（山西專版）2020版高考物理二輪復習 第二篇 實驗題 熱點14 力學創(chuàng)新實驗精練（含解析）

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1、熱點14　力學創(chuàng)新實驗 熱考題型 　　《考試大綱》中的實驗能力提到:“能運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題,包括簡單的設計性實驗”。所以從儀器的使用、裝置的改造、數(shù)據(jù)的靈活處理等方面進行變通和拓展是復習中必須經(jīng)歷的一個過程,要對各個實驗的原理、方法進行合理遷移,類似的實驗要多比較分析。 題型一　儀器創(chuàng)新實驗 1.某同學利用圖示裝置來研究A和C組成的系統(tǒng)機械能是否守恒。A、B是質量均為m的小物塊,C是質量為M的重物,A、B間由輕彈簧相連、A、C間由輕繩相連。在物塊B下放置一壓力傳感器,重物C下放置一速度傳感器,壓力傳感器與速度傳感器相連。當壓力傳感器示數(shù)為零時,就觸發(fā)速度

2、傳感器測定此時重物C的速度。整個實驗中彈簧均處于彈性限度內(nèi),重力加速度為g。實驗操作如下: ①開始時,系統(tǒng)在外力作用下保持靜止,輕繩拉直但張力為零?，F(xiàn)釋放C,使其向下運動,當壓力傳感器示數(shù)為零時,觸發(fā)速度傳感器測出C的速度為v; ②在實驗中保持A、B質量不變,改變C的質量M,多次重復第①步。 回答下列問題: (1)該實驗中,M和m大小關系必須滿足M　　　　m(填“<”“=”或“>”)。? (2)為便于研究速度v與質量M的關系,每次測重物的速度時,其已下降的高度應　　　　(填“相同”或“不同”)。? (3)根據(jù)所測數(shù)據(jù),為得到線性關系圖線,應作出　　　?填“v2-M”“v2-1M

3、”或“v2-1M+m”圖線。 (4)若第(3)問中所作出的圖線在縱軸上的截距為b,則彈簧的勁度系數(shù)為　　　　(用題給的已知量表示)。? 答案　(1)>　(2)相同　(3)v2-1M+m　(4)4mg2b 解析　(1)由題意可知,當壓力傳感器的示數(shù)為零時,C仍然有向下的速度v,所以必須滿足M>m。 (2)必須保證重物每次下降高度相同才能研究速度v與質量M的關系。 (3)因剛開始時彈簧被壓縮,彈力為mg;而壓力傳感器示數(shù)為0時,彈簧被拉伸,彈力大小仍為mg,即彈簧彈性勢能在始、末狀態(tài)相同,為此需要驗證12(m+M)v2=(M-m)g·2x,x為彈簧彈力大小為mg時彈簧的形變量,化簡得v2

4、=-8mg·x·1M+m+4gx,所以要想得到線性關系圖線,應作v2-1M+m圖線。 (4)由題意知,當1M+m=0時有b=4gx,而mg=kx,聯(lián)立得k=4mg2b。 題型二　方法創(chuàng)新實驗 2.某同學根據(jù)機械能守恒定律,設計實驗探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關系。 (1)如圖(a),將輕質彈簧下端固定于鐵架臺,在上端的托盤中依次增加砝碼,測得相應的彈簧長度,部分數(shù)據(jù)如下表,由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k=　　　　N/m。(g取9.8m/s2)? 砝碼質量(g) 50 100 150 彈簧長度(cm) 8.62 7.63 6.66 (2)取下彈簧,將其一端固定于氣墊導軌左側,

5、如圖(b)所示;調整導軌,當滑塊自由滑動時,通過兩個光電門的速度大小　　　　　　　　　　　。? (3)用滑塊壓縮彈簧,記錄彈簧的壓縮量x;釋放滑塊,記錄滑塊脫離彈簧后的速度v,釋放滑塊過程中,彈簧的彈性勢能轉化為　　　　。? (4)重復(3)中的操作,得到v與x的關系如圖(c)。由圖可知,v與x成　　　　關系,由上述實驗可得結論:對同一根彈簧,彈性勢能與彈簧的　　　　成正比。? 答案　(1)49.5~50.5　(2)相等　(3)滑塊的動能　(4)壓縮量的二次方 解析　(1)由f=kx得Δf=k·Δx,代入表中數(shù)據(jù)可得出k值。(2)滑塊滑行過程中無摩擦阻力,自由滑動時導軌已調整到水平

