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力学实验试题及答案解析-2019年高考物理母题题源系列

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专题17 力学实验【母题来源一】2019年普通高等学校招生全国统一考试物理(全国Ⅰ卷)【母题原题】某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行研究。物块拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在ABCDE五个点中,打点计时器最先打出的是___________点,在打出C点时物块的速度大小为___________m/s(保留3位有效数字);物块下滑的加速度大小为___________m/s2(保留2位有效数字)。【答案】(1)A (2)0.233 (3)0.75【解析】分析可知,物块沿倾斜长木板最匀加速直线运动,纸带上的点迹,从A到E,间隔越来越大,可知,物块跟纸带的左端相连,纸带上最先打出的是A点;在打点计时器打C点瞬间,物块的速度;根据逐差法可知,物块下滑的加速度。【母题来源二】2019年普通高等学校招生全国统一考试物理(全国Ⅱ卷)【母题原题】如图(a),某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验。所用器材有:铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50 Hz的交流电源,纸带等。回答下列问题:(1)铁块与木板间动摩擦因数μ=___________(用木板与水平面的夹角θ、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示)(2)某次实验时,调整木板与水平面的夹角θ=30°。接通电源。开启打点计时器,释放铁块,铁块从静止开始沿木板滑下。多次重复后选择点迹清晰的一条纸带,如图(b)所示。图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出)。重力加速度为9.8 m/s2。可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为___________(结果保留2位小数)。【答案】(1) (2)0.35【解析】(1)由mgsinθ-μmgcosθ=ma,解得:μ=①(2)由逐差法a=得:SII=(76.39-31.83)×10-2 m,T=0.15 s,SI=(31.83-5.00)×10-2m,故a=m/s2=1.97 m/s2,代入①式,得:μ==0.35。【母题来源三】2019年普通高等学校招生全国统一考试物理(全国Ⅲ卷)【母题原题】甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中,甲同学负责释放金属小球,乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。已知相机每间隔0.1 s拍1幅照片。(1)若要从拍得的照片中获取必要的信息,在此实验中还必须使用的器材是__________。(填正确答案标号)A.米尺B.秒表C.光电门D.天平(2)简述你选择的器材在本实验中的使用方法。答:____________________________________________________________。(3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5 cm、ac=58.7 cm,则该地的重力加速度大小为g=__________m/s2。(保留2位有效数字)【答案】(1)A (2)将米尺竖直放置,使小球下落时尽量靠近米尺 (3)9.7【解析】此实验用数码相机替代打点计时器,故实验原理是相同的,仍然需要米尺来测量点与点之间的距离;就本实验而言,因为是不同照片,所以是测量连续几张照片上小球位置之间的距离;加速度求解仍然用逐差法计算,注意是bc与ab之间的距离差。【母题来源四】2019年普通高等学校招生全国统一考试物理(北京卷)【母题原题】用如图1所示装置研究平地运动。将白纸和复写纸对齐重叠并固定在竖直的硬板上。钢球沿斜槽轨道PQ滑下后从Q点飞出,落在水平挡板MN上。由于挡板靠近硬板一侧较低,钢球落在挡板上时,钢球侧面会在白纸上挤压出一个痕迹点。移动挡板,重新释放钢球,如此重复,白纸上将留下一系列痕迹点。(1)下列实验条件必须满足的有____________。A.斜槽轨道光滑B.斜槽轨道末段水平C.挡板高度等间距变化D.每次从斜槽上相同的位置无初速度释放钢球(2)为定量研究,建立以水平方向为x轴、竖直方向为y轴的坐标系。a.