2019年高考物理备考优生百日闯关系列专题18力学实验含解析.pdf
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1、专题 18 力学实验专题 18 力学实验 第一部分名师综述第一部分名师综述 综合分析近几年的高考物理试题发现,试题在考查主干知识的同时,注重考查必修中的基本概念和基本规 律。 考纲要求 1、掌握螺旋测微器和游标卡尺的原理及读数方法。 2、了解打点计时器的构造,会使用打点计时器;会计算纸带上各点的瞬时速度;会利用纸带计算加速度; 会用图象法探究小车速度与时间的关系,并能根据图象求加速度。 3、学会用列表法、图象法等处理实验数据。 命题规律 1、高考对于基本仪器的读数作为基础知识考查频率较高。在力学部分,考查的实验仪器主要有弹簧测力计、 秒表、螺旋测微器、游标卡尺,大多数时候是填空题,注意估读和误
2、差分析。 2、力学中有多个实验都要用到打点计时器,能否正确使用打点计时器,并根据纸带进行正确的数据运算,是 能否完成这些实验的关键,利用纸带直接测量的时间和位移,可以计算研究对象的瞬时速度和加速度,若 结合其它物理量的测量,还可以解决与上面这些量直接有关或间接有关的问题,例如 : 计算动能、重力势能、 动摩擦因数、功率、转速等,从而延伸出很多与纸带有关的力学实验。 3、图象法是一种重要的实验数据处理方法图象具有既能描述物理规律,又能直观地反映物理过程、表示 物理量之间定性定量关系及变化趋势的优点当前高考试题对数据处理、结果分析考查的频率较高。 第二部分精选试题第二部分精选试题 1某研究性实验小
3、组为探索航天器球形返回舱穿过大气层时所受空气阻力(风力)的影响因素,进行了模拟 实验研究。如图为测定风力的实验装置图。其中 CD 是一段水平放置的长为 L 的光滑均匀电阻丝,电阻丝阻 值较大;一质量和电阻均不计的细长裸金属丝一端固定于 O 点,另一端悬挂小球 P,无风时细金属丝竖直, 恰与电阻丝在 C 点接触,OC=H; 有风时细金属丝将偏离竖直方向,与电阻丝相交于某一点(如图中虚线所示, 细金属丝与电阻丝始终保持良好的导电接触)。 (1)已知电源电动势为 E,内阻不计,理想电压表两接线柱分别与 O 点和 C 点相连,球 P 的质童为m,重力 加速度为g,由此可推得风力大小F与电压表示数U的关
4、系为F=_。 (2)研究小组的同学猜想:风力大小F可能与风速大小v和球半径r这两个因数有关,于是他们进行了实验 后获得了如下数据:(下表中风速v的单位为 m/s,电压U的单位为 V,球半径r的单位为 m)根据表中数据 可知,风力大小F与风速大小v和球半径r的关系是_(比例系数用 k 表示)。 【答案】 mgUL EH F = kvr 【解析】 【详解】 (1)以小球为研究对象,对小球受力分析,设金属丝与竖直方向的夹角为,由平衡条件可得,风力F = 。金属丝与电阻丝交点与 C 点间长度为,电阻;由串联分压规律可知电压表mgtanx = HtanRx= Htan L R 示数。联立解得:。U =
5、Rx RE = Htan L EF = mgL EHU (2)由表中数据可得,在球半径一定的情况下,电压表示数与风速成正式,则风力大小与风速成正比,即F 与 成正比。v 由球的体积公式、密度公式和可得,;在风速一定的情况下,球半径增大F = mgL EHU F = mgL EHU = gL EH 4 3r 3U 到原来的两倍,电压表示数减小为原来的 ,可得风速一定的条件下,风力与半径的关系为 与 成正比。 1 4 Fr 综上,风力大小 与风速大小 和球半径 的关系是。FvrF = kvr 2恢复系数是反映碰撞时物体形变恢复能力的参数,它只与碰撞物体的材料有关,两物体碰撞后的恢复系 数为,其中、
6、和、分别为质量为 m1和 m2的物体碰推前后的速度某同学利用如图所示e =| v1- v2 v1- v2| v1v2v1v2 的实验装置测定质量为 m1和 m2的物体碰摘后的恢复系数。 实验步骤如下: 将白纸、复写纸固定在竖直放置的木条上,用来记录实验中质量为 m1和 m2的两球与木条的撞击点; 将木条竖直放在轨道末端右侧并与轨道接触, 让质量为m1的入射球从斜轨上A点由静止释放, 摘击点为B ; 将木条向右平移到图中所示位置,质量为 m1的入射球仍从斜轨上的 A 点由静止释放,确定撞击点; 质量为 m2的球静止放置在水平槽的末端,将质量为 m1的入射球再从斜轨上 A 点由静止释放,确定两球相
