第16练　力学实验（含解析）2024年高考物理大二轮复习

第16练　力学实验
1．(2023·全国甲卷·23)某同学利用如图(a)所示的实验装置探究物体做直线运动时平均速度与时间的关系。让小车左端和纸带相连。右端用细绳跨过定滑轮和钩码相连。钩码下落，带动小车运动，打点计时器打出纸带。某次实验得到的纸带和相关数据如图(b)所示。
(1)已知打出图(b)中相邻两个计数点的时间间隔均为0.1 s。以打出A点时小车位置为初始位置，将打出B、C、D、E、F各点时小车的位移Δx填到表中，小车发生相应位移所用时间和平均速度分别为Δt和v0，表中ΔxAD＝________ cm，AD＝________ cm/s。
位移区间 AB AC AD AE AF
Δx(cm) 6.60 14.60 ΔxAD 34.90 47.30
(cm/s) 66.0 73.0 AD 87.3 94.6
(2)根据表中数据得到小车平均速度随时间Δt的变化关系，如图(c)所示。在图中补全实验点。
(3)从实验结果可知，小车运动的－Δt图线可视为一条直线，此直线用方程＝kΔt＋b表示，其中k＝_________ cm/s2，b＝_________ cm/s。(结果均保留3位有效数字)
(4)根据(3)中的直线方程可以判定小车做匀加速直线运动，得到打出A点时小车速度大小vA＝________，小车的加速度大小a＝________。(结果用字母k、b表示)
2．(2022·湖南卷·11)小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等，设计了如图(a)所示的实验装置，测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下：
(1)查找资料，得知每枚硬币的质量为6.05 g；
(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋，测量每次稳定后橡皮筋的长度l，记录数据如下表：
序号 1 2 3 4 5
硬币数 量n/枚 5 10 15 20 25
长度l/cm 10.51 12.02 13.54 15.05 16.56
(3)根据表中数据在图(b)上描点，绘制图线；
(4)取出全部硬币，把冰墩墩玩具放入塑料袋中，稳定后橡皮筋长度的示数如图(c)所示，此时橡皮筋的长度为________ cm；
(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为______ g(计算结果保留3位有效数字)。
3．(2023·新课标卷·23)一学生小组做“用单摆测量重力加速度的大小”实验。
(1)用实验室提供的螺旋测微器测量摆球直径。首先，调节螺旋测微器，拧动微调旋钮使测微螺杆和测砧相触时，发现固定刻度的横线与可动刻度上的零刻度线未对齐，如图(a)所示，该示数为________ mm；螺旋测微器在夹有摆球时示数如图(b)所示，该示数为________ mm，则摆球的直径为________ mm。
(2)单摆实验的装置示意图如图(c)所示，其中角度盘需要固定在杆上的确定点O处，摆线在角度盘上所指的示数为摆角的大小。若将角度盘固定在O点上方，则摆线在角度盘上所指的示数为5°时，实际摆角________5°(填“大于”或“小于”)。
(3)某次实验所用单摆的摆线长度为81.50 cm，则摆长为________ cm。实验中观测到从摆球第1次经过最低点到第61次经过最低点的时间间隔为54.60 s，则此单摆周期为________ s，该小组测得的重力加速度大小为________ m/s2。(结果均保留3位有效数字，π2取9.870)
4．(2023·湖北卷·11)某同学利用测质量的小型家用电子秤，设计了测量木块和木板间动摩擦因数μ的实验。
如图(a)所示，木板和木块A放在水平桌面上，电子秤放在水平地面上，木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连。调节滑轮，使其与木块A间的轻绳水平，与重物B间的轻绳竖直。在木块A上放置n(n＝0,1,2,3,4,5)个砝码(电子秤称得每个砝码的质量m0为20.0 g)，向左拉动木板的同时，记录电子秤的对应示数m。
(1)实验中，拉动木板时________(填“必须”或“不必”)保持匀速。
(2)用mA和mB分别表示木块A和重物B的质量，则m和mA、mB、m0、μ、n所满足的关系式为m＝________________________________。
(3)根据测量数据在坐标纸上绘制出m－n图像，如图(b)所示，可得木块A和木板间的动摩擦因数μ＝________(保留2位有效数字)。
5．(2023·江苏常州市前黄高级中学模拟)一小组同学用如图甲所示的力学实验装置验证机械能守恒定律。绕过定滑轮的细线上悬挂质量相等的钩码A和钩码B，在钩码A的下面固定穿过打点计时器的纸带，用手固定住钩码A，在钩码B下面再挂上一较小的钩码C，之后放开钩码A，让系统由静止开始运动，由于系统的速度增大得不是很快，便于测量物理量，因此能较好地验证机械能守恒定律。已知钩码A、B的质量均为M，钩码C的质量为m，当地的重力加速度大小为g。