取平抛运动的起始点为坐标原点,将钢球静置于Q点,钢球的________(选填“最上端”、“最下端”或者“球心”)对应白纸上的位置即为原点;在确定y轴时______(选填“需要”或者“不需要”)y轴与重锤线平行。b.若遗漏记录平抛轨迹的起始点,也可按下述方法处理数据:如图2所示,在轨迹上取A、B、C三点,AB和BC的水平间距相等且均为x,测得AB和BC的竖直间距分别是y1和y2,则______(选填“大于”、“等于”或者“小于”)。可求得钢球平抛的初速度大小为____________(已知当地重力加速度为g,结果用上述字母表示)。(3)为了得到平抛物体的运动轨迹,同学们还提出了以下三种方案,其中可行的是____________。A.从细管水平喷出稳定的细水柱,拍摄照片,即可得到平抛运动轨迹B.用频闪照相在同一底片上记录平抛小球在不同时刻的位置,平滑连接各位置,即可得到平抛运动轨迹 C.将铅笔垂直于竖直的白纸板放置,笔尖紧靠白纸板,铅笔以一定初速度水平抛出,将会在白纸上留下笔尖的平抛运动轨迹(4)伽利略曾研究过平抛运动,他推断:从同一炮台水平发射的炮弹,如果不受空气阻力,不论它们能射多远,在空中飞行的时间都一样。这实际上揭示了平抛物体_________。A.在水平方向上做匀速直线运动B.在竖直方向上做自由落体运动C.在下落过程中机械能守恒(5)牛顿设想,把物体从高山上水平抛出,速度一次比一次大,落地点就一次比一次远,如果速度足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星。同样是受地球引力,随着抛出速度增大,物体会从做平抛运动逐渐变为做圆周运动,请分析原因。【答案】(1)BD (2)球心 需要 大于 (3)B (4)B (5)利用平抛运动的轨迹的抛物线和圆周运动知识证明即可【解析】根据平抛运动的规律:水平方向匀速直线运动,竖直方向自由落体运动解答。(1)本实验中要保证小球飞出斜槽末端时的速度为水平,即小球做平抛运动,且每次飞出时的速度应相同,所以只要每次将小球从斜槽上同一位置由静止释放即可,故BD正确;(2)a.平抛运动的起始点应为钢球静置于Q点时,钢球的球心对应纸上的位置,由于平抛运动在竖直方向做自由落体运动,所以在确定y轴时需要y轴与重锤线平行;b.由初速度为零的匀加速直线运动规律即在相等时间间隔内所通过的位移之比为可知,由于A点不是抛出点,所以;设AB,BC间所用的时间为T,竖直方向有:,水平方向有:,联立解得:;(3)A项:从细管水平喷出稳定的细水柱,由于细水柱射出后受到空气阻力的作用,;且水的液面高的时候速度大,液面低的时候速度小,故不可行;B项:用频闪照相在同一底片上记录小球不同时刻的位置即平抛运动的轨迹上的点,平滑连接在一起即为平抛运动轨迹,所以此方案可行;C项:将铅笔垂直于竖直的白板放轩,以一定初速度水平抛出,笔尖与白纸间有摩擦阻力的作用,所以铅笔作的不是平抛运动,故此方案不可行;(4)由平抛运动竖直方向运动可知,,时间,所以只要高度相同,时间相同,故B正确;(5)由平抛运动可知,竖直方向:,水平方向:,联立解得:,即抛出物体的轨迹为抛物线,当抛出的速度越大,在抛物线上某点的速度足以提供该点做圆周运动的向心力时,物体的轨迹从抛物线变为圆。【命题意图】考查本题主要是纸带问题,逐差法求加速度;一段平均速度等于中点的瞬时速度是经常考的,必须掌握的;验证力的平行四边形法则,涉及弹簧的劲度系数和弹力的计算,意在考查考生的实验能力。解答此题关键是知道等效法的实验原理,联系胡克定律进行解答。【考试方向】1、高考对于基本仪器的读数作为基础知识考查频率较高。在力学部分,考查的实验仪器主要有弹簧测力计、秒表、螺旋测微器、游标卡尺,大多数时候是填空题,注意估读和误差分析。2、力学中有多个实验都要用到打点计时器,能否正确使用打点计时器,并根据纸带进行正确的数据运算,是能否完成这些实验的关键,利用纸带直接测量的时间和位移,可以计算研究对象的瞬时速度和加速度,若结合其它物理量的测量,还可以解决与上面这些量直接有关或间接有关的问题,例如:计算动能、重力势能、动摩擦因数、功率、转速等,从而延伸出很多与纸带有关的力学实验。3、图象法是一种重要的实验数据处理方法。图象具有既能描述物理规律,又能直观地反映物理过程、表示物理量之间定性定量关系及变化趋势的优点。当前高考试题对数据处理、结果分析考查的频率较高。【得分要点】1、游标卡尺和螺旋测微器读数时应注意的问题(1)10分度的游标卡尺,以mm为单位,小数点后只有1位,20分度和50分度的游标卡尺以mm为单位,小数点后有2位,且对齐格数不估读。(2)螺旋测微器以mm为单位,小数点后必须有3位,对齐格数要估读,同时还要注意半毫米刻度线是否露出。2、打点计时器及纸带问题的处理方法(1)打点计时器的认识和正确使用:电磁打点计时器工作电压为低压交流4~6 V;电火花计时器工作电压为交流220 V;工作时应先接通电源,后释放纸带。(2)纸带的应用判断物体运动性质。