1、1专题五 第 13 讲 力学实验与创新限时：40 分钟1(2018陕西省宝鸡市模拟)如图甲所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫导轨上安装了一个光电门 B。滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从 A 处由静止释放。(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度 d，如图乙所示，则 d_2.30_mm。(2)实验时，将滑块从 A 位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门 B 的时间 t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是_遮光条到光电门的距离 L(或 A、 B间的距离)_。(3)改变钩码质量，测出对应的力传感器
2、的示数 F 和遮光条通过光电门的时间 t，通过描点作出_ F _(填“ t2 F”“ F”或“ F”)的线性图象。1t2 1t 1t2解析 (3)由题意可知，该实验中保持小车质量 M 不变，因此有 v22 aL，其中v ， a ，即 2 L，得 F。dt FM d2t2 FM 1t2 2LMd22(2018厦门市高三下学期第二次质量检测)如图所示，是探究向心力的大小 F 与质量 m、角速度 和半径 r 之间的关系的实验装置。转动手柄，可使塔轮、长槽和短槽随之匀速转动。塔轮自上而下有三层，每层左右半径比分别是 1：1、2：1 和 3：1。左右塔轮通过皮带连接，并可通过改变皮带所处的层来改变左右塔
3、轮的角速度之比。实验时，将两个小球分别放在短槽 C 处和长槽的 A(或 B)处， A、 C 到塔轮中心的距离相等。两个小球随塔轮做匀速圆周运动，向心力大小可由塔轮中心标尺露出的等分格的格数读出。2(1)在该实验中应用了_B_来探究向心力的大小与质量 m、角速度 和半径 r 之间的关系。A理想实验法 B控制变量法 C等效替代法(2)用两个质量相等的小球放在 A、 C 位置，匀速转动时，左边标尺露出 1 格，右边标尺露出 4 格，则皮带连接的左右塔轮半径之比为_21_。解析 (1)向心力和三个因素有关，所以需要控制其中两个恒定，改变第三个量，从而来研究向心力和它们的关系，故采用了控制变量法，B 正
4、确；(2)同一条皮带相连，则 A、 C 线速度相同，故 1，根据题意可知塔轮向心力之 ArA CrC比为 14，并且塔轮的半径相同， A、 C 转动和各自的塔轮角速度相同，故 ，可知m 2Arm 2Cr 14 ，故 。 A C 12 rArC 213(2018陕西省渭南韩城市高三下学期第三次模拟)为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图所示的实验装置。其中 M 为带滑轮的小车的质量， m 为砂和砂桶的质量，(滑轮质量不计)(1)实验时，一定要进行的操作或保证的条件是_BCD_。A用天平测出砂和砂桶的质量B将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力C小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放
5、小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数D改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带E为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量 m 远小于小车的质量 M(2)该同学在实验中得到如图所示的一条纸带(相邻两计数点间还有一个点没有画出)。已知打点计时器采用的是频率为 50Hz 的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为_1.3_m/s2(结果保留两位有效数字)。(3)以弹簧测力计的示数为横坐标，加速度为纵坐标(纵、横坐标轴单位长度相等，且都为国际单位)，画出的 a F 图象是一条直线，图线与横轴的夹角为 ，求得图线的斜率3为 k，则小车的质量为_D_A2tan B 1tanC k D2k解析 (1)A、E
6、项：本题拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总质量，故 A、E 错误；B 项：该题是弹簧测力计测出拉力，从而表示小车受到的合外力，故需要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力，故 B 正确；C 项：打点计时器运用时，应先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，该实验探究加速度与力和质量的关系，要记录弹簧测力计的示数，故 C 正确；D项：改变砂和砂桶质量，即改变拉力的大小，打出几条纸带，研究加速度随 F 变化关系，故 D 正确。(2)由于两计数点间还有 1 个点没有画出，故两点之间的时间间隔为T20.02s0.04s，根据逐差法a x6
7、x5 x4 x3 x2 x19T2 102 m/s21.3m/s 2。 3.8 3.3 2.8 2.3 1.9 1.490.042(3)根据 2F ma， a F，图象的斜率 k，即 k ，所以小车的质量 m ，故 D 正确。2m 2m 2k4(2018全国卷高考压轴卷理综试题)如图 a 所示是打桩机的简易模型。质量m1kg 的物体在拉力 F 作用下从与钉子接触处由静止开始运动，上升一段高度后撤去 F，到最高点后自由下落，撞击钉子后物体不再弹起，将钉子打入一定深度。若以初始状态物体与钉子接触处为零势能点，物体上升过程中，机械能 E 与上升高度 h 的关系图象如图 b所示。不计所有摩擦， g10
