2026版《金版教程》高考一轮复习物理第5节 力学创新实验

高考总复习首选用卷物理第5节力学创新实验1．(2024·重庆高考)元代王祯《农书》记载了一种人力汲水灌田农具——戽斗。某兴趣小组对戽斗汲水工作情况进行模型化处理，设计了如图甲所示实验，探究戽斗在竖直面内的受力与运动特点。该小组在位于同一水平线上的P、Q两点，分别固定一个小滑轮，将连结沙桶的细线跨过两滑轮并悬挂质量相同的砝码，让沙桶在竖直方向沿线段PQ的垂直平分线OO′运动。当沙桶质量为136.0g时，沙桶从A点由静止释放，能到达最高点B，最终停在C点。分析所拍摄的沙桶运动视频，以A点为坐标原点，取竖直向上为正方向，建立直角坐标系，得到沙桶位置y随时间t的图像如图乙所示。(1)若将沙桶上升过程中的某一段视为匀速直线运动，则此段中随着连结沙桶的两线间夹角逐渐增大，每根线对沙桶的拉力________(选填“逐渐增大”“保持不变”或“逐渐减小”)。沙桶在B点的加速度方向________(选填“竖直向上”或“竖直向下”)。(2)由图乙可知，沙桶从开始运动到最终停止，机械能增加________J(保留两位有效数字，g＝9.8m/s2)。答案：(1)逐渐增大竖直向下(2)0.11解析：(1)沙桶匀速上升时，设连结沙桶的细线与竖直方向的夹角为θ，每根线对沙桶的拉力大小为T，沙桶质量为M，由平衡条件有2Tcosθ＝Mg，当θ逐渐增大时，T逐渐增大；沙桶减速上升到最高点B然后加速下落，则沙桶在B点的加速度方向竖直向下。(2)由题图乙可知，沙桶从开始运动到最终停止，上升高度为h＝8.4cm＝0.084m，初末状态速度均为0，动能变化量为0，机械能增加量ΔE＝Mgh＝136.0×10－3×9.8×0.084J＝0.11J。2．(2021·辽宁高考)某同学阅读教材中的“科学漫步”栏目，对“流体的阻力(f)跟物体相对于流体的速度(v)有关”这一说法产生了兴趣，通过查阅资料得知：对于球形物体，二者间存在定量关系f＝kv，k为比例系数。该同学为探究这一关系利用如图a所示装置测量k。具体操作如下：在柱状玻璃容器中注入某透明液体，将小球在液面处由静止释放，当小球运动到0刻度线处开始计时，每下落10cm记录一次时间，得到多组下落高度h与时间t的数据，作出h­t图像如图b中实线所示。(1)由h­t图像可知，从计时开始小球近似做________运动。(2)已知液体密度ρ＝8.0×102kg/m3，小球体积V＝5.0×10－10m3、质量m＝4.0×10－6kg，结合h­t图像可得k＝________kg/s(浮力不能忽略，取重力加速度g＝9.8m/s2)。(3)若再用一个体积相同、密度较大的球，重复上述实验，所得h­t图像也是一条直线，则该直线可能是图b中的________虚线。答案：(1)匀速直线(2)5.3×10－4(3)①解析：(1)由h­t图像可知，从计时开始，小球在相等时间内下落的高度近似相同，则小球近似做匀速直线运动。(2)小球受竖直向下的重力、竖直向上的浮力和流体阻力，小球做匀速直线运动时受力平衡，由平衡条件有mg＝F浮＋f，其中F浮＝ρgV，f＝kv，由图b知v＝eq\f(80cm,12s)＝eq\f(1,15)m/s，联立并代入数据得k＝5.3×10－4kg/s。(3)若再用一个体积相同、密度较大的球重复上述实验，则该球所受浮力F浮＝ρgV与原来的球相等，该球的质量m较大，做匀速直线运动时，由mg＝F浮＋f，f＝kv知，该球的速度v较大，结合h­t图像的斜率表示速度可知，该直线可能是图b中的①虚线。3．某学习小组利用如图所示装置探究弹簧的弹性势能大小。实验器材有：左端带有挡板的水平长木板、轻质弹簧、带有遮光片的滑块、光电门、数字计时器、游标卡尺、毫米刻度尺、天平。实验过程如下：①用游标卡尺测得遮光片的宽度为d，用天平测得带有遮光片的滑块质量为m；②长木板固定在水平地面上，将弹簧左端固定在挡板P上，右端与滑块不拴接，当弹簧自由伸长时，弹簧的右端垂直投影位于木板上O处，在此处安装光电门，并与数字计时器相连；③用滑块压缩弹簧，然后用销钉把滑块锁定，此时遮光片中心线通过木板上的A点，用刻度尺测量出A、O间的距离x；④拔去锁定滑块的销钉，滑块经过光电门，记录数字计时器显示的遮光时间为t，滑块停止运动时遮光片中心线通过木板上的B点，用刻度尺测量出O、B间的距离L。请回答下列问题：(1)滑块与弹簧分离瞬间，滑块的速度大小v＝________；(2)滑块在OB段运动的加速度大小a＝________；(3)实验过程中弹簧的最大弹性势能Epm＝________。(均用题目所给物理量符号表示)答案：(1)eq\f(d,t)(2)eq\f(d2,2Lt2)(3)eq\f(md2（L＋x）,2Lt2)解析：(1)根据光电门工作原理，滑块与弹簧分离瞬间，滑块的速度大小v＝eq\f(d,t)。(2)根据运动学知识，滑块在OB段运动的过程有0－v2＝－2aL，又v＝eq\f(d,t)，解得a＝eq\f(d2,2Lt2)。(3)实验中，从拔去销钉到滑块停止运动，根据能量守恒定律，可知弹簧弹性势能全部转化为滑块与木板因摩擦而产生的内能，则Epm＝f(L＋x)，滑块在OB段运动过程，由牛顿第二定律得f＝ma，联立解得Epm＝eq\f(md2（L＋x）,2Lt2)。