若Δx=0,则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动;若Δx不为零且为定值,则可判定物体在实验误差允许范围内做匀变速直线运动。(3)求解瞬时速度利用做匀变速运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。如图所示,求打某一点的瞬时速度,只需在这一点的前后各取相同时间间隔T的两段位移xn和xn+1,则打n点时的速度(4)用“逐差法”求加速度3、图象法处理数据的常用方法和技巧图象是描述物理过程、揭示物理规律、解决物理问题的重要方法之一,用图象法处理实验数据是物理实验中最常用的方法。它的优越性表现在:能形象直观地表达物理规律,有效地减少偶然误差对结果的影响,较方便地获得未经测量或无法直接测量的物理量数值。图象法处理数据的常用方法和技巧:(1)合理选取坐标轴合理选取坐标轴就是要选择好横坐标、纵坐标所代表的物理量,确定每个物理量的单位和标度,明确坐标原点处所对应的物理量的数值。(2)抓住“斜率”做文章考查了学生运用图象处理实验数据的本领,考查学生对图线斜率意义的理解。因此只有在平时的实验过程中加强这一能力的培养和训练,才能收到以不变应万变之效。(3)在“截距”上求变化作为实验图线的描绘,如果说斜率是联系各变量的中枢神经的话,那么图象与横纵轴的交点就是那“龙”的眼睛,截距就反映这些特定状态所对应的物理量的大小。1.(2019·辽宁葫芦岛第一高级中学高一期末)在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中,使质量为m=1.00 kg的重物自由下落,打点计时器在纸带上打出一系列的点,选取一条符合实验要求的纸带如图所示。O为第一个点,A、B、C为从合适位置开始选取连续点中的三个点。已知打点计时器每隔0.02 s打一个点,当地的重力加速度为g=9.80 m/s2,那么:(1)根据图上所得的数据,应取图中O点到________点来验证机械能守恒定律;(2)从O点到(1)问中所取的点,重物重力势能的减少量ΔEp=________J,动能增加量ΔEk=________J(结果取三位有效数字);(3)若测出纸带上所有各点到O点之间的距离,根据纸带算出各点的速度v及物体下落的高度h,则以为纵轴,以h为横轴画出的图象是下图中的_______。【答案】(1)B (2)1.88 1.84 (3)A【解析】本题考察的是用打点计时器验证机械能守恒定律的实验问题。(1)根据图上所得的数据,应取图中O点到B点来验证机械能守恒定律,因为C点的瞬时速度根据所给数据无法计算,所以取O点到B点。(2)重物重力势能的减少量B点的瞬时速度:动能增加量;(3)由可知,所以答案选A。2.(2019·湖南高一期末)利用图中所示装置研究平拋物体的运动。(1)下列操作正确的是_________。A.调节斜槽末端切线水平B.小球必须从斜槽同一位置释放C.斜槽必须光滑D.以小球在斜槽末端时球心在木板(白纸)上的射影为轨迹的抛出点(2)用乙是某同学描绘出的轨迹,试判断:A点是抛出点吗?__________。(填“是”或“否”)(3)另一同学将A纸换成方格纸,每个小方格的边长L=20 cm,通过实验,记录了小球在运动途中的个位置。如图丙所示,则小球做平抛运动的初速度v0=__________m/s;运动到B点时的速度vB=___________m/s(g取10 m/s2)。【答案】(1)ABD (2)否 (3)3 5【解析】(1)调节斜槽末端切线水平,选项A正确;小球必须从斜槽同一位置释放,以保证小球到达斜槽底端时速度相同,选项B正确;斜槽没必要光滑,只要小球到达底端时速度相同即可,选项C错误;以小球在斜槽末端时球心在木板(白纸)上的射影为轨迹的抛出点,选项D正确;(2)若A为抛出点,所以根据平抛运动规律有:竖直方向应该是自由落体,因此竖直位移之比为1:3:5,然而,hAB:hBC=3:5,所以A点不是抛出起点。(3)由图可知,物体由A→B和由B→C所用的时间相等,且有:∆y=gT2,由图可知∆y=2L=40 cm=0.4 m,代入解得,T=0.2 s;x=v0T,将x=3L=60 cm=0.60 m,代入解得:v0=3.0 m/s;竖直方向自由落体运动,根据匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度有:。所以。3.(2019·山西平遥中学高一期末)某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度变化的关系,小车在橡皮筋的作用下弹出后,沿木板滑行,打点计时器的工作频率为50 Hz。(1)木板倾斜的目的是为了___________________。(2)实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条……,合并起来挂在小车的前端进行多次实验,每次都要把小车拉到同一位置再释放小车。