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專題突破練14　力學實驗 (時間:45分鐘　滿分:100分) 1.(15分)(2018天津南開中學月考)某校研究性學習小組的同學用如圖甲所示的滴水法測量一小車在斜面上的運動時的加速度。實驗過程如下:在斜面上鋪上白紙,用圖釘釘住;把滴水計時器固定在小車的末端,調節(jié)滴水計時器的滴水速度,使其每0.2 s滴一滴(以滴水計時器內盛滿水為準);在斜面頂端放置一淺盤,把小車放在斜面頂端,把調好的滴水計時器盛滿水,使水滴能滴入淺盤內;隨即在撤去淺盤的同時放開小車,于是水滴在白紙上留下標志小車運動規(guī)律的點跡;小車到達斜面底端時立即將小車移開。 圖乙為實驗得到的一條紙帶,用刻度尺量出相鄰點之間的距離是:s01=1.40 cm、s12=2.15 cm、s23=2.91 cm、s34=3.65 cm、s45=4.41 cm、s56=5.15 cm,試問: (1)滴水計時器的原理與課本上介紹的　　　　　　　　　　原理類似。 (2)由紙帶數(shù)據(jù)計算可得計數(shù)點4所代表時間的瞬時速度v4=　　　　 m/s,計算小車的加速度a的表達式為　　　　　　　　　,計算結果為　　　　 m/s2。(結果均保留兩位有效數(shù)字) 2.(15分)(2018廣東潮州測試)如圖所示裝置可以用來“探究加速度與合外力、質量的關系”,也可以用來“探究功與速度變化的關系”和“驗證機械能守恒定律”等。 (1)某同學用此裝置探究小車在拉力作用下的加速度。用游標卡尺測量遮光條的寬度d,其示數(shù)如圖所示,則d=　　　　 mm。測出小車靜止時遮光條到光電門的距離為x,光電計時器讀出遮光條通過光電門的時間是t,則小車的加速度是　　　　　　　　。(用測量的符號表示) (2)該同學繼續(xù)用此裝置做“探究功與速度變化的關系”的實驗,他通過改變小車釋放點到光電門的距離成倍增加進行多次實驗,每次實驗時要求小車都由靜止釋放。 ①如果每次實驗時遮光條通過光電門的時間為t,通過描點作出線性圖象來反映合力做功與t的關系,則下圖中符合實驗事實的是(　　) ②下列實驗操作中必要的是(　　) A.調整軌道的傾角,在未掛重物時使小車能在軌道上做勻速直線運動 B.必須滿足重物的質量遠小于小車的質量 C.必須保證小車由靜止狀態(tài)開始釋放 D.保持小車(包括遮光條)和重物的質量不變 3.(15分)(2018福建四地六校月考)兩個實驗小組做了如下兩個實驗,請回答下列問題: (1)一個實驗小組在“探究彈力和彈簧伸長的關系”的實驗中,使用兩條不同的輕質彈簧a和b,得到彈力與彈簧長度的圖象如圖所示。下列表述正確的是(　　) A.a的原長比b的長 B.a的勁度系數(shù)比b的大 C.a的勁度系數(shù)比b的小 D.測得的彈力與彈簧的長度成正比 (2)另一個實驗小組利用圖甲實驗裝置探究“求合力的方法”實驗。 ①下列說法中正確的是(　　) A.在測量同一組數(shù)據(jù)F1、F2和合力F的過程中,橡皮條結點O的位置不能變化 B.彈簧測力計拉細線時,拉力方向必須豎直向下 C.F1、F2和合力F的大小都不能超過彈簧測力計的量程 D.為減小測量誤差,F1、F2方向間夾角應為90 ②彈簧測力計的指針如圖乙所示,由圖可知拉力的大小為　　　　 N; ③本實驗采用的科學方法是(　　) A.理想實驗法 B.控制變量法 C.等效替代法 D.建立物理模型法 4.(18分)(2017山東日照模擬)裝有拉力傳感器的輕繩,一端固定在光滑水平轉軸O,另一端系一小球,空氣阻力可以忽略。設法使小球在豎直平面內做圓周運動(如圖甲),通過拉力傳感器讀出小球在最高點時繩上的拉力大小是F1,在最低點時繩上的拉力大小是F2。某興趣小組的同學用該裝置測量當?shù)氐闹亓铀俣取? (1)小明同學認為,實驗中必須測出小球的直徑,于是他用螺旋測微器測出了小球的直徑,如圖乙所示,則小球的直徑d=　　　　 mm。 (2)小軍同學認為不需要測小球的直徑。他借助最高點和最低點的拉力F1、F2,再結合機械能守恒定律即可求得。小軍同學還需要測量的物理量有　　　　　(填字母代號)。 A.小球的質量m B.輕繩的長度l C.