7、 撞后的撞击点; 目测得 B与撞击点 N、P、M 的高度差分别为 h1、h2、h3。 (1)两小球的质量关系为 m1_ m2(填“”“=”或“ h2( 1 h1 - 1 h3) m1 h2 = m1 h3 + m2 h1 m1 h2 = m1 h3 + m2 h1 【解析】 【分析】 (1)明确动量守恒规律,知道实验原理,从而确定实验要求; (2)根据平抛运动规律进行分析,利用水平位移相等求出利用下落高度所表达式的速度公式,再根据恢复 系数公式即可求出对应的表达式; (3)根据动量守恒定律和机械能守恒定律列式,代入(2)中所求速度即可求出需要验证的表达式。 【详解】 (1)为了防止两球碰后出现
8、反弹现象,入射球的质量一定要大于被碰球的质量; (2)由图可知,两小球打在竖直板上,则可知,三次碰撞中水平位移相等,则可知,水平速度越大,竖直 方向下落的高度越小,则由碰撞规律可知,碰后被碰球的速度最大,故其下落高度最小,而碰后入射球速 度最小,其下落高度最大,则可知,在不放小球 m2时,小球 m1从斜轨顶端 A 点由静止释放,m1的落点在图 中的 P 点, 而碰后被碰球落到 N 点 ; 根据平抛运动规律可知, 下落时间, 则可知, 速度,t = 2h g v = x t = x g 2h 则可解得:,;,代入给出恢复系数表达式可得:;v1= x g 2h2 v1= x g 2h3 v2= x
9、 g 2h1 e = h2( 1 h1 - 1 h3) (3)若满足动量守恒,则一定有:mv1=m1v1+m2v2 代入(2)中所求速度可得:表达式应为:; m1 h2 m1 h3 + m2 h1 若满足机械能守恒,则有: mv12= m1v12+ m2v22 1 2 1 2 1 2 代入求出的速度可得: m1 h2 = m1 h3 + m2 h1 【点睛】 本题是由验证动量守恒定律的实验改进而来,关键要分析清楚实验的原理,同时要结合动量守恒定律和平 抛运动的相关知识列式分析。 3某同学在“用单摆测定重力加速度”的实验中进行了如下的实践和探究: (1)用游标卡尺测量摆球直径 d,如右图所示,则
10、摆球直径为_cm,测量单摆摆长为l ; (2)用秒表测量单摆的周期。当单摆摆动稳定且到达最低点时开始计时并记为 0,单摆每经过最低点记一 次数,当数到 n=60 时秒表的示数如右图所示,秒表读数为_s,则该单摆的周期是 T=_s(保留三 位有效数字) ; (3)将测量数据带入公式 g=_(用 T、l 表示) ,得到的测量结果与真实的重力加速度值比较,发现测 量结果偏大,可能的原因是_; A.误将 59 次数成了 60 次 B.在未悬挂单摆之前先测定好摆长 C.将摆线长当成了摆长 D.将摆线长和球的直径之和当成了摆长 (4)该同学纠正了之前的错误操作,尝试测量不同摆长l 对应的单摆周期 T,并在
11、坐标纸上画出 T2与l 的关系图线,如图所示。由图线计算出的重力加速度的值 g=_m/s2, (保留 3 位有效数字) 【答案】2.06cm ;67.4s 2.24sADg = 42l T2 g = 9.86m/s2 【解析】 【详解】 (1)游标卡尺的主尺读数为 20mm,游标读数为 ,则最终读数为 20.6mm=2.06cm.0.1 6 = 0.6mm (2)秒表的读数为 60s+7.4s=67.4s,则周期,T = 67.4 30 = 2.24s (3)根据解得:,T = 2 L g g = 42l T2 A.误将 59 次数成了 60 次,导致测量时周期 T 测小,根据可知 g 值测量
12、值偏大,故 A 对;g = 42l T2 B.在未悬挂单摆之前先测定好摆长,导致测量的摆长小于真实的摆长,根据可知 g 值偏小;故 B 错g = 42l T2 C.将摆线长当成了摆长没有加小球的半径,导致测量的摆长偏小,根据可知 g 值偏小,故 C 错;g = 42l T2 D.将摆线长和球的直径之和当成了摆长,导致测量的摆长变长,根据可知 g 值偏大;故 D 对;g = 42l T2 故选 AD (4)根据可得:,则在 T2与l 的关系图线中,斜率代表T = 2 L g T2= 42l g k = 42 g 根据图像可求出: k = 4.85 - 3.25 1.20 - 0.80 = 4 则
