【物理】2020届二轮复习实验题热点14　力学创新实验作业（山西专用） 6页

热点14　力学创新实验 热考题型 ‎　　《考试大纲》中的实验能力提到:“能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题,包括简单的设计性实验”。所以从仪器的使用、装置的改造、数据的灵活处理等方面进行变通和拓展是复习中必须经历的一个过程,要对各个实验的原理、方法进行合理迁移,类似的实验要多比较分析。‎ 题型一　仪器创新实验 ‎1.某同学利用图示装置来研究A和C组成的系统机械能是否守恒。A、B是质量均为m的小物块,C是质量为M的重物,A、B间由轻弹簧相连、A、C间由轻绳相连。在物块B下放置一压力传感器,重物C下放置一速度传感器,压力传感器与速度传感器相连。当压力传感器示数为零时,就触发速度传感器测定此时重物C的速度。整个实验中弹簧均处于弹性限度内,重力加速度为g。实验操作如下:‎ ‎①开始时,系统在外力作用下保持静止,轻绳拉直但张力为零。现释放C,使其向下运动,当压力传感器示数为零时,触发速度传感器测出C的速度为v;‎ ‎②在实验中保持A、B质量不变,改变C的质量M,多次重复第①步。‎ 回答下列问题:‎ ‎(1)该实验中,M和m大小关系必须满足M　　　　m(填“<”“=”或“>”)。 ‎ ‎(2)为便于研究速度v与质量M的关系,每次测重物的速度时,其已下降的高度应　　　　(填“相同”或“不同”)。 ‎ ‎(3)根据所测数据,为得到线性关系图线,应作出　　　 填“v‎2‎-M”“v‎2‎-‎1‎M”或“v‎2‎-‎1‎M+m”‎图线。‎ ‎(4)若第(3)问中所作出的图线在纵轴上的截距为b,则弹簧的劲度系数为　　　　(用题给的已知量表示)。 ‎ 答案　(1)>　(2)相同　(3)v2-‎1‎M+m　(4)‎‎4mg‎2‎b 解析　(1)由题意可知,当压力传感器的示数为零时,C仍然有向下的速度v,所以必须满足M>m。‎ ‎(2)必须保证重物每次下降高度相同才能研究速度v与质量M的关系。‎ ‎(3)因刚开始时弹簧被压缩,弹力为mg;而压力传感器示数为0时,弹簧被拉伸,弹力大小仍为mg,即弹簧弹性势能在始、末状态相同,为此需要验证‎1‎‎2‎(m+M)v2=(M-m)g·2x,x为弹簧弹力大小为mg时弹簧的形变量,化简得v2=-8mg·x·‎1‎M+m+4gx,所以要想得到线性关系图线,应作v2-‎1‎M+m图线。‎ ‎(4)由题意知,当‎1‎M+m=0时有b=4gx,而mg=kx,联立得k=‎4mg‎2‎b。‎ 题型二　方法创新实验 ‎2.某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系。‎ ‎(1)如图(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测得相应的弹簧长度,部分数据如下表,由数据算得劲度系数k=　　　　N/m。(g取9.8 m/s2) ‎ 砝码质量(g)‎ ‎50‎ ‎100‎ ‎150‎ 弹簧长度(cm)‎ ‎8.62‎ ‎7.63‎ ‎6.66‎ ‎(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图(b)所示;调整导轨,当滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎(3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度v,释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为　　　　。 ‎ ‎(4)重复(3)中的操作,得到v与x的关系如图(c)。由图可知,v与x成　　　　关系,由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的　　　　成正比。 ‎ 答案　(1)49.5~50.5　(2)相等　(3)滑块的动能　(4)压缩量的二次方 解析　(1)由f=kx得Δf=k·Δx,代入表中数据可得出k值。(2)滑块滑行过程中无摩擦阻力,自由滑动时导轨已调整到水平状态,故滑块此时匀速运动。(3)当不考虑空气阻力、摩擦等因素且导轨又调到水平状态时,释放滑块的过程中只涉及弹性势能与滑块的动能,即能量只在这两种形式的能量之间转化。