小球運動一周所需要的時間T (3)根據(jù)小軍同學的思路,請你寫出重力加速度g的表達式　　　　　　。 5.(18分)(2018山西孝義一模)圖甲所示為“探究加速度與物體所受合力的關系”的實驗裝置。圖中A為小車,連接在小車后面的紙帶穿過打點計時器B,它們均置于一端帶有定滑輪的足夠長的木板上,P為鉤碼,C為彈簧測力計,繩與滑輪間的摩擦可以忽略。 甲 (1)實驗時一定要進行的操作是　　　　(填選項前的字母)。 A.一端帶有定滑輪的長木板必須保持水平 B.小車靠近打點計時器,先接通電源,再釋放小車,打出一條紙帶,同時記錄彈簧測力計的示數(shù) C.改變P的質量,打出幾條紙帶 D.為減小誤差,實驗中一定要保證P的質量遠小于小車的質量 (2)按圖甲裝置(長木板水平放置)完成實驗,以彈簧測力計的示數(shù)F為橫坐標,以加速度a為縱坐標,圖乙中畫出的a-F圖象可能正確的是　　　　(填選項字母)。若測出的a-F圖象的斜率為k,則小車的質量為　　　　。 乙 6.(19分)(2018北京卷)用圖甲所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律。 甲 主要實驗步驟如下: a.安裝好實驗器材。接通電源后,讓拖著紙帶的小車沿長木板運動,重復幾次。 b.選出一條點跡清晰的紙帶,找一個合適的點當作計時起點O(t=0),然后每隔相同的時間間隔T選取一個計數(shù)點,如圖乙中A、B、C、D、E、F……所示。 乙 c.通過測量、計算可以得到在打A、B、C、D、E……點時小車的速度,分別記作v1、v2、v3、v4、v5…… d.以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系,在坐標紙上描點,如圖丙所示。 丙 結合上述實驗步驟,請你完成下列任務: (1)在下列儀器和器材中,還需要使用的有　　　　　和　　　　　(填選項前的字母)。 A.電壓合適的50 Hz交流電源 B.電壓可調的直流電源 C.刻度尺 D.秒表 E.天平(含砝碼) (2)在圖丙中已標出計數(shù)點A、B、D、E對應的坐標點,請在該圖中標出計數(shù)點C對應的坐標點,并畫出v-t圖象。 (3)觀察v-t圖象,可以判斷小車做勻變速直線運動,其依據(jù)是　　　　　,v-t圖象斜率的物理意義是　　　　　。 (4)描繪v-t圖象前,還不知道小車是否做勻變速直線運動。用平均速度ΔxΔt表示各計數(shù)點的瞬時速度,從理論上講,對Δt的要求是　　　　　(選填“越小越好”或“與大小無關”);從實驗的角度看,選取的Δx大小與速度測量的誤差　　　　　(選填“有關”或“無關”)。 (5)早在16世紀末,伽利略就猜想落體運動的速度應該是均勻變化的。當時只能靠滴水計時,為此他設計了如圖丁所示的“斜面實驗”,反復做了上百次,驗證了他的猜想,請你結合勻變速直線運動的知識,分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的。 丁  專題突破練14　力學實驗 1.答案 (1)打點計時器　(2)0.20　(x56+x45+x34)-(x23+x12+x01)9T2　0.19 解析 (1)滴水計時器的原理與課本上介紹的打點計時器原理類似。 (2)計數(shù)點4所代表時間的瞬時速度 v4=s34+s45t35 =(3.65+4.41)10-220.2 m/s =0.201 5 m/s≈0.20 m/s 計算小車的加速度a的表達式為: a=(x56+x45+x34)-(x23+x12+x01)9T2 代入數(shù)據(jù)可得:a≈0.19 m/s2 2.答案 (1)5.50　d22xt2　(2)①D?、贑D 解析 (1)游標卡尺的主尺讀數(shù)為5 mm,游標讀數(shù)為0.0510 mm=0.50 mm,所以最終讀數(shù)d=5 mm+0.50 mm=5.50 mm。由題意可知,該實驗中小車做勻加速直線運動,因此有:v2=2ax,速度為:v=dt,聯(lián)立可得:a=d22xt2。 (2)據(jù)題意可知,“探究合力的功與動能改變關系”的實驗,他通過成倍增加位移的方法來進行驗證,所以需要先表示出小車的速度,小車的速度用平均速度代替即:v=dt,根據(jù)動能定理可得:W=12mv2=12md2t2,由此可知W∝1t2,故選D。