4．(2024·湖南省张家界市高三下二模)研究表明转动物体也具有动能，称为转动动能，转动动能属于机械能。某同学使用如图甲所示的装置来探究“转动动能与角速度的关系”。质量不可忽略的滑轮可绕固定光滑轴自由转动，轻质细绳绕在滑轮的边缘，另一端连接装有遮光片的小球，光电门位于遮光片正下方。每次实验小球距光电门一定高度由静止释放，轻绳与滑轮之间不打滑。实验中测出了小球(含遮光片)的质量m、滑轮直径D、遮光片宽度d和遮光片通过光电门的时间Δt。重力加速度为g，空气阻力可忽略。(1)用螺旋测微器测出遮光片宽度如图乙所示，则遮光片宽度d＝________mm。(2)若小球下落过程中，小球和滑轮组成的系统机械能守恒，释放小球时遮光片中心与光电门中心的高度差为h，则当遮光片通过光电门时滑轮的转动动能E＝______________。(用题中所给物理量的符号表示)(3)改变小球的释放高度，多次重复上述实验得到表中所列数据。次数1234ω(rad/s)4.08.011.919.7E(J)0.00100.00400.00890.024由此可判断滑轮转动动能E与角速度ω的关系为________。A．E∝ω－1 B．E∝ωC．E∝ω2答案：(1)5.800(2)mgh－eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt)))eq\s\up12(2)(3)C解析：(1)由题图乙可知遮光片宽度为d＝5.5mm＋30.0×0.01mm＝5.800mm。(2)遮光片通过光电门时的速度为v＝eq\f(d,Δt)，根据系统机械能守恒可知，当遮光片通过光电门时滑轮的转动动能为E＝mgh－eq\f(1,2)mv2，联立可得E＝mgh－eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt)))eq\s\up12(2)。(3)由表中实验数据可知，滑轮转动动能E与角速度ω的关系为E∝ω2，故选C。5．(2020·全国卷Ⅰ)某同学用如图所示的实验装置验证动量定理，所用器材包括：气垫导轨、滑块(上方安装有宽度为d的遮光片)、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。实验步骤如下：(1)开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时，可认为气垫导轨水平；(2)用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块(含遮光片)的质量m2；(3)用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接，并让细线水平拉动滑块；(4)令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动，和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12；(5)在遮光片随滑块从A运动到B的过程中，如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，拉力冲量的大小I＝________，滑块动量改变量的大小Δp＝________；(用题中给出的物理量及重力加速度g表示)(6)某次测量得到的一组数据为：d＝1.000cm，m1＝1.50×10－2kg，m2＝0.400kg，Δt1＝3.900×10－2s，Δt2＝1.270×10－2s，t12＝1.50s，取g＝9.80m/s2。计算可得I＝________N·s，Δp＝________kg·m·s－1；(结果均保留3位有效数字)(7)定义δ＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(I－Δp,I)))×100%，本次实验δ＝________%(保留1位有效数字)。答案：(1)大约相等(5)m1gt12m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)－\f(d,Δt1)))(6)0.2210.212(7)4解析：(1)当遮光片经过两个光电门的遮光时间大约相等时，滑块经过两个光电门的速度大约相等，由于气垫导轨对滑块的阻力很小，可以认为此时气垫导轨水平。(5)由I＝Ft及题给条件，知I＝m1gt12；由Δp＝m2v2－m2v1，v1＝eq\f(d,Δt1)，v2＝eq\f(d,Δt2)，知Δp＝m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)－\f(d,Δt1)))。(6)代入数据知，I＝m1gt12＝1.50×10－2×9.80×1.50N·s＝0.221N·s，Δp＝m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)－\f(d,Δt1)))＝0.400×eq\b