主题二 智能设备在力学实验中的应用

主题二智能设备在力学实验中的应用应用(一)利用光电传感器测重力加速度[例1]

(2022·辽宁高考)某同学利用如图所示的装置测量重力加速度，其中光栅板上交替排列着等宽度的遮光带和透光带(宽度用d表示)。实验时将光栅板置于光电传感器上方某高度，令其自由下落穿过光电传感器。光电传感器所连接的计算机可连续记录遮光带、透光带通过光电传感器的时间间隔Δt。(1)除图中所用的实验器材外，该实验还需要______(填“天平”或“刻度尺”)；(2)该同学测得遮光带(透光带)的宽度为4.50cm，记录时间间隔的数据如表所示，编号1遮光带2透光带3遮光带…Δt/(×10－3s)73.0438.6730.00…根据上述实验数据，可得编号为3的遮光带通过光电传感器的平均速度大小为v3＝________m/s(结果保留两位有效数字)；(3)某相邻遮光带和透光带先后通过光电传感器的时间间隔分别为Δt1、Δt2，则重力加速度g＝________(用d、Δt1、Δt2表示)；(4)该同学发现所得实验结果小于当地的重力加速度，请写出一条可能的原因：__________________________________________________________________________________________________________。[解析]

(1)实验中，我们不需要测质量，但需要测遮光带和透光带的宽度，故需要刻度尺；(4)空气阻力的影响或光栅板不沿竖直方向。[创新分析]本实验利用光电传感器与计算机连接记录遮光带和透光带通过光电传感器的时间，再利用Δv＝gΔt，计算重力加速度的大小。

[例2]

(2022·山东等级考)在天宫课堂中，我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下：①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；应用(二)利用力传感器和加速度传感器测物体的质量②接通气源，放上滑块，调平气垫导轨；③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点，A点到O点的距离为5.00cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示。回答以下问题(结果均保留两位有效数字)：(1)弹簧的劲度系数为________N/m。(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a-F图像如图丙中Ⅰ所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为________kg。(3)该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ，则待测物体的质量为________kg。[答案]

(1)12

(2)0.20

(3)0.13[创新分析](1)利用力传感器测量滑块的合外力。(2)利用加速度传感器直接测量滑块的加速度。(3)利用a-F图像求解滑块的质量。

[例3]

(2023·汉中高三质检)某同学利用手机“声音图像”软件测量物块与长木板间的动摩擦因数μ。实验装置如图甲所示，长木板固定在水平桌面上，物块置于长木板上且两端分别通过跨过定滑轮的细线与小球A、B相连，实验前分别测量出小球A、B底部到地面的高度hA、hB(hB＞hA)。打开手机软件，烧断一侧细线，记录下小球与地面两次碰撞声音的时间图像(两小球落地后均不反弹)。应用(三)利用手机软件测量动摩擦因数(1)由图甲可知，实验时应烧断物块________(选填“左侧”或“右侧”)的细线。(2)烧断细线前，用分度值为1cm的刻度尺测量hA，刻度尺的0刻度线与地面齐平，小球A的位置如图乙所示，则hA＝________cm。(3)若某次实验中通过运算得出A下落时间为0.40s，由图丙可知，物块加速运动的时间为______s；若将手机放在靠近小球A的地面上测量物块加速运动的时间，测量结果会________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。(4)仅改变小球B实验前离地高度hB，测量不同高度下物块加速运动时间t，作出hB-t2图像如图丁所示，由图像可求得图线的斜率为k。若小球B的质量为m，物块质量为M，重力加速度为g，则物块与木板间的动摩擦因数μ＝________(用字母k、m、M、g表示)。[解析]

(1)应烧断物块左侧的细线，使小球B拉动物块在长木板上做匀加速直线运动。(2)由题图乙可知，小球A底部距地面的高度为78.5cm(78.2～78.7cm都算对)。(3)由题图丙可知，A、B两球落地时间差为0.50s，A球下落速度快，时间短，则B球下落时间为0.90s。若将手机放在靠近小球A的地面上测量物块加速运动的时间，测量结果为A、B落地时间差和A、B落地后声音传过来时间差之和，故测量结果偏大。[例4]

(2022·湖北高考)某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值Tmin。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的Tmax-Tmin图像是一条直线，如图乙所示。应用(四)应用拉力传感器验证机械能守恒定律(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒，则图乙中直线斜率的理论值为________。(2)由图乙得：直线的斜率为________，小钢球的重力为________N。(结果均保留2位有效数字)(3)该实验系统误差的主要来源是______(单选，填正确答案标号)。A．小钢球摆动角度偏大B．小钢球初始释放位置不同C．小钢球摆动过程中有空气阻力[解析]

(1)设初始位置时，轻绳与竖直方向夹角为θ，则轻绳拉力最小值为Tmin＝mgcosθ到最低点时轻绳拉力最大，设小钢球在最低点的速度为v，轻绳的长度为l，(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选C。[答案]

(1)－2

(2)－2.1

0.59

(3)C[创新分析](1)情境