由于該實驗是通過成倍增加位移的方法來進行驗證,只要W-1t2的關系即可,所以不需平衡摩擦力、不需要滿足重物的質量遠小于小車的質量,但必須保證每次小車由靜止釋放且保持小車(包括遮光條)和重物的質量不變,故AB錯誤,CD正確。 3.答案 (1)B　(2)①AC　②4.00?、跜 解析 (1)在圖象中橫截距表示彈簧的原長,故b的原長比a的長,故A錯誤;在圖象中斜率表示彈簧的勁度系數(shù)k,故a的勁度系數(shù)比b的大,故B正確、C錯誤;彈簧的彈力滿足胡克定律,彈力與彈簧的形變量成正比,故D錯誤。 (2)①要保證兩個彈簧測力計的拉力與一個彈簧測力計的拉力效果相同,橡皮條要沿相同方向伸長量相同,則O點的位置應固定,可以用一個彈簧測力計代替所掛鉤碼完成實驗,故A正確;本實驗是在水平面作力的圖示,為了減小誤差,彈簧測力計必須保持與木板平行,橡皮條及掛鉤碼的細繩必須在同一平面內,彈簧測力計拉細線時,拉力方向不一定要豎直向下,故B錯誤;在測量的過程中F1、F2和合力F的大小都不能超過彈簧測力計的量程,故C正確;本實驗只要使兩次效果相同就行,兩個彈簧測力計拉力的方向沒有限制,并非一定要夾角為90不變,故D錯誤。 ②由圖乙彈簧測力計的指針指示可知,拉力F的大小為4.00 N。 ③本實驗中,合力產生的效果與兩個分力產生的效果是相同的,所以采用的科學方法是等效替代法。所以C正確。 4.答案 (1)5.695　(2)A　(3)F2-F16m 解析 (1)螺旋測微器的固定刻度讀數(shù)5.5 mm,可動刻度讀數(shù)為0.0119.5 mm=0.195 mm,所以最終讀數(shù)為固定刻度讀數(shù)+可動刻度讀數(shù)=5.5 mm+0.195 mm=5.695 mm。 (2)(3)由牛頓第二定律,在最高點,則有F1+mg=mv12r,而在最低點,則有F2-mg=mv22r;再依據(jù)機械能守恒定律,則有12mv22=12mv12+2mgr,聯(lián)立上式,解得g=F2-F16m,因此已知最高點和最低點的拉力F1、F2,小軍同學還需要測量的物理量有小球的質量m,故A正確,B、C錯誤;根據(jù)小軍同學的思路,重力加速度g的表達式為g=F2-F16m。 5.答案 (1)BC　(2)A　1k 解析 (1)該實驗要平衡摩擦力,一端帶有定滑輪的長木板要傾斜,故A項錯誤。為提高打點的個數(shù),小車靠近打點計時器,打點計時器的使用要先接通電源后釋放小車,故B項正確。改變P的質量,打出幾條紙帶,得到不同拉力作用下的加速度,故C項正確。由于該實驗的連接方式,小車是在繩的拉力下加速運動,此拉力可由測力計示數(shù)獲得,不需要用重物的重力來代替,則不要求重物質量遠小于小車質量,故D項錯誤。故答案為BC。 (2)若沒有平衡摩擦力,則當F≠0時,a=0;也就是說當繩子上有拉力時小車的加速度還為0;且實驗中物體的加速度與合外力成正比,圖線應為直線。所以a-F圖象可能正確的是圖線A。據(jù)牛頓第二定律F-f=ma,解得:a=Fm-fm,對比圖象可得:1m=k,則小車質量m=1k。 6.答案 (1)A　C (2)圖見解析 (3)小車的速度隨時間均勻變化　加速度 (4)越小越好　有關 (5)如果小球的初速度為0,其速度v∝t,那么它通過的位移x∝t2。因此,只要測量小球通過不同位移所用的時間,就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。 解析 (1)打點計時器需要使用交流電源,選A不選B,由于需要測量長度,所以選C,本實驗用打點計時器計時,故不需要秒表,本實驗不需要測量質量,故不需要天平。 (2)如圖所示 (3)v-t圖線是一條傾斜的直線,小車的速度隨時間均勻變化,斜率的物理意義是小車的加速度。 (4)用平均速度ΔxΔt求瞬時速度,Δt越小越好。 (5)如果速度隨時間是均勻變化的,那么位移x將與時間t的二次方成正比,所以只要測出不同時間內的位移和時間,看x1t12=x2t22=x3t32=…是否成立,如果成立就可以檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的。