第1次只挂1条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为W1,第二次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功为2W1……,橡皮筋对小车做功后使小车获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出。根据第四次的纸带(如图所示)求得小车获得的速度为________m/s。(结果保留3位有效数字)(3)若图象是一条过原点的倾斜的直线,则说明_________________________。【答案】(1)平衡摩擦力 (2)2.00 (3)W与v2成正比【解析】(1)实验中木板略微倾斜是平衡摩擦力,目的是使橡皮筋对小车的拉力为小车受到的合力,即可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功;(2)小车速度为;(3)若图象是一条过原点的倾斜的直线,则说明W与v2成正比。4.(2019·内蒙古集宁一中高一期末)在用下图所示的装置做“探究动能定理”的实验时:(1)下列说法中正确的是______(填字母代号)。A.该实验不需要平衡摩擦力B.为简便起见,每次实验中橡皮筋的规格要相同,拉伸的长度要一样C.通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度D.通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度 (2)下列说法中正确的是______(填字母代号)。A.橡皮筋做的功可以直接测量B.把橡皮筋拉伸为原来的两倍,橡皮筋做功也增加为原来的两倍C.可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值D.可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值【答案】(1)BC (2)C【解析】(1)本实验是把橡皮筋的弹力作为小车受到的合外力,然后验证合外力做功与动能变化之间的关系,所以要平衡摩擦力,故A错误;每次实验中橡皮筋的规格要相同,拉伸的长度要一样,则合外力做功可以计算为W、2W、3W……这样可以不用具体求每次做功为多少,且验证合外力做功与动能变化之间的关系,故B正确;当橡皮筋恢复原长时,小车的速度达到最大,然后做匀速运动,则通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度,故C正确;D错误;故选BC。(2)弹力是变力,做功没办法具体计算,故A错误;由于弹力做功与伸长的长度不是正比关系,所以当橡皮筋拉伸为原来的两倍,橡皮筋做功不会增加为原来的两倍,故B错误;可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值,每次实验中橡皮筋的规格要相同,拉伸的长度要一样,则合外力做功可以计算为W、2W、3W……故C正确;对小车做的功是由橡皮筋的条数决定的,不能通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值,故D错误;故选C。5.(2019·黑龙江大庆中学高一期末)图甲为“验证机械能守恒定律”的装置图,实验中,打点计时器所用电源频率为50 Hz,当地重力加速度的值为9.80 m/s2,测得所用重物的质量为1.00 kg。若按实验要求正确地选出纸带进行测量,量得连续三个计时点A、B、C到第一个点的距离如图乙所示,那么:(1)纸带的______端与重物相连;(填“左”或“右”);(2)打点计时器打下点B时,物体的速度______(保留两位有效数字;(3)从起点O到计数点B的过程中重力势能减少量______J,此过程中物体动能的增加量______J;(g=9.8 m/s2,以上两空均保留两位有效数字)(4)通过计算,______(填“”“”或“”),这是因为____________________;(5)实验的结论是_______________________。【答案】(1)左 (2) (3) (4) 下落过程中存在阻力做功 (5)在实验误差范围内,=,机械能守恒【解析】(1)物体做加速运动,由纸带可知,纸带上所打点之间的距离越来越大,这说明物体与纸带的左端相连。(2)利用匀变速直线运动的推论;(3)重物由O点运动到B点时,重物的重力势能的减少量∆Ep=mgh=1.0×9.8×0.0501 J=0.49 J,物体动能的增加量Ek=mvB2=0.48 J。(4)由上数据可知,△Ep>△Ek,原因是下落时存在阻力做功;(5)在实验误差范围内,△EP=△Ek,机械能守恒。6.