2019届高考物理二轮复习专题限时训练13力学实验与创新(含解析)

专题限时训练13　力学实验与创新

时间：45分钟

1．(2018·武汉华师一附中模拟)为了探究加速度与力、质量的关系，甲、乙、丙三位同学分别设计了如图所示的实验装置，小车总质量用M表示(乙图中M包括小车与传感器，丙图中M包括小车和与小车固连的滑轮)，钩码总质量用m表示．

(1)为便于测量合外力的大小，并得到小车总质量一定时，小车的加速度与所受合外力成正比的结论，下列说法正确的是(　BC　)

A．三组实验中只有甲需要平衡摩擦力

B．三组实验都需要平衡摩擦力

C．三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的总质量M的条件

D．三组实验都需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的总质量M的条件

(2)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和测力计读数相同，通过计算得到小车加速度均为a，a＝g，g为当地重力加速度，则乙、丙两人实验时所用小车总质量之比为12，乙、丙两人实验用的钩码总质量之比为12.

解析：(1)为了便于测量合外力的大小，甲图通过钩码的总质量对应的重力即为合外力，而乙图是力传感器的示数，丙图则是测力计的2倍，因此它们都必须平衡摩擦力，故A错误，B正确；由于甲图通过钩码的总质量对应的重力即为合外力，因此三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的总质量M的条件，故C正确，D错误．

(2)根据牛顿第二定律，则有：F＝M乙a,2F＝M丙a；因此乙、丙两人实验时所用小车总质量之比为12；由牛顿第二定律，对砝码进行研究，则有m乙g－F＝m乙a，而m丙g－F＝m丙2a，因a＝g，解得m乙m丙＝12；即乙、丙两人实验用的钩码总质量之比为12.

2．小白用如图所示的装置验证“力的平行四边形定则”，其部分实验操作如下．

(1)请完成下列相关内容：

a．在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O.

b．卸下钩码，然后将两绳套系在弹簧下端，用两弹簧测力计将弹簧末端拉到同一位置O，记录细绳套AO、BO的方向及两弹簧测力计相应的读数．图中B弹簧测力计的读数为11.40 N.

c．小白在坐标纸上画出两弹簧拉力FA、FB的大小和方向如图所示，请你用作图工具在图中坐标纸上作出FA、FB的合力F′.

d．已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力F如图所示．

e．最后观察比较F和F′，得出结论．

答案：图见解析

(2)本实验采用的科学方法是C.

A．理想实验法  B．控制变量法

C．等效替代法  D．建立物理模型法

解析：b.图中B弹簧测力计的读数为11.40 N；c.图线如图：

3．如图甲所示，某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验：

(1)为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做匀速直线(或匀速)运动．

(2)连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到图乙所示的纸带．纸带上O为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1 s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受拉力为0.2 N，小车的质量为0.2 kg.

请计算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化ΔEk.补填表中空格(结果保留至小数点后第四位).

分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内W＝ΔEk，与理论推导结果一致．

(3)实验前已测得托盘质量为7.7×10－3 kg，实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为0.015 kg(g取9.8 m/s2，结果保留至小数点后第三位)．

解析：(1)若已平衡摩擦力，则小车在木板上做匀速直线运动．

(2)从纸带上的O点到F点，W＝F·＝0.2×0.557 5 J＝0.111 5 J，打F点时速度vF＝＝ m/s＝1.051 m/s，ΔEk＝Mv＝×0.2×1.0512 J≈0.110 5 J.

(3)打B点时小车的速度为vB＝＝ m/s＝0.655 5 m/s，所以小车的加速度a＝＝ m/s2≈0.99 m/s2.

小车所受的拉力F＝(m0＋m)(g－a)，所以盘中砝码的质量m＝－m0＝ kg≈0.015 kg.

