生了加速度,说明未计入砝码盘的重力。

(3)当小车上无砝码时,小车加速度为a0=1

b,设小车的质量为M,则小车受

到的拉力为F=Ma0=M

b;图丁中图线的函数关系式满足

1

a=km+b,根据牛顿第

二定律得F=(m+M)a,可解得M=b

k,F=

1

k。

[答案](1)1.18 1.50(2)未计入砝码盘的重力

(3)1

k

b

k

考向三力学创新实验

某同学用如图3甲所示装置测小滑块与桌面间的动摩擦因数。实验过程如下:一轻质弹簧放置在粗糙水平固定桌面MN上,弹簧左端固定,弹簧处于原长时,右端恰好在桌面边缘处,现用一个小滑块压缩弹簧并用销扣锁住。已知当地的重力加速度为g,弹簧的劲度系数为k。

图3

(1)实验中涉及下列操作步骤:

①用天平测量出小滑块的质量m,查出劲度系数为k的弹簧的形变量为x

时的弹性势能的大小为E p=1

2kx

2。

②测量桌面到地面的高度h和小滑块抛出点到落地点的水平距离s。

③测量弹簧压缩量x后解开锁扣。

④计算小滑块与水平桌面间的动摩擦因数。

Ⅰ.上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号)。

Ⅱ.上述实验测得小滑块与水平桌面间的动摩擦因数的大小为________。(2)再通过更换材料完全相同、但大小和质量不同的滑块重复操作,得出一

系列滑块质量m与它抛出点到落地点的水平距离s。根据这些数值,作出s2-1

m 图像,如图乙所示,由图像可知,滑块与水平桌面之间的动摩擦因数μ=

__________;每次弹簧被压缩时具有的弹性势能大小是__________。(用b,a,x,h,g表示)

[解析](1)由平抛运动规律:s=v t,h=1

2gt 2,解得v=s

g

2h。设弹簧被压

缩时的弹性势能为E p,由能量守恒得E p=μmgx+1

2m v

2,而E

p

1

2kx

2,联立解

得μ=

kx

2mg-

s2

4hx。

(2)由(1)易得E p=μmgx+mgs2

4h,对照题给s

2-

1

m图像,变形得s

2=

4hE p

1

m-

4μhx。由s2-1

m图像可知,图线斜率

b

a=

4hE p

g,图线在纵轴上的截距b=4μhx,

联立解得滑块与水平桌面之间的动摩擦因数μ=

b

4hx;弹性势能大小为E p=

bg

4ha。

[答案](1)Ⅰ.①③②④Ⅱ.kx

2mg-s2

4hx(2)b

4hx

bg 4ha

1.某同学想探究弹力和弹簧伸长的关系并测定弹簧的劲度系数k,实验主要步骤如下:

①将待测弹簧的一端固定在铁架台上,然后将毫米刻度尺竖直放在弹簧一侧,并使弹簧另一端的指针恰好指在刻度尺上。

②弹簧自然下垂时,指针的指示值记为L0;

③弹簧下端挂一个钩码时,指针的指示值记为L1;弹簧下端挂两个钩码时,指针的指示值记为L2,同理可得L3、L4和L5。(已知每个钩码的质量均为m,重力加速度为g)

(1)某时刻指针指在刻度尺上的位置如图4甲所示,放大如图乙所示,则读数为________m。

图4

(2)为充分利用测量数据,该同学用逐差法求得该弹簧劲度系数的表达式k =________。(用题中给出的物理量符号表示)

(3)考虑到弹簧自身重力的影响,k测________k真。(选填“>”、“=”或“<”)

解析本题考查探究弹力和弹簧伸长的关系实验,需要考生能够利用逐差法求解弹簧劲度系数。(2)根据题意可得k(L3-L0)=3mg,k(L4-L1)=3mg,k(L5

-L2)=3mg,联立三个式子可得k=

9mg

(L3+L4+L5)-(L0+L1+L2)

。(3)由于弹簧弹

力正比于形变量,而且是在弹簧自然下垂时记录的指针指示值L0,已经考虑了

弹簧自身重力的影响,故对弹簧劲度系数的测量没有造成误差,即k

测=k

答案(1)0.278 6(2)

9mg

(L3+L4+L5)-(L0+L1+L2)

(3)=

2.(1)用20分度的游标卡尺测量钢球的直径,示数如图甲所示,则钢球直径为________mm。

(2)某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中的不变量的实验:在小车A的前端粘有橡皮泥,推动小车A使之做匀速运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体,继续做匀速运动,他设计的具体装置如图乙所示。在小车A后连着纸带,电磁打点计时器电源频率为50 Hz,长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力。

若已得到打点纸带如图丙所示,并将测得的各计数点之间距离标在图上,A 点是运动起始的第一点,则应选________段来计算A的碰前速度,应选________段来计算A和B碰后的共同速度。(以上两格均填“AB”“BC”“CD”或“DE”)

图5

已测得小车A的质量m1=0.40 kg,小车B的质量m2=0.20 kg,由以上测量结果可得:碰后m A v+m B v=________kg·m/s(保留三位有效数字)

