2023届高考物理二轮复习力学实验专项训练2： 其他力学实验（答案）考试试卷

高考物理力学实验专项训练2 其他力学实验
1．某同学要验证力的平行四边形定则，所用器材有：轻弹簧一只、钩码一个、橡皮条一根、刻度尺及细绳若干．实验步骤如下：
(1)用轻弹簧竖直悬挂钩码，静止时测得弹簧的伸长量为1.5 cm.
(2)如图所示，把橡皮条的一端固定在竖直板上的A点，用两根细绳连在橡皮条的另一端，一根细绳挂上钩码，另一根细绳与轻弹簧连接并用力拉弹簧使橡皮条伸长，让细绳和橡皮条的结点到达O点，用铅笔在白纸上记下O点的位置，并分别在细绳的正下方适当位置标出B、C点．
(3)测得轻弹簧的伸长量为2.3 cm.
(4)去掉钩码，只用轻弹簧仍将结点拉到O点的位置，并标出了力F作用线上的一点D，测得此时轻弹簧的伸长量为2.5 cm.
请完成下列问题：
①该实验________(选填“需要”或“不需要”)测出钩码的重力；
②在图中以O为力的作用点，每一个小方格边长代表0.5 cm，以0.5 cm为标度作出各力的图示，并根据平行四边形定则作出步骤(2)中的两个力的合力F′的图示；
③观察比较F和F′，得出的结论是：_____________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________.
2．(2022·山东青岛市二中高三开学考试)一组同学在教室内做研究平抛运动的实验，装置如图甲所示，末端切线水平的轨道固定在靠近竖直墙的课桌上，在墙上的适当位置固定一张白纸，白纸前面覆盖复写纸．让一小钢球从轨道顶端由静止滚下，离开轨道后撞击复写纸，在白纸上留下撞击痕迹点．开始时轨道末端距墙x0，小球撞击的痕迹点记为1，后依次将课桌远离墙移动L＝30 cm，每次移动后都让小钢球从轨道顶端由静止滚下，直到小钢球不能直接碰到墙，撞击的痕迹点记为2、3、4、……，将白纸取下，测量各撞击痕迹点之间的距离．如图乙，第2、3、4点与第1点的距离分别为y1＝11.00 cm、y2＝32.00 cm、y3＝63.00 cm.重力加速度大小取10 m/s2.则小钢球离开轨道时的速度大小为________ m/s；撞击第3个点前瞬间小球的速度大小为______ m/s(用根号表示)；开始时轨道末端与墙的距离x0＝________ cm.
3．(2022·山东省实验中学模拟)用如图甲所示实验装置做“用单摆测重力加速度”的实验．
(1)为了减小测量误差，下列说法正确的是________(选填字母代号)；
A．将钢球换成塑料球
B．当摆球经过平衡位置时开始计时
C．把摆球从平衡位置拉开一个很大的角度后释放
D．记录一次全振动的时间作为周期，根据公式计算重力加速度g
(2)若测得的重力加速度g值偏小，可能的原因是________(选填字母代号)；
A．把悬点到摆球下端的长度记为摆长
B．把摆线的长度记为摆长
C．摆线上端未牢固地系于悬点，在振动过程中出现松动
D．实验中误将摆球经过平衡位置49次记为50次
4．(2022·广东省蛇口育才中学模拟)为探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系，某实验小组A通过如图甲所示装置进行实验．滑块套在水平杆上，随水平杆一起绕竖直杆做匀速圆周运动，力传感器通过一细绳连接滑块，用来测量向心力F的大小．滑块上固定一遮光片，宽度为d，光电门可以记录遮光片通过的时间，测得旋转半径为r.滑块随杆做匀速圆周运动，每经过光电门一次，通过力传感器和光电门就同时获得一组向心力F和角速度ω的数据．
(1)本实验采用的实验方法是________________________________________________．
(2)以F为纵坐标，以为横坐标，可在坐标纸中描出数据点作一条如图乙所示直线，图线斜率为k，则滑块的质量为__________(用k、r、d表示)；图线不过坐标原点的原因是____________________________．
(3)实验小组B用向心力演示仪探究向心力的大小F与角速度ω的关系，向心力演示器标尺上红白相间的等分格显示出两个小球所受向心力之比为1∶9，则与皮带连接的两个变速塔轮的半径之比为__________．