(4)v-x图线是过原点的直线,故v∝x。因Ep=Ek=‎1‎‎2‎mv2∝v2∝x2,故Ep∝x2。‎ 跟踪集训 ‎1.用如图所示实验装置测量滑块A与木板间的动摩擦因数。长木板水平固定,细线跨过定滑轮与滑块A、重锤B相连。将细线拉直,测出B离地面的高度h,将重锤从h高处静止释放,B落地后,测出A在木板上滑动的距离x;改变B释放高度重复实验,实验数据如下表所示。‎ 实验次数 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ h/cm ‎10.0‎ ‎15.0‎ ‎20.0‎ ‎25.0‎ ‎30.0‎ ‎35.0‎ x/cm ‎14.7‎ ‎22.4‎ ‎30.3‎ ‎37.6‎ ‎44.9‎ ‎52.4‎ ‎　　(1)若测得A的质量mA=3 kg,B的质量mB=1 kg,A和B间细线的长度L=112.0 cm,木板的长度l=98.0 cm,要达到实验目的,以上四个量中没有必要测量的是　　　　(用物理量的符号表示)。 ‎ ‎(2)作出x随h变化的图像。‎ ‎(3)由图像并结合(1)中所测数值求得滑块与木板间的动摩擦因数为　　　　。 ‎ 答案　(1)L、l　(2)见解析图　(3)0.2‎ 解析　(1)由题意可知,B距地面的高度h,A在木板上滑行的距离x,A、B的质量mA、mB,从静止释放让它们运动到B着地,根据动能定理得:‎ mBgh-μmAgh=‎1‎‎2‎(mA+mB)v2①‎ 从B着地到A停在木板上,根据动能定理得:‎ ‎1‎‎2‎mAv2=μmAg(x-h)②‎ 由①②解得:μ=mBh‎(mA+mB)x-mBh③‎ 可知没有必要测量L和l。‎ ‎(2)作出x随h变化的图像如图所示。‎ ‎(3)由③得:x=‎(1+μ)‎mBμ(mA+mB)‎h 根据数学知识得到图像中直线的斜率 k=‎‎(1+μ)‎mBμ(mA+mB)‎ 由图得:k≈1.5‎ 代入数据得:‎(1+μ)×1‎μ(3+1)‎=1.5‎ 解得:μ=0.2‎ ‎2.如图甲所示的装置叫阿特伍德机,是英国数学家和物理学家阿特伍德(G·Atwood,1746-1807)创制的一种著名力学实验装置,用来研究匀变速直线运动的规律。某同学对该装置加以改进后用来验证机械能守恒定律,如图乙所示。‎ ‎(1)实验时,该同学进行了如下操作:‎ ‎①将质量均为M的重物(A含挡光片、B含挂钩)用绳连接后,跨放在定滑轮上,处于静止状态。测量出　　　　　　　　(填“A的上表面”、“A的下表面”或“挡光片中心”)到光电门中心的竖直距离h。 ‎ ‎②在B的下端挂上质量为m的物块C,让系统(重物A、B以及物块C)中的物体由静止开始运动,光电门记录挡光片挡光的时间为Δt。‎ ‎③测出挡光片的宽度d,计算有关物理量,验证机械能守恒定律。‎ ‎(2)如果系统(重物A、B以及物块C)的机械能守恒,应满足的关系式为　　　　　　　　(已知重力加速度为g)。 ‎ ‎(3)引起该实验系统误差的原因有　　　　　　　　　　　　　　(写一条即可)。 ‎ ‎(4)验证实验结束后,该同学突发奇想:如果系统(重物A、B以及物块C)的机械能守恒,不断增大物块C的质量m,重物B的加速度a也将不断增大,那么a与m之间有怎样的定量关系?a随m增大会趋于一个什么值?请你帮该同学解决:‎ ‎①写出a与m之间的关系式:　　　　　　　　(还要用到M和g)。 ‎ ‎②a的值会趋于　　　　。 ‎ 答案　(1)①挡光片中心 ‎(2)mgh=‎1‎‎2‎(2M+m)(dΔt)2‎ ‎(3)重物运动受到空气阻力 ‎(4)①a=g‎2Mm‎+1‎　②g 解析　(1)、(2)需要测量系统重力势能的变化量,应该测量出挡光片中心到光电门中心的竖直距离h,则系统重力势能的减少量ΔEp=mgh,系统的末速度为:v=dΔt,则系统动能的增加量为:ΔEk=‎1‎‎2‎(2M+m)v2=‎1‎‎2‎(2M+m)(dΔt)2,若系统机械能守恒,则有:mgh=‎1‎‎2‎(2M+m)(dΔt)2。‎ ‎(3)系统机械能守恒的条件是只有重力做功,引起实验系统误差的原因可能有:绳子和滑轮有一定的质量、滑轮与轴之间有摩擦、重物运动受到空气阻力等。‎ ‎(4)根据牛顿第二定律得,系统所受的合外力为mg,则系统加速度为:a=mg‎2M+m=g‎2Mm‎+1‎,当m不断增大时,则a趋于g。‎