解析 (1)游标卡尺的读数分为主尺加游标尺读数,主尺读数为10 mm ,游标尺读数为2×0.05 mm =0.10 mm ,即钢球直径为10.10 mm 。

(2)小车碰撞前做匀速直线运动,则图丙的计数点之间应是等距离的,所以应该在BC 段确定小车A 的碰前速度;碰撞后小车A 、B 共同做匀速直线运动,

所以应该在DE 阶段求共同速度。碰后的总动量p =(m A +m B )v =0.6×6.95×10-20.1 kg·m /s =0.417 kg·m/s 。

答案 (1)10.10 (2)BC DE 0.417

3.用如图6甲所示的实验装置验证机械能守恒定律,实验时接通电源,质量为m 2的重物从高处由静止释放,质量为m 1的重物拖着纸带打出一系列的点,图乙是实验上打出的一条纸带,A 是打下的第1个点,量出计数点E 、F 、G 到A 点距离分别为d 1、d 2、d 3,每相邻两计数点的计时间隔为T ,当地重力加速度为g 。(以下所求物理量均用已知符号表达)

图6

(1)在打点A ~F 的过程中,系统动能的增加量ΔE k =________,系统重力势能的减少量ΔE p =________,比较ΔE k 、ΔE p 大小即可验证机械能守恒定律。

(2)某同学根据纸带算出各计数点速度,并作出v 22

-d 图像如图丙所示,若图线的斜率k =__________,即可验证机械能守恒定律。

解析 (1)F 点的速度v F =d 3-d 12T ,系统动能的增加量ΔE k =12

(m 1+m 2)v 2F =(m 1+m 2)(d 3-d 1)2

8T 2

;系统重力势能的减少量ΔE p =(m 2-m 1)gd 2。 (2)根据12(m 1+m 2)v 2=(m 2-m 1)gd ,可得12v 2=m 2-m 1m 1+m 2

gd ,所以若斜率k =m 2-m 1m 1+m 2

g ,即可验证机械能守恒定律。 答案 (1)(m 1+m 2)(d 3-d 1)28T 2 (m 2-m 1)gd 2 (2)m 2-m 1m 1+m 2

g

4.某实验小组用如图7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、电火花打点计时器(打点频率为50 Hz)、交流电源、木块、纸带、米尺、8个质量均为20 g的钩码以及细线等,实验操作过程如下:

图7

A.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,实验数据如下表所示.

(1)如图5、6为计数点,相邻两计数点间还有4个打点未画出。从纸带上测出x1=3.20 cm,x2=4.52 cm,x5=8.42 cm,x6=9.70 cm,则木块加速度大小a=__________m/s2,(保留两位有效数字)

图8

(2)根据表中数据,在图9中作出a-n图像;

图9

由图线得到μ=________(取g =10 m/s 2),还可求的物理量是________(只需填写物理量名称)。

解析 (1)根据Δx =aT 2有a =x 5+x 6-x 1-x 28T 2

=(8.42+9.70-4.52-3.20)×10-2

8×0.12 m /s 2=1.3 m/s 2。 (2)根据表中实验数据在坐标系中描出对应的点,然后作出图像可知:对木块与钩码组成的系统,由牛顿第二定律得nmg -μ[(8-n )m +M ]g =(8m +M )a ,

a =(1+μ)nmg 8m +M

-μg ,由图像得n =0时,-μg =a =-3 m/s 2,μ=0.30(0.28~0.32均正确)。由图像斜率还可以求出木块的质量。

答案 (1)1.3 (2)如图所示 0.30(0.28~0.32都正确) 木块的质量

5.某实验小组利用弹簧测力计和刻度尺,测量滑块在木板上运动的最大速度。

实验步骤:

①用弹簧测力计测量橡皮泥和滑块的总重力,记作G ;

②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上,通过水平细绳和固定弹簧测力计相连,如图10甲所示。在A端向右拉动木板,待弹簧测力计示数稳定后,将读数记作F;

图10

③改变滑块上橡皮泥的质量,重复步骤①②;

实验数据如表所示。

C处,细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物P连接,保持滑块静止,测量重物P离地面的高度h;

⑤滑块由静止释放后开始运动,并最终停在木板上的D点(未与滑轮碰撞),测量C、D间的距离s。

完成下列作图和填空:

(1)根据表中数据在给定坐标纸(图丙)上作出F-G图线。

(2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数μ=________(保留两位有效数字)。

(3)滑块最大速度的大小v=________(用h、s、μ和重力加速度g表示)。

解析(1)根据表中数据描点作出图像。

(2)根据F=μG可知,图像的斜率表示滑块和木板间的动摩擦因数,由图可知动摩擦因数为0.40。

(3)滑块在木板上滑动的总距离为s,由于重物P离地面的高度为h,所以加速过程的距离也为h,此后的过程中,滑块在滑动摩擦力的作用下做匀减速运动,直到静止。根据运动学公式v2-v20=2as可得,0-v2=-2μg(s-h),解得v=2μg(s-h)。

答案(1)如图所示

(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42均正确)

(3)2μg(s-h)

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