A．1∶3 B．3∶1 C．1∶9 D．9∶1
5．某兴趣小组同学想探究橡皮圈中的张力与橡皮圈的形变量是否符合胡克定律，若符合胡克定律，则进一步测量其劲度系数(圈中张力与整圈
形变量之比)．他们设计了如图甲所示实验：橡皮圈上端固定在细绳套上，结点为O，刻度尺竖直固定在一边，0刻度与结点O水平对齐，橡皮圈下端悬挂钩码，依次增加钩码的个数，分别记录下所挂钩码的总质量m和对应橡皮圈下端P的刻度值x，如下表所示：
钩码质量m/g 20 40 60 80 100 120
P点刻度值x/cm 5.53 5.92 6.30 6.67 7.02 7.40
(1)请在图乙中，根据表中所给数据，充分利用坐标纸，作出m－x图像；
(2)作出m－x图像后，同学们展开了讨论：
甲同学认为：这条橡皮圈中的张力和橡皮圈的形变量基本符合胡克定律；
乙同学认为：图像的斜率k即为橡皮圈的劲度系数；
丙同学认为：橡皮圈中的张力并不等于所挂钩码的重力；
……
请参与同学们的讨论，并根据图像数据确定：橡皮圈不拉伸时的总周长约为________ cm，橡皮圈的劲度系数约为________ N/m(重力加速度g取10 m/s2，结果保留三位有效数字)．
(3)若实验中刻度尺的0刻度略高于橡皮圈上端结点O，则由实验数据得到的劲度系数将______(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)；若实验中刻度尺没有完全竖直，而读数时视线保持水平，则由实验数据得到的劲度系数将________(选填“偏小”“偏大”或“不受影响”)．
6．某学生想利用气垫导轨、光电门及质量为m的小车来做一些力学实验。如图，他将长为L、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高H，在导轨上的两点处分别安装光电门A和B，然后将小车从导轨上端释放，光电门自动记录小车经过A和B光电门时的挡光时间、，用游标卡尺测得挡光片宽度d，两光电门中心的距离为s。重力加速度为g。
(1)如果他想验证小车在运动过程中机械能守恒：
①小车由光电门A运动到光电门B的过程中，动能的变化量=______；（用已知量符号表示）
②若所用小车的质量，其他数据如下：，，，，小车由光电门A运动到光电门B的过程中，小车重力势能的减少量=______J；（保留三位有效数字）
③该实验中，没有测量挡光片的质量，对验证机械能守恒______（填“有”或“无”）影响。
(2)如果气垫导轨左端垫高H可调，不计挡光片的质量。该同学用该装置探究“在质量不变时，物体的加速度与合力的关系”：
①改变气垫导轨左端的高度，则可以改变小车所受的合力。若某次测量的高度为，则小车所受合力F=______；（用已知和测量的物理量符号表示）
②小车的加速度a=______（用d、s、、表示）
7．橡皮筋也像弹簧一样，在弹性限度内，伸长量x与弹力F成正比，即，k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关，理论与实践都表明，其中Y是一个由材料决定的常数，材料力学上称之为弹性模量。
（1）在国际单位制中，弹性模量Y的单位应该是___________；
A． N B． m C． N/m D． Pa
（2）一段横截面是圆形的橡皮筋，应用如图甲所示的实验装置可以测量出它的弹性模量的值。首先利用刻度尺测得橡皮筋未受到拉力时的长度。利用测量工具A测得橡皮筋未受到拉力时的直径，那么测量工具A应该是___________（选填“10分度游标卡尺”“20分度游标卡尺”“50分度游标卡尺”“螺旋测微器”）；
（3）作出橡皮筋受到的拉力F与伸长量x的图像，如图乙所示，由图像可知这种橡皮筋的弹性模量Y为___________（保留一位有效数字）。
8．如图1所示是“探究小车速度随时间变化的规律”实验装置图，该装置同时也可以完成“探究物体加速度与质量、力的关系”。
（1）用该装置完成“探究小车速度随时间变化的规律”实验时，下面说法正确的是________（单选）
