第18讲力学实验

专题八实验技能与创新第18讲力学实验能力培养练1.(2021·广东卷,11)某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数。缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln,数据如表所示。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。n123456Ln/cm8.0410.0312.0514.0716.1118.09(1)利用ΔLi=Li+3Li(i=1,2,3)计算弹簧的压缩量:ΔL1=6.03cm,ΔL2=6.08cm,ΔL3=cm,压缩量的平均值ΔL=Δcm。

(2)上述ΔL是管中增加(3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80m/s2,该弹簧的劲度系数为N/m(结果保留3位有效数字)。

解析:(1)ΔL3=L6L3=18.09cm12.05cm=6.04cm,压缩量的平均值ΔL=Δ(2)根据(1)问可知,ΔL(3)根据胡克定律的推论可知,3mgsinθ=kΔL答案:(1)6.046.05(2)3(3)48.62.(2021·湖南卷,11)某实验小组利用图a所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系。主要实验步骤如下:(1)用游标卡尺测量垫块厚度h,示数如图b所示,h=cm。(2)接通气泵,将滑块轻放在气垫导轨上,调节导轨至水平。(3)在右支点下放一垫块,改变气垫导轨的倾斜角度。(4)在气垫导轨合适位置释放滑块,记录垫块个数n和滑块对应的加速度a。(5)在右支点下增加垫块个数(垫块完全相同),重复步骤(4),记录数据如下表:n123a/(m·s2)0.0870.1800.260n456a/(m·s2)0.4250.519根据表中数据在图c上描点,绘制图线。如果表中缺少的第4组数据是正确的,其应该是m/s2(保留3位有效数字)。

解析:(1)根据游标卡尺读数规则可知h=10mm+2×0.1mm=1.02cm。(5)根据题表中数据描点连线,绘制图线如图所示,由图可知第4组数据中的加速度a=0.345m/s2。答案:(1)1.02(5)图见解析0.3453.(2022·湖北卷,12)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TmaxTmin图像是一条直线,如图乙所示。(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(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,细线与竖直方向夹角为θ,则细线拉力最小值为Tmin=mgcosθ,到最低点时细线拉力最大,则mgl(1cosθ)=12mv2,Tmaxmg=mv2l,联立可得Tmax=3mg2T(2)由题图乙得直线的斜率为k=1.77(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)2.10.59(3)C4.(2023·河北承德三模)某实验小组的同学利用如图甲所示的实验装置“研究平抛物体运动”,通过描点画出平抛小球的运动轨迹。(1)以下实验过程的做法合理的有。(多选)

A.安装斜槽轨道,使其末端水平,不需要考虑斜槽的摩擦力对本实验的影响B.方格纸只需平整固定在木板上即可C.斜槽末端的凹点对应方格纸上标记为O点,即为平抛的初始点D.为描出小球的运动轨迹,描绘的点应用平滑曲线连接(2)某同学在做平抛运动实验时得到了如图乙所示的运动轨迹,a、b、c三点的位置在运动轨迹上已标出,g取10m/s2,则:①小球做平抛运动的初速度大小为m/s;

②小球抛出点的位置坐标为x=cm,y=cm。

(3)实验得到平抛小球的运动轨迹,以平抛起点O为坐标原点,建立平面直角坐标系,为了探究轨迹是否为抛物线,可在轨迹上取一些点,测量它们的水平坐标x和竖直坐标y,重新作yx2图像,如图所示的yx2图像能说明平抛小球的运动轨迹为抛物线的是。解析:(1)为了保证小球的初速度水平,斜槽末端需切线水平,只要保证小球每次从同一位置由静止释放即可,入射小球沿斜槽下滑过程中,受到与斜槽的摩擦力对实验结果没有影响,A正确;方格纸需规范地固定在木板上,使坐标纸竖直放置,B错误;小球在斜槽末端静止时,球心对应的投影点,即为平抛的初始点,C错误;为描出小球的运动轨迹,描绘的点应用平滑曲线连接,D正确。(2)①由题图乙可知,a、b、c三点中相邻两点的时间间隔相等,设为T,根据运动学公式可得Δy=ybcyab=gT2,解得T=0.1s,小球做平抛运动的初速度大小为v0=xabT=②小球运动到b点时的竖直分速度大小为vby=yac2T=0.30.2m/s=1.5m/s,小球从抛出点运动到b点所用的时间为t=vbyg=1.510(3)小球做平抛运动,设初速度为v0,运动时间为t,在水平方向上x=v0t,竖直方向上y=12gt2,整理得y=g2v02x2答案:(1)AD(2)①2②101.25(3)C5.(2022·辽宁卷,12)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(选填“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遮光带3遮光带…Δt/(103s)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2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)该实验测量重力加速度,不需要天平测质量;需要用刻度尺测量遮光带(透光带)的宽度,故需要刻度尺。(2)根据平均速度的计算公式可知v3=dΔt3(3)根据匀变速直线运动平均速度等于中间时刻的瞬时速度,有v1=dΔt1,v2=dΔt2,v2=v1(4)光栅板的长度明显,下落过程中受到空气阻力的影响,所以竖直向下的加速度小于重力加速度。答案:(1)刻度尺(2)1.5(3)2(4)光栅板受到空气阻力的作用6.(2023·湖南长沙模拟)某兴趣小组的同学利用身边的实验器材,完成验证动量守恒定律实验。身边的实验器材有:刻度尺、天平、打点计时器(一套)、装有厚厚一层松软细沙的小车(以下简称“小车”)、铁块、一端带有竖直挡板的长木板、木块、纸带。实验步骤如下:第1步:把长木板带有竖直挡板的一端固定在水平桌面上,把木块垫在木板左端下方,制成一个斜面,并将实验器材按如图甲所示方式安装好;把小车放到木板上,将穿过打点计时器的纸带与小车连接。通过左右调整木块位置,直至给小车一个沿木板向下的初速度,小车所连纸带上打出的点间隔均匀为止。第2步:把小车放到木板上靠近打点计时器的一端,给小车一个沿木板向下的初速度,经过一段时间后把铁块轻轻放到小车里的细沙上。第3步:取下纸带,测量纸带上点迹均匀的两部分连续5个点的距离x1和x2,且x1>x2。第4步:重复第2步和第3步,记录x1和x2。请回答下列问题。(1)铁块轻轻放到小车里的细沙上发生在相邻的两个点之间。(填纸带上计数点字母符号)