(1)该小组同学闭合打点计时器电源开关，由静止释放钩码A后，打出的纸带如图乙所示，已知打点计时器所用交流电源的频率为50 Hz，则打点计时器打H点时纸带的速度大小vH＝________ m/s(结果保留三位有效数字)。
(2)在打H点时，系统的动能表达式为___________________________________________
__________________________________________________________(用M、m及vH表示)。
(3)H点到起始点间的距离为s，则从释放钩码A到打H点的过程中，系统的重力势能减小量的表达式为__________________________________________________(用m、g及s表示)。
(4)该小组同学发现打H点时系统的重力势能减小量大于打该点时系统的动能，于是对纸带上的多个点分析，用打各点时系统的动能Ek作为纵坐标，用各点到起始点的距离s作为横坐标，描绘出Ek s图像如图丙所示，若图像的斜率为k，则系统受到的阻力大小为________________________________________________________________________(用m、g及k表示)；产生的阻力可能是(除空气阻力外)________________________________________
________________________________________________________________________(回答一点即可)。
6．(2023·江苏南通市二模)如图甲为桶装水电动抽水器，某兴趣小组利用平抛运动规律测量该抽水器的流量Q(单位时间流出水的体积)。
　　
(1)如图乙，为了方便测量取下不锈钢出水管，用游标卡尺测量其外径D，读数为________ mm；
(2)重新安装出水管如图甲，为了使水能够沿水平方向流出，下列哪种方法更合理________；
A．用力把出水管前端掰至水平
B．转动出水管至出水口水平
C．调整水桶的倾斜角度使出水口水平
(3)接通电源，待水流稳定后，用米尺测出管口到落点的高度差h＝44.10 cm和管口到落点的水平距离L＝30.00 cm；已知重力加速度g＝9.8 m/s2，则水流速度v＝________ m/s(保留两位有效数字)；
(4)已知出水管管壁的厚度为d，该抽水器的流量Q的表达式为______________(用物理量D、d、v表示)，根据测得的流量可算出装满一杯水需要的时间总是比实际需要的时间短，可能的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________(写出一个原因)；
(5)抽水时若电机的输出功率恒定，当桶内水面降低时，抽水器的流量Q________(选填“不变”“减小”或“增加”)。
7．(2023·辽宁卷·11)某同学为了验证对心碰撞过程中的动量守恒定律，设计了如下实验：用纸板搭建如图所示的滑道，使硬币可以平滑地从斜面滑到水平面上，其中OA为水平段。选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行实验。
测量硬币的质量，得到一元和一角硬币的质量分别为m1和m2(m1>m2)。将硬币甲放置在斜面某一位置，标记此位置为B。由静止释放甲，当甲停在水平面上某处时，测量甲从O点到停止处的滑行距离OP。将硬币乙放置在O处，左侧与O点重合，将甲放置于B点由静止释放。当两枚硬币发生碰撞后，分别测量甲乙从O点到停止处的滑行距离OM和ON。保持释放位置不变，重复实验若干次，得到OP、OM、ON的平均值分别为s0、s1、s2。
(1)在本实验中，甲选用的是________(填“一元”或“一角”)硬币；
(2)碰撞前，甲到O点时速度的大小可表示为________(设硬币与纸板间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g)；
(3)若甲、乙碰撞过程中动量守恒，则＝________________(用m1和m2表示)，然后通过测得的具体数据验证硬币对心碰撞过程中动量是否守恒；
(4)由于存在某种系统或偶然误差，计算得到碰撞前后甲动量变化量大小与乙动量变化量大小的比值不是1，产生这种误差可能的原因__________________________________________
________________________________________________________________________。
第16练　力学实验
1．(1)24.00　80.0　(2)见解析图
(3)70.0　59.0　(4) b　2k
解析　(1)根据纸带的数据可得