8、m/s 2。物体上升过程所受拉力 F_12_N；在整个过程中距初始位置_0.6_m 处物体的重力势能与动能相等。解析 根据功能原理得： E Fh ，得 F ，可知 E h 图象的斜率等于拉力， E h为： F N12N；由图可知，物体的机械能最大为 12J，下落的过程中机械能守恒， E h 1214物体的重力势能与动能相等时，均为 6J，即： mgh6J，解得： h0.6m。5(2018山东省潍坊市高三下学期一模)在“验证机械能守恒定律”的实验中，一实验小组让小球自倾角为 30的斜面上滑下，用频闪相机记录了小球沿斜面下滑的过程，如图所示，测得 B、 C、 D、 E 到 A 的距离分别为 x1、
9、 x2、 x3、 x4，已知相机的频闪频率为 f，重力加速度为 g9.8m/s 2。(1)滑块经过位置 D 时的速度 v0_ _。 x4 x2 f2(2)选取 A 为位移起点，根据实验数据作出 v2 x 图线，若图线斜率 k_9.8_，则小球下滑过程机械能守恒。(3)若改变斜面倾角进行实验，请写出斜面倾角大小对实验误差的影响。_斜面倾角越大，误差越小_解析 (1)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，可知 D 点的速度等于 CE 段的平均速度，则有： vD ；(2)取小球从 A 到 B 进行分析，则x4 x22T x4 x2 f2减小的重力势能为 E p mgxsin30 mgx，增
10、加的动能为 E k mv20 mv2，利用12 12 12v2 x 来处理数据，小球从 A 到 B 机械能守恒，则有： mv2 mgx，即 v2 gx，由此可知作12 12出的 v2 x 图是一条经过原点的直线，斜率为 k g9.8m/s 2；(3)在垂直斜面方向，根据平衡条件有： FN mgcos ，若斜面倾角增大，则正压力减小，摩擦力减小，则误差越小。6(2018全国押题卷二)甲、乙同学均设计了动摩擦因数的实验，已知重力加速度为g。(1)甲同学设计的实验装置如图甲所示，其中 A 为置于水平面上的质量为 M 的长直木板，B 为木板上放置的质量为 m 的物块， C 为物块右端连接一个轻质弹簧测
11、力计，连接弹簧的细5绳水平，实验时用力向左拉动 A，当 C 的示数稳定后( B 仍在 A 上)，读出其示数 F，则该设计能测出_ A 与 B_(填“ A 与 B”或“ A 与地面”)之间的动摩擦因数，其表达式为 _。Fmg(2)乙同学的设计如图乙所示，他在一端带有定滑轮的长木板上固定 A、 B 两个光电门，与光电门相连的计时器可以显示带有遮光片的物块在其间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质细绳相连的轻质测力计能显示挂钩处所受的拉力，长木板固定在水平面上，物块与滑轮间的细绳水平，实验时，多次改变沙桶中沙的质量，每次都让物块从靠近光电门 A 处由静止开始运动，读出多组测力计示数 F 及对应的物块在两光
12、电门之间的运动时间 t；在坐标系中作出 F 的图线如图丙所示，图线的斜率为 k，与纵轴的截距为 b，因乙同学不能测1t2出物块质量，故该同学还应该测出的物理量为_光电门 A、 B 之间的距离 x_(填所测物理量及符号)。根据所测物理量及图线信息，可知物块与木板之间的动摩擦因数表达式为 _ _。2xbkg解析 (1)当 A 达到稳定状态时， B 处于静止状态，弹簧测力计的读数 F 与 B 所受的滑动摩擦力 f 大小相等。 B 对木块 A 的压力大小等于 B 的重力 mg，由 f f N得： ，由 C 上读取 F，即可求出 A 与 B 间的动摩擦因数 ；Fmg(2)小车由静止开始做匀加速运动，根据
13、匀加速直线运动位移公式得： x at2，解得：12a ，2xt2根据牛顿第二定律得：对于小车： F mg ma，则： F mg ma mg ，图线2mxt2的斜率为 k2 mx，纵轴的截距为 b mg ， k 与摩擦力是否存在无关，小车与木板间的动摩擦因数 ，故该同学还应该测出的物理量是光电门 A、 B 之间的距离 x。bmg bk2xg 2bxkg7(2018河北省衡水中学二模)某同学用如图甲所示的装置来验证动量守恒定律，该装置由水平长木板及固定在木板一端的硬币发射器组成，硬币发射器包括支架、弹片及弹片释放装置，释放弹片可将硬币以某一初速度弹出。已知一元硬币和五角硬币与长木板间动摩擦因数相同
14、，主要实验步骤如下：a将一元硬币置于发射槽口，释放弹片将硬币发射出去，硬币沿着长木板中心线运动，在长木板中心线的适当位置取一点 O，测出硬币停止滑动时硬币右侧到 O 点的距离。再从同一位置释放弹片将硬币发射出去，重复多次，取该距离的平均值记为 x1，如图乙所示；b将五角硬币放在长木板上，使其左侧位于 O 点，并使其直径与中心线重合，按步骤6从同一位置释放弹片，重新弹射一元硬币，使两硬币对心正碰，重复多次，分别测出两硬币碰后停止滑行时距 O 点距离的平均值 x2和 x3，如图丙所示。(1)为完成该实验，除长木板，硬币发射器，一元及五角硬币，刻度尺外，还需要的器材为_天平_；(2)实验中还需要测量
15、的物理量为_一元硬币的质量 m1和五角硬币的质量 m2_，验证动量守恒定律的表达式为_ m1 m1 m2 _(用测量物理量对应的字母表示)。x1 x2 x3解析 (1)动量为质量和速度的乘积，该实验要验证质量不等的两物体碰撞过程中动量守恒，需测量两物体的质量和碰撞前后的速度，因此除给定的器材外，还需要的器材为天平。(2)测出一元硬币的质量为 m1，五角硬币的质量为 m2，一元硬币以速度 v1被弹射出去后，由动能定理可得 m 1gx1 m1v ，解得 v1 ，当一元硬币以速度 v1与五角硬12 21 2 gx1币碰撞后，速度分别为 v2、 v3，由动能定理可得 m 1gx2 m1v ， m 2gx3 m2v ，解得一12 2 12 23元硬币碰后速度 v2 ，五角硬币碰后的速度为 v3 ，若碰撞过程动量守恒2 gx2 2 gx3则需满足 m1v1 m1v2 m2v3，代入数据可得 m1 m1 m2x1 x2 x3