13、g = 9.86m/s2 故本题答案是:(1)2.06cm ;(2)67.4s ; 2.24s (3);AD (4)g = 42l T2 g = 9.86m/s2 【点睛】 游标卡尺的读数等于主尺读数加上游标读数,不需估读.秒表的读数等于小盘读数加上大盘读数. 根据单摆的周期公式得出 T 与 L 的关系式,结合关系式得出图象的斜率. 解决本题的关键掌握单摆测量重力加速度的原理,以及掌握游标卡尺和秒表的读数方法,难度不大 4(1) 如图所示为某同学所安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置。为了使小车受到合外力等于砝码和 砝码盘的总重量,通常采用如下两个措施: A平衡摩擦力:将长木板无滑轮的一端下面
14、垫一小木块,反复移动木块的位置,直到小车在砝码盘的拉动 下带动纸带与小车一起做匀速直线运动; B在调整砝码多少的过程中,要保证砝码和砝码盘的总质量m远小于小车和砝码的总质量M。 以上哪一个措施中有何重大错误?(说明错误点)_。 (2)某实验小组设计了如下左图所示的实验装置, 通过改变重物的质量, 利用计算机可得滑块运动的加速度a 和所受拉力F的关系图象。他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验,得到了两条a-F图线,如 下右图所示 图线_(填“甲”或“乙”)是在轨道左侧抬高成为斜面情况下得到的。 滑块和位移传感器发射部分的总质量m_kg,滑块和轨道间的动摩擦因数_。(取g 10m/s2)
15、【答案】A 错误,平衡摩擦力时不能悬挂砝码盘甲 0.50.2 【解析】 【详解】 (1)A 中平衡摩擦力时,不应用砝码盘拉动小车做匀速运动,应让小车自身下滑(即无拉力)来平衡摩擦 力即可 (2)由图象可知,当 F=0 时,a0也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度,该同学实验操作中 平衡摩擦力过大,即倾角过大,平衡摩擦力时木板的右端垫得过高所以图线甲是在轨道右侧抬高成为斜 面情况下得到的 由牛顿第二定律得 :, 由图乙所示图象可知, 图象斜率 : k= , 质量 :a = F - mg m = 1 mF - g 1 m m = 1 k = 1 0 - ( - 2) 1 ,图象的截距:b=g,
16、动摩擦因数:。= 0.5kg = b g = 2 10 = 0.2 【点睛】 本题考查了实验数据处理、考查了求加速度与速度、质量、动摩擦力因数问题,掌握基础知识、应用匀变 速直线运动的推论可以解题;处理图象问题时求出图线的函数表达式是解题的关键 5实验装置探究重锤下落过程中动能与重力势能的转化问题。 (1)实验操作步骤如下: A按实验要求安装好实验装置。 B使重锤靠近打点计时器,接着先释放重锤,再接通电源,打点计时器在纸带上打下一系列的点。 C图为一条符合实验要求的纸带,O 点为打点计时器打下的第一点。分别测出若干连续打点 A、B、C 与 O 点之间的距离 h1、h2、h3。 以上 A、B、C
17、 三个选项中哪个选项是错误的_。 (2)已知打点计时器的打点周期为 T,重锤质量为 m,重力加速度为 g,结合实验中所测的 h1、h2、h3,可 得重锤下落到 B 点时的速度大小为_, 纸带从 O 点下落到 B 点的过程中, 重锤增加的动能为_, 减小的重力势能为_, 在误差允许范围内重锤动能增加量_重力势能减少量 (填写 “大于” 、 “等 于”或“小于” ) 。 (3)取打下 O 点时重锤的重力势能为零,计算出该重锤下落不同高度 h 时所对应的动能 Ek 和重力势能 Ep, 建立坐标系,横轴表示 h,纵轴表示 Ek和 Ep,根据以上数据在图中绘出图线和图线。已求得图线斜 率的绝对值 k1=