6、狀態(tài),故滑塊此時勻速運動。(3)當不考慮空氣阻力、摩擦等因素且導軌又調到水平狀態(tài)時,釋放滑塊的過程中只涉及彈性勢能與滑塊的動能,即能量只在這兩種形式的能量之間轉化。(4)v-x圖線是過原點的直線,故v∝x。因Ep=Ek=12mv2∝v2∝x2,故Ep∝x2。 跟蹤集訓 1.用如圖所示實驗裝置測量滑塊A與木板間的動摩擦因數(shù)。長木板水平固定,細線跨過定滑輪與滑塊A、重錘B相連。將細線拉直,測出B離地面的高度h,將重錘從h高處靜止釋放,B落地后,測出A在木板上滑動的距離x;改變B釋放高度重復實驗,實驗數(shù)據(jù)如下表所示。 實驗次數(shù) 1 2 3 4 5 6 h/cm 10.0

7、15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 x/cm 14.7 22.4 30.3 37.6 44.9 52.4 　　(1)若測得A的質量mA=3kg,B的質量mB=1kg,A和B間細線的長度L=112.0cm,木板的長度l=98.0cm,要達到實驗目的,以上四個量中沒有必要測量的是　　　　(用物理量的符號表示)。? (2)作出x隨h變化的圖像。 (3)由圖像并結合(1)中所測數(shù)值求得滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)為　　　　。? 答案　(1)L、l　(2)見解析圖　(3)0.2 解析　(1)由題意可知,B距地面的高度h,A在木板上滑行的距離x,A、B的質量mA、

8、mB,從靜止釋放讓它們運動到B著地,根據(jù)動能定理得: mBgh-μmAgh=12(mA+mB)v2① 從B著地到A停在木板上,根據(jù)動能定理得: 12mAv2=μmAg(x-h)② 由①②解得:μ=mBh(mA+mB)x-mBh③ 可知沒有必要測量L和l。 (2)作出x隨h變化的圖像如圖所示。 (3)由③得:x=(1+μ)mBμ(mA+mB)h 根據(jù)數(shù)學知識得到圖像中直線的斜率 k=(1+μ)mBμ(mA+mB) 由圖得:k≈1.5 代入數(shù)據(jù)得:(1+μ)×1μ(3+1)=1.5 解得:μ=0.2 2.如圖甲所示的裝置叫阿特伍德機,是英國數(shù)學家和物理學家阿特伍德(G

9、·Atwood,1746-1807)創(chuàng)制的一種著名力學實驗裝置,用來研究勻變速直線運動的規(guī)律。某同學對該裝置加以改進后用來驗證機械能守恒定律,如圖乙所示。 (1)實驗時,該同學進行了如下操作: ①將質量均為M的重物(A含擋光片、B含掛鉤)用繩連接后,跨放在定滑輪上,處于靜止狀態(tài)。測量出　　　　　　　　(填“A的上表面”、“A的下表面”或“擋光片中心”)到光電門中心的豎直距離h。? ②在B的下端掛上質量為m的物塊C,讓系統(tǒng)(重物A、B以及物塊C)中的物體由靜止開始運動,光電門記錄擋光片擋光的時間為Δt。 ③測出擋光片的寬度d,計算有關物理量,驗證機械能守恒定律。 (2)如果系統(tǒng)(重

10、物A、B以及物塊C)的機械能守恒,應滿足的關系式為　　　　　　　　(已知重力加速度為g)。? (3)引起該實驗系統(tǒng)誤差的原因有　　　　　　　　　　　　　　(寫一條即可)。? (4)驗證實驗結束后,該同學突發(fā)奇想:如果系統(tǒng)(重物A、B以及物塊C)的機械能守恒,不斷增大物塊C的質量m,重物B的加速度a也將不斷增大,那么a與m之間有怎樣的定量關系?a隨m增大會趨于一個什么值?請你幫該同學解決: ①寫出a與m之間的關系式:　　　　　　　　(還要用到M和g)。? ②a的值會趨于　　　　。? 答案　(1)①擋光片中心 (2)mgh=12(2M+m)(dΔt)2 (3)重物運動受到空氣阻力

11、(4)①a=g2Mm+1　②g 解析　(1)、(2)需要測量系統(tǒng)重力勢能的變化量,應該測量出擋光片中心到光電門中心的豎直距離h,則系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp=mgh,系統(tǒng)的末速度為:v=dΔt,則系統(tǒng)動能的增加量為:ΔEk=12(2M+m)v2=12(2M+m)(dΔt)2,若系統(tǒng)機械能守恒,則有:mgh=12(2M+m)(dΔt)2。 (3)系統(tǒng)機械能守恒的條件是只有重力做功,引起實驗系統(tǒng)誤差的原因可能有:繩子和滑輪有一定的質量、滑輪與軸之間有摩擦、重物運動受到空氣阻力等。 (4)根據(jù)牛頓第二定律得,系統(tǒng)所受的合外力為mg,則系統(tǒng)加速度為:a=mg2M+m=g2Mm+1,當m不斷增大時,則a趨于g。 6