A．图中打点计时器应使用8V左右的交流电源
B．实验时必须通过调节轨道左端的滑轮以让细线和轨道平行
C．实验时必须把轨道右端抬高以补偿阻力，但不需要满足槽码的质量远小于小车的质量
D．为了提高实验的精度，本实验需要改变车中砝码的个数以改变运动小车的质量，获得多组数据
（2）某同学利用如图1所示的装置进行“探究小车速度随时间变化的规律”的实验，实验中重物始终未落地，最后得到了如图2所示的速度—时间图像，根据图像可以分析出在实验操作中可能存在的问题是_____（单选）
A．实验中没有补偿阻力 B．实验中没有满足小车质量远大于槽码质量
C．实验中先让释放小车后打开打点计时器 D．实验中未保持细线和轨道平行
（3）某同学利用上述实验装置进行“探究小车速度随时间变化的规律”的实验。实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如图3。从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出各计数点到“A”的距离（单位：cm）。取“A”计数点为时刻，作出“”如图4所示，则由图像可得其加速度为________m/s2（保留两位有效数字）
（4）在“探究物体加速度与质量、力的关系”实验中，为了提高实验精度，某同学通过合理的操作使用力传感器（图5）来测量绳子拉力，下面有关实验操作中说法正确的是________（单选）
A．实验操作中不需要槽码的质量远小于小车的质量
B．实验操作中不需要细线和轨道平行
C．实验操作中不需要补偿阻力
D．实验操作中不需要多次改变小车的质量以获得多组数据
（5）该同学为了研究力传感器的原理，查阅相关原理，发现力传感器内部的核心结构是如图6所示的装置，四个电阻贴在右侧固定的弹性梁上。其主要原理是在弹性梁左侧施加外力时，弹性梁发生形变，引起贴在弹性梁上的四个电阻形状发生改变，引起电阻值大小发生变化，使输出的电压发生变化，把力学量转化为电学量。其电路简化图如图7所示。施加如图6所示的外力，若要两点输出的电压尽量大，则图7中处电阻应为__________（填“”或者“”）
9．实验小组的同学在实验室做“用单摆测量重力加速度的大小”的实验。
（1）下列最合理的装置是______
A． B． C． D．
（2）为使重力加速度的测量结果更加准确，下列做法合理的是______
A．测量摆长时，应测量水平拉直后的摆线长
B．在摆球运动过程中，必须保证悬点固定不动
C．摆球运动过程中，摆线与竖直方向的夹角不能太大
D．测量周期时，应该从摆球运动到最高点时开始计时
（3）某同学课后尝试在家里做用单摆测量重力加速度的实验。由于没有合适的摆球，于是他找到了一块鸡蛋大小、外形不规则的大理石块代替小球进行实验。
如图1所示，实验过程中他先将石块用细线系好，结点为M，将细线的上端固定于O点。
然后利用刻度尺测出OM间细线的长度l作为摆长，利用手机的秒表功能测出石块做简谐运动的周期T。
在测出几组不同摆长l对应的周期T的数值后，他作出的图像如图2所示。
①该图像的斜率为______
A．g B. C． D．
②由此得出重力加速度的测量值为______。（取3.14，计算结果保留三位有效数字）
（4）重力加速度是一个重要的物理量，其在力学、热学、电学和天文学等方面都有广泛应用。请你利用已学过的知识设计另外两种测量重力加速度的实验方案，并写出需要测量的物理量，以及重力加速度的表达式。
参考答案
1．(4)①不需要　②见解析图　③在误差允许的范围内，力的平行四边形定则成立
解析：(4)①由胡克定律可得，在弹性限度内，弹簧发生弹性形变时，弹力的大小F与弹簧伸长(或缩短)的长度成正比，即有F＝kΔx，故可以用伸长量来代替力，无需测出重力；
②根据平行四边形定则作出步骤(2)中的两个力的合力F′的图示如图所示；
③观察比较F和F′，由图示可得出的结论是：在误差允许的范围内，力的平行四边形定则成立．
2．3　　18
解析：由题知，1、2、3、4撞击点之间的时间间隔相等，设为T，则(y3－y2)－(y2－y1)＝gT2
代入数据解得T＝0.1 s，水平速度vx＝＝3 m/s.