ΔxAD＝xAB＋xBC＋xCD＝6.60 cm＋8.00 cm＋9.40 cm＝24.00 cm
平均速度AD＝＝80.0 cm/s
(2)根据第(1)小题结果补充表格和补全实验点图像得
(3)从实验结果可知，小车运动的－Δt图线可视为一条直线，图像为
此直线用方程＝kΔt＋b表示，由图像可知其中
k＝ cm/s2＝70.0 cm/s2，b＝59.0 cm/s
(4)小球做匀变速直线运动，由位移公式x＝v0t＋at2，
整理得＝v0＋at
即＝vA＋at
故根据图像斜率和截距可得vA＝b，a＝2k。
2．(3)见解析图　(4)15.35　(5)128
解析　(3)根据表格数据描点连线如图
(4)由题图(c)可知刻度尺的分度值为1 mm，故读数l＝15.35 cm；
(5)设橡皮筋的劲度系数为k，原长为l0，则
n1mg＝k(l1－l0)，
n2mg＝k(l2－l0)
则橡皮筋的劲度系数为
k＝
从作出的l－n图线读取数据则可得
k＝＝mg (N/cm)，
l0＝＝9.00 cm
设冰墩墩的质量为m1，则有
m1g＝k(l－l0)
可得m1＝×6.05×(15.35－9.00) g≈128 g。
3．(1)0.006(0.007也可)　20.035(20.034、20.036均可)　20.029(20.027、20.028、20.030均可)
(2)大于　(3)82.5　1.82　9.83
解析　(1)题图(a)读数为0＋0.6×0.01 mm＝0.006 mm(0.007 mm也可)；
题图(b)读数为20 mm＋3.5×0.01 mm＝20.035 mm(20.034 mm、20.036 mm均可)；
则摆球的直径为20.035 mm－0.006 mm＝20.029 mm(20.027 mm、20.028 mm、20.030 mm均可)
(2)若角度盘上移则形成如图所示图样，则实际摆角大于5°。
(3)摆长＝摆线长度＋半径，代入数据计算可得摆长为82.5 cm；
小球从第1次到61次经过最低点经过了30个周期，则T＝ s＝1.82 s
根据单摆周期公式T＝2π，可得g＝≈9.83 m/s2。
4．(1)不必　(2)mB－μ(mA＋nm0)　(3)0.40
解析　(1)木块与木板间的滑动摩擦力与两者之间的相对速度无关，则实验拉动木板时不必保持匀速；
(2)对木块A和砝码有μ(mA＋nm0)g＝FT
对重物B有FT＋mg＝mBg
解得m＝mB－μ(mA＋nm0)
(3)根据m＝mB－μmA－μm0·n
结合图像可知μm0＝ g＝8 g
则μ＝0.40。
5．(1)1.13　(2)EkH＝(2M＋m)vH2
(3)ΔEp＝mgs　(4)mg－k　摩擦阻力
解析　(1)由中间时刻的瞬时速度等于平均速度，可得打H点时纸带的速度大小为vH＝＝＝ m/s＝1.13 m/s
(2)在打H点时，系统的动能表达式为EkH＝(2M＋m)vH2
(3)H点到起始点间的距离为s，系统的重力势能减小量的表达式为
ΔEp＝mgs
(4)由题意可得mgs＝Ek＋Ffs
则有Ek＝mgs－Ffs＝(mg－Ff)s
解得mg－Ff＝k
Ff＝mg－k
产生的阻力可能是(除空气阻力外)摩擦阻力。
6．(1)7.1　(2)B　(3)1.0　(4)π(－d)2v　测量h偏小(或者L偏大、D偏大、d偏小)　(5)减小
解析　(1)由题图乙知，该游标卡尺为10分度，其精确度为0.1 mm，游标卡尺的读数为D＝7 mm＋1×0.1 mm＝7.1 mm。
(2)出水管可以旋转，比较方便地改变出水方向，因此可以转动出水管至出水口水平，故B正确，A、C错误。
(3)水流的运动为平抛运动，竖直方向为自由落体运动，则有h＝gt2
水平方向为匀速直线运动，则有L＝vt
解得水流速度v＝L＝0.3× m/s＝1.0 m/s
(4)出水管的半径为r＝－d
该抽水器的流量
Q＝vS＝πr2v＝π(－d)2v
装满一杯水需要的时间总是比实际需要的时间短，从流量大小的相关量分析可能是测量h偏小或者L偏大、D偏大、d偏小等。
(5)抽水时若电机的输出功率恒定，单位时间内电机对水做功相同，当桶内水面降低时，水上升的高度变大，增加的重力势能增大，增加的动能减小，在出水口水的速度减小，所以抽水器的流量减小。
7．(1)一元　(2)　(3)
(4)见解析
解析　(1)根据题意可知，甲与乙碰撞后没有反弹，可知甲的质量大于乙的质量，甲选用的是一元硬币；
(2)甲从O点到P点，根据动能定理－μm1gs0＝0－m1v02
解得碰撞前，甲到O点时速度的大小v0＝
(3)同理可得，碰撞后甲的速度和乙的速度分别为v1＝
v2＝
若动量守恒，则满足m1v0＝m1v1＋m2v2
整理可得＝
(4)由于存在某种系统或偶然误差，计算得到碰撞前后甲动量变化量大小与乙动量变化量大小的比值不是1，写出一条产生这种误差可能的原因有：
①测量误差，因为无论是再精良的仪器总是会有误差的，不可能做到绝对准确；
②碰撞过程中，我们认为内力远大于外力，动量守恒，实际上碰撞过程中，两个硬币组成的系统合外力不为零。