18、2.94 J/m, 请计算图线的斜率 k2=_J/m(保留 3 位有效数字) 。 重锤和纸带在下落过程中 所受平均阻力与重锤所受重力的比值为_(用 k1和 k2字母表示) 。 【答案】Bmgh2等于 2.80(2.732.83 均可)(k1用 mg 表示也可) h3- h1 2T m(h3- h1)2 8T2 k1- k2 k1 【解析】 【详解】 (1)步骤 B 中如果先释放纸带后接通电源,有可能会出现小车已经拖动纸带运动一段距离,电源才被接通, 那么纸带上只有很小的一段能打上点,大部分纸带没有打上点,纸带的利用率太低;所以应当先接通电源, 后让纸带运动 (2)B 点的瞬时速度,则重物动能的
19、增加量EkmvB2,重力势能的减小量为vB h3- h1 2T 1 2 m(h3- h1)2 8T2 Ep=mgh2在误差允许范围内重锤动能增加量等于重力势能减少量; (3)取打下 O 点时重物的重力势能为零,因为初位置的动能为零,则机械能为零,每个位置对应的重力势 能和动能互为相反数,即重力势能的绝对值与动能相等,而图线的斜率不同,原因是重物和纸带下落过程 中需要克服阻力做功 根据图中的数据可以计算计算图线的斜率 k2=2.80 J/m 根据动能定理得, mgh-fh= mv2,则 mg-f=,图线斜率k1mg,图线斜率k2,知 k1-f=k2,则阻力 f=k1-k2所以重物和纸 1 2 1
20、 2mv 2 h mgh h 1 2mv 2 h 带下落过程中所受平均阻力与重物所受重力的比值为 k1- k2 k1 【点睛】 解决本题的关键知道实验的原理,验证重力势能的减小量与动能的增加量是否相等以及知道通过求某段 时间内的平均速度表示瞬时速度 6某兴趣小组利用自由落体运动测定重力加速度,实验装置如图所示.倾斜的球槽中放有若干个小铁球,闭 合开关 K,电磁铁吸住第 1 个小球. 手动敲击弹性金属片 M,M 与触头瞬间分开,第 1 个小球开始下落,M 迅速 恢复,电磁铁又吸住第 2 个小球.当第 1 个小球撞击时,M 与触头分开,第 2 个小球开始下落.这样,就可 测出多个小球下落的总时间.
21、 (1)在实验中,下列做法正确的有_. A电路中的电源只能选用交流电源 B实验前应将 M 调整到电磁铁的正下方 C用直尺测量电磁铁下端到 M 的竖直距离作为小球下落的高度 D手动敲击 M 的同时按下秒表开始计时 (2)实验测得小球下落的高度 H=1.980m,10 个小球下落的总时间 T =6.5s.可求出重力加速度 g=_m/s2.(结果保留两位有效数字) (3)在不增加实验器材的情况下,请提出减小实验误差的一个有效办法._. (4)考虑到电磁铁在每次断电后需要时间 t 磁性才消失,因此,每个小球的实际下落时间与它的测量时间 相差 t,这导致实验误差.则重力加速度的测量值应_.(填“偏大”或
22、“ 偏小” ) 。某同学为了消除 t 对实验结果的影响, 他分别取高度 H1和 H2,测量 n 个小球下落的总时间 T1和 T2.,他利用这两组数据消除 t 对实验结果的影响后,重力加速度测量值的表达式:_. 【答案】BD9.4 增加小球下落的高度,多次重复实验,结果取平均值偏小g = 2n2(H1- H2)2 (T1- T2)2 【解析】 【详解】 (1)电路中的电源目的是线圈产生磁性,因此直流电也可以,故 A 错误;小球沿竖直方向自由下落,因此 要使小球能够撞击 M,M 调整到电磁铁的正下方,故 B 正确;球的正下方到 M 的竖直距离作为小球下落的高 度,故 C 错误;敲击 M 的同时小球
23、开始下落,因此此时应该计时,故 D 正确故答案为 BD (2)一个小球下落的时间为:t = t总 n 6.5s 10 0.65s 根据自由落体运动规律hgt2可得: 1 2 g 2h t2 2 1.980 0.652 9.4m/s2 (3)通过多次测量取平均值可以减小误差,同时该实验的误差主要来自小球下落过程中空气阻力的影响, 因此增加小球下落的高度或者选择密度更大的实心金属球 (4)考虑到电磁铁在每次断电后需要时间 t 磁性才消失,因此每个小球的实际下落时间偏小,下落的距 离与理论上对应的时间偏小,则导致实验得到的重力加速度的测量值偏小;(5)应由自由落体运动的规律 可得:H1 1 2g(
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