(2019·广东高一期末)在“探究功与速度变化的关系”实验中,某同学设计了如图甲所示的实验方案:使小物块在橡皮筋的作用下沿水平桌面被弹出,第二次、第三次操作时分别改用2根、3根、同样的橡皮筋将小物块弹出,测出小物块被弹出时速度,然后找到牵引力对小物块做的功与小物块速度的关系。(1)要测得小物块被弹出后的水平速度,需要测量哪些物理量__________。(填正确答案标号,g已知)A.小物块的质量mB.橡皮筋的原长xC.橡皮筋的伸长量D.桌面到地面的高度hE.小物块抛出点到落地点的水平距离L(2)实验时,若把橡皮筋两端固定,使橡皮筋的伸长量依次加倍来实现橡皮筋对小物块做功成整数倍变化,这样做有什么不好?答:_____________________________。(3)根据实验数据做出的图象如图乙所示,图线不通过原点的原因是__________________。【答案】(1)DE (2)橡皮筋的伸长量不同,会造成每一次小物体克服摩擦力做的功不同,不利于比较它们的关系 (3)物体在桌面上运动时需要克服摩擦力做功【解析】(1)物块离开桌面后做平抛运动,竖直方向:h=gt2,水平方向:L=vt,解得:,要测物被弹出时的速度,需要测量:桌面到地面的高度h,小物块抛出点到落地点的水平距离L,故选DE;(2)橡皮筋的伸长量不同,会造成每一次小物体克服摩擦力做的功不同,不利于比较它们的关系;(3)物块在桌面上运动时,弹力对物块做功,摩擦力对物块做负功,由于物块要克服摩擦力做功,则图象不过原点。7.(2019·湖南高一期末)某同学用图甲所示的实验装置探究小车的加速度a与质量m的关系。所用交变电流的频率为50 Hz。(1)把木板的一侧垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在不受牵引时能拖动纸带匀速运动,这样做的目的是为了______________________。(2)图乙是他某次实验得到的纸带,两计数点间有四个点未画出,部分实验数据在图中已标注。则纸带的___________(填“左”或“右”)端与小车相连,小车的加速度是___________m/s2。(3)保持小车所受的拉力不变,改变小车质量m,分别测得不同质量时小车加速度a的数据如表所示。请在图丙的坐标纸中作出a–图像。根据a–图像可以得到的实验结论是______________________。【答案】(1)平衡阻力 (2)左 0.51 (3) 在拉力不变时,小车的加速度与质量成反比【解析】(1)探究小车的加速度a与质量m的关系实验,由于导轨阻力的存在,实验之前要平衡阻力;(2)由于小车做加速运动,则纸带打出的点迹越来越稀,故左端是跟小车相连的;由运动学公式求加速度,;(3)根据表格中数据先描点,再画图象如图所示;从图象可以看出图象是一条过原点的直线,由此得出:在拉力不变时,小车的加速度与质量成反比。8.(2019·河南高一期末)为了“探究加速度与力、质量的关系”,现提供如图所示的实验装置:(1)以下实验操作正确的是___________A.将木板不带滑轮的一端适当垫高,使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动B.调节滑轮的高度,使细线与木板平行C.先接通电源后释放小车D.实验中小车的加速度越大越好(2)在实验中,得到一条如下图所示的纸带,A、B、C、D、E、F、G是计数点,已知相邻计数点间的时间间隔为T=0.1 s,且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分别为3.09 cm、3.43 cm、3.77 cm、4.10 cm、4.44 cm、4.77 cm,则小车的加速度a=___________m/s2。(结果保留两位有效数字)(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定,探究加速度a与所受外力F的关系,他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验,得到了两条a–F图线,如右图所示。图线_________是在轨道倾斜情况下得到的(填①或“②);小车及车中砝码的总质量m=_______kg。【答案】(1)BC (2)0.34 (3)① 0.5【解析】(1)A.将木板不带滑轮的一端适当垫高,不挂砝码及砝码盘,使小车拖着纸带恰好做匀速运动,选项A错误;B.调节滑轮的高度,使细线与木板平行,选项B正确;C.先接通电源后释放小车,选项C正确;D.实验中小车的加速度不是越大越好,故D错误。(2)根据△x=aT2,运用逐差法得,;(3)在图线①中,F等于零,加速度a不等于零,可知图线①是在轨道倾斜情况下得到的。a–F图线的斜率等于小车和砝码质量的倒数,则有,解得M=0.5 kg。
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