4．如图甲为某一同学探究功与速度变化关系的实验图，在水平台面上放一长木板，板的右端有一个定滑轮，细绳一端连接小车，另一端跨过定滑轮，连接装有砝码的托盘，将小车同纸带移近打点计时器，由静止释放托盘，每次托盘下落高度一定，木板足够长，小车没有碰到右侧滑轮(小车在碰到右侧滑轮之前，托盘已经着地)，将小车中的砝码依次移至托盘中，释放托盘，多次实验打下纸带，实验中小车质量为M，托盘质量为m0，每个砝码的质量也为m0，所有砝码与托盘的总质量为m，托盘下落的高度为h，当地重力加速度为g.

(1)减小实验误差，实验操作中先将长木板放置在水平桌面上，接下来再进行一项调节是B.(填正确答案标号)

A．将长木板一端垫高，释放空托盘让其拖动小车拉着纸带运动并打点，判断小车是否做匀速运动

B．将长木板一端垫高，撤除细绳，用手拨动小车后让其拉着纸带运动并打点，判断小车是否做匀速运动

C．将长木板一端垫高，撤除细绳，让小车自行下滑拉着纸带并打点，然后判断小车是否做匀加速运动

D．每移动一次砝码，小车对木板的压力都不同，导致摩擦力不同，所以都应平衡一次摩擦力

(2)实验中，用不同数目的砝码拉动小车拖动纸带图乙是一条实验纸带，O为初始点，纸带上的点为打点计时器打下的原始点，则对纸带上的数据处理正确的是C(填正确答案标号)．

A．选取OA间距，求OA间的平均速度

B．选取DE间距，求DE间的平均速度

C．选取DG间距，求DG间的平均速度

D．选取AG间距，求AG间的平均速度

(3)实验对多次做功的定量记录和对纸带的分析，探究功与速度的变化的关系，在数据处理时采用了图象法处理，纵轴为小车最大速度的平方v2，横轴为n(托盘中的砝码个数n码＝n－1)，得到图丙，图线为过原点的倾斜直线，说明做功与速度变化的关系是合外力做的功与速度的平方成正比，图线斜率的表达式k＝.

解析：(1)为了使细绳对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细绳与长木板平行．接下来还需要进行的一项操作是将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤除细绳，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动，即平衡摩擦力，故A、C错误，B正确；平衡摩擦力只需要平衡一次，每移动一次砝码，不需要重新平衡摩擦力，故D错误．

(2)我们要求出最后匀速运动时的速度，所以选取后面点迹比较均匀的DG段，求DG间的平均速度，故C正确，A、B、D错误．

(3)对小车、砝码以及托盘整体，根据动能定理得：

[(n－1)m0＋m0]gh＝(m＋M)v2

整理得：v2＝n，

若v2­n图线为过原点的倾斜直线，则说明合外力做的功与速度的平方成正比，v2­n图线斜率的表达式为：

k＝＝.

5．(2018·全国卷Ⅱ)某同学用图甲所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数．跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连，滑轮和木块间的细线保持水平，在木块上方放置砝码．缓慢向左拉动水平放置的木板，当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时，弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小．某次实验所得数据在表中给出，其中f4的值可从图乙中弹簧秤的示数读出．

回答下列问题：

(1)f4＝2.75 N；

(2)在图丙的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f­m图线；

答案：如图所示

(3)f与m、木块质量M、木板与木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式为f＝μ(M＋m)g，f­m图线(直线)的斜率的表达式为k＝μg；

(4)取g＝9.80 m/s2，由绘出的f­m图线求得μ＝0.40.(保留2位有效数字)

解析：(1)对弹簧秤进行读数得2.75 N．(2)在图象上添加(0.05 kg, 2.15 N)、(0.20 kg, 2.75 N)这两个点，画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧，如答图所示．(3)由实验原理可得f＝μ(M＋m)g, f­m图线的斜率为k＝μg.(4)根据图象求出k＝3.9 N/kg，代入数据得μ＝0.40.