撞击第3个痕迹时，球的竖直分速度为vy＝＝2.6 m/s，则v3＝＝ m/s
撞击第3个痕迹时，球下落的高度h3＝＝0.338 m，球离开桌面到撞击第1个痕迹下落的距离h1＝h3－y2＝0.018 m，下落时间t1＝＝0.06 s，x0＝vxt1＝0.18 m＝18 cm.
3．(1)B　(2)BC
解析：(1)实验中为了减小阻力的影响，应选择密度大的材质小球，A错误；为了减小测量误差，应从摆球经过平衡位置时开始计时，B正确；小球做单摆运动应满足摆角小于5°，C错误；为减小测量误差，应记录多次全振动的时间，求出平均值作为周期，再计算重力加速度g，D错误．
(2)由g＝可知，把悬点到摆球下端的长度记为摆长，则l 偏大，g偏大，A不符合题意；把摆线的长度记为摆长，则l 偏小，g偏小，B符合题意；摆线上端未牢固地系于悬点，在振动过程中出现松动，则实际摆长变大，计算所用的摆长偏小，则由g＝可知，g偏小，C符合题意；实验中误将摆球经过平衡位置49次记为50次，则T偏小，g偏大，D不符合题意．
4．(1)控制变量法　(2)　滑块和水平杆之间有摩擦力　(3)B
解析：(1)本实验采用控制变量法，只让一个物理量发生变化，从而判断向心力与该物理量的关系．
(2)滑块通过光电门时的线速度v＝，滑块通过光电门时的角速度ω＝，根据F＝mω2r
整理得F＝·，故图像的斜率k＝，故m＝.滑块和水平杆之间有摩擦力，开始一段时间，摩擦力提供向心力，当摩擦力达到最大值后，才存在绳子拉力．
(3)两个塔轮靠皮带连接，边缘的线速度相等，因此ω1r1＝ω2r2，而两个小球质量相等，旋转的半径相等，根据题意可得＝＝，联立解得＝＝，故选B.
5．(1)见解析图　(2)10.40　13.6
(3)不受影响　偏小
解析：(1)描点作出m－x图像如图所示
(2)由m－x图像可知，橡皮圈不拉伸时P点距离O点的距离约为5.20 cm(5.10 ～5.30 cm)，则橡皮圈的总周长约为10.40 cm(10.20～10.60 cm)．
由m－x图像可知，图线的斜率为k0＝＝ kg/m≈5.45 kg/m.
Δmg＝2ΔF＝4kΔx，则橡皮圈的劲度系数k＝＝k0g≈13.6 N/m.