(2)在坐标纸上,以x1和x2分别为纵、横轴,把记录的数据在坐标纸上描点连线,得到一条斜率为k的过原点的直线。只需满足铁块与小车(含细沙)的质量的比值为,就能验证小车和铁块沿水平方向的动量守恒。

(3)若铁块从一定高度处做自由落体运动落到小车上的细沙里,小车匀速运动时的动量(选填“大于”“小于”或“等于”)铁块落到细沙里后铁块和小车的总动量。

解析:(1)铁块轻轻放到小车里之前小车做匀速运动,铁块轻轻放上后也是做匀速运动,但速度会发生变化,对应纸带上的点,可以知道放上铁块的位置在H、I之间。(2)设小车(含细沙)和铁块的质量分别为M和m,长木板倾角为θ,小车沿木板做匀速运动时,有Mgsinθ=μMgcosθ,把铁块放到小车内,稳定后对铁块和小车有(M+m)gsinθ=μ(M+m)gcosθ,即在小车内放铁块前后沿木板方向的合外力都为0,则沿木板方向动量守恒,根据动量守恒定律有Mv1=(M+m)v2,设纸带上打下连续5个点的时间为t,有v1=x1t,v2=x2t,可得Mx1=(M+m)x2,由上述分析可知,若小车和铁块组成的系统沿木板方向动量守恒,则mM=x1(3)铁块做自由落体运动,落到细沙上前有沿斜面向下的分速度,小车做匀速运动时的动量和铁块落入小车前瞬间沿斜面向下的动量之和等于铁块落到细沙上后铁块和小车的总动量,所以小车做匀速运动时的动量小于铁块落到细沙上后铁块和小车的总动量。答案:(1)H、I(2)k1(3)小于7.(2023·山东聊城模拟)某探究小组利用如图甲所示的装置来测量物体质量。A为装有挡光片的钩码,总质量为m0,挡光片的宽度为b,轻绳一端与A相连,另一端跨过光滑轻质定滑轮与待测物体B(质量小于m0)相连,不计绳重、摩擦及空气阻力,重力加速度为g。实验步骤如下:①用力拉住B,保持A、B静止,测出此时挡光片上端到光电门的距离h;②自由释放B,A下降过程中经过光电门,测出挡光片的挡光时间t;③改变挡光片上端到光电门的距离,重复步骤①②,以1th为横坐标,画出1t2根据以上实验过程,回答下列问题。(1)用螺旋测微器测得挡光片的宽度如图乙所示,则挡光片的宽度b=mm。

(2)将挡光片经过光电门的平均速度视为钩码A下降h时的瞬时速度。某次测量中,测得h=0.520m,t=2.1ms,则此次测量挡光片经过光电门时的瞬时速度大小为m/s,钩码A的加速度大小为m/s2。(结果均保留3位有效数字)

(3)如图丙所示,1t2h图像是一条直线,若图线斜率为k,则物体B的质量为解析:(1)螺旋测微器读数为b=3mm+20.0×0.01mm=3.200mm。(2)挡光片经过光电门时的瞬时速度大小为v=bt根据运动学公式v2=2ah,解得a=b22h(3)设物体B的质量为m,由A、B组成的系统机械能守恒,可知(m0m)gh=12(m0+m)v2,整理得1t2=图线斜率k=2(m0-m答案:(1)3.200(2)1.522.23(3)2g-8.(2023·河北沧州模拟)某学习小组欲用单摆测量当地的重力加速度,该小组用不可伸长的细线和小铁球制成一个单摆,如图甲所示。(1)该学习小组将小铁球缓慢拉离平衡位置,达到最高点时细线与竖直方向之间的夹角小于5°,将小铁球由静止释放。从小铁球某一次经过最低点时开始计时并计数1次,数到n次(80<n<120)的时间为t,则该单摆的振动周期T=。(用t、n表示)

(2)该学习小组用直尺测出细线的长度l和小铁球静止时最底端到悬点的距离l1,将l+l1(3)该学习小组改变细线的长度l,记录多组相应的实验数据,并将其标在T