(3)若实验中刻度尺的0刻度略高于橡皮圈上端结点O，则由实验数据得到的劲度系数将不受影响，因为计算劲度系数时考虑的是橡皮圈的伸长量而不是长度．
若实验中刻度尺没有完全竖直，而读数时视线保持水平，会使读数偏大，则由实验数据得到的劲度系数将偏小．
6．（1） 0.163
（2）无
解析：(1)①[1]小车经过光电门A和光电门B的速度大小分别为
所以小车由光电门A运动到光电门B的过程中，动能的变化量
②[2]小车由光电门A运动到光电门B的过程中，重力势能的减少量
代入数据得
③[3]由于小车的质量在验证机械能守恒时可以消去，所以挡光片的质量对验证机械能守恒无影响。
(2)①[4]小车所受合力
而
所以
②[5]根据匀变速直线运动的规律可得
解得
7．（1）D
（2）螺旋测微器
（3）
解析：（1）[1]根据表达式
得
已知k的单位是N/m，L的单位m，S的单位是，所以Y的单位是，也就是Pa。
故选D。
（2）[2]测得橡皮筋的长度L用毫米刻度尺，测量工具橡皮筋未受到拉力时的直径用螺旋测微器。
（3）[3]根据
可知，图像的斜率大小等于劲度系数大小，由图像求出劲度系数为
根据
可得
8．（1）B
（2）D
（3）4.0
（4）A
（5）R4
解析：（1）[1]A．图中是电火花计时器，使用220V交流电源，A错误；
B．实验时必须通过调节轨道左端的滑轮以让细线和轨道平行，以保证细线拉力保持不变，小车做匀加速直线运动，B正确；
C．实验目的是“探究小车速度随时间变化的规律”，只要保证小车所受合力不变即可，不需要补偿阻力和满足槽码的质量远小于小车的质量的要求，C错误；
D．为了提高实验的精度，本实验需要改变细线所挂的槽码的个数以改变运动小车的质量，获得多组数据，D错误。
故选B。
（2）[2]有图像可知小车在运动的后阶段加速度变小，说明细线拉力方向后阶段发生变化，故可能存在的问题是试验中未保持细线和轨道平行。
故选D。
（3）[3] 每5个点取一个计数点，故相邻计数点时间间隔为
根据匀变速直线运动位移时间规律可得
知图像的斜率
则小车的加速度为
（4）[4]A．实验中因为绳子的拉力大小通过力传感器读出，因此不需要槽码的质量远小于小车的质量，A正确；
BC．实验目的是“探究物体加速度与质量、力的关系”，要保证小车所受细线拉力等于小车所受合力，则需要补偿阻力，要保持细线和轨道平行，BC错误；
D．实验操作中需要多次改变小车的质量以获得多组数据，以减小偶然误差，D错误。
故选A。
（5）[5]在弹性梁左侧施加外力时，弹性梁发生形变，四个电阻发生变化，其中R1、R2减小，R3、R4增大，四者变化后的阻值关系为R1< R2< R4< R3，电路中ad两点输出的电压为
其中，U为bc两点电压，可见，要使Uad两点电压最大，在题中条件中，使RA>RB即可，即A应选R4。
9．（1）D
（2）BC
（3）C 9.86
（4）见解析
解析：（1）[1]根据单摆理想模型可知，为减小空气阻力的影响，摆球应采用密度较大，体积较小的铁球，为使单摆摆动时摆长不变化，摆线应用不易形变的细私线，悬点应该用铁夹来固定。
故选D。
（2）[2]根据周期公式
可得重力加速度为
A．测量摆长时，应该测量竖直拉直后的摆线成，故A错误；
B．在摆球运动过程中，必须保证悬点固定不动，故B正确；
C．摆球运动过程中，摆线与竖直方向的夹角不能太大，如摆角太大，将不能看作简谐运动，单摆周期公式失效，故C正确；
D．测量周期时，应该从摆球运动到最低点时开始计时，因为最低点位置摆球速度最大，相同的视觉距离误差引起的时间误差较小，则周期测量比较准确，故D错误。
故选BC。
（3）①[3]由图可知，设M点到重心得距离为d，根据周期公式
可得
故该图像的斜率为
故选C。
②[4]由于
解得由此得出重力加速度的测量值为
（4）[5]方法一：用秒表记录一滴水从水龙头到达地面的时间t，但是由于需要测量出水滴下落额定高度h，则还需要测量水龙头离地面高度h，由于水滴下落后做自由落体运动，则有
则可得重力加速度表达式为
由于只测一滴水下落时间，误差较大，可测量n滴水落地时间t，在求平均值，由此得出每一滴水下落时间为
故重力加速度的表达式为
方法二：设两次实验中摆线长度为、，对应的周期为、，两次摆长之差为
其差值需在刻度尺的量程之内。由
解得
需测量的物理量为两个周期、和摆长差。