2020版高考物理大二轮复习专题七物理实验第一讲力学实验教学案 27页

高考物理 第一讲　力学实验 ‎[答案]　(1)逐差法、平均值法、图像法．‎ ‎(2)‎ 27‎ 高考物理 ‎(3)刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器．‎ ‎(4)秒表、打点计时器、光电计时系统．‎ ‎(5)弹簧测力计、力传感器．‎ 27‎ 高考物理 热点考向一　基本仪器的使用 ‎【典例】　(1)某同学用游标卡尺的________(选填“内测量爪”“外测量爪”或“深度尺”)测得一玻璃杯的内高，如图甲所示，则其内高为________cm.‎ ‎(2)该同学随后又用螺旋测微器测得玻璃杯的玻璃厚度如图乙所示，则厚度为________mm.‎ ‎(3)该同学用螺旋测微器测得一小球直径如图丙所示，正确读数后得小球直径为1.731 mm，则a＝________，b＝________.‎ ‎(4)该同学测定一金属杆的长度和直径，示数分别如图丁、戊所示，则该金属杆的长度和直径分别为________cm和________mm.‎ ‎[思路引领]　使用游标卡尺时要掌握各个部分的作用，读数时要分清最小刻度，注意游标卡尺读数时要从游标尺的0刻度开始．螺旋测微器读数时要注意固定刻度上有整毫米和半毫米两行刻度线，若半毫米刻度线未露出，则只读整毫米刻度线部分；若半毫米刻度线已露出，则连半毫米刻度线部分一起读出．刻度尺读数时要精确到最小分度，并估读到下一位．‎ ‎[解析]　(1)因需测量的是玻璃杯的内高即深度，所以要用游标卡尺的深度尺测量，根据图甲可知，游标卡尺主尺上的整毫米数为100 mm，游标尺的精确度为0.1 mm，且第3条刻度线(不计0刻度线)与主尺上的刻度线对齐，则玻璃杯的内高为100 mm＋0.1‎ 27‎ 高考物理 ‎ mm×3＝100.3 mm＝10.03 cm.‎ ‎(2)螺旋测微器的读数规则：测量值＝固定刻度读数(注意半毫米刻度线是否露出)＋精确度(0.01 mm)×可动刻度读数(一定要估读)，由图乙可知玻璃厚度为2.5 mm＋0.01 mm×26.0＝2.760 mm.‎ ‎(3)因1.731 mm＝1.5 mm＋0.01 mm×23.1，由螺旋测微器读数规则知a＝20，b＝0.‎ ‎(4)由图丁所示可得金属杆的长度L＝60.10 cm.由图戊知，此游标尺为50分度，游标尺上第10条刻度线(不计0刻度线)与主尺上的刻度线对齐，则该金属杆直径d＝4 mm＋×10 mm＝4.20 mm.‎ ‎[答案]　(1)深度尺　10.03　(2)2.760　(3)20　0　(4)60.10　4.20‎ ‎1．游标卡尺和螺旋测微器的读数方法 ‎(1)游标卡尺的读数方法：d＝主尺读数(mm)＋精度×游标尺上对齐刻线数值(mm)．‎ ‎(2)螺旋测微器的读数方法 测量值＝固定刻度＋(可动刻度＋估读值)×0.01 mm.‎ 注意要估算到0.001 mm.‎ ‎2．螺旋测微器读数时应注意的问题 ‎(1)固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出．‎ ‎(2)可动刻度的旋钮要估读，估读到0.001 mm.‎ ‎3．游标卡尺读数技巧 ‎(1)读数时应以毫米为单位，读出后再进行单位换算．‎ ‎(2)主尺上的读数，应以游标尺零刻度左端主尺上的刻度为准．‎ ‎(3)20分度的游标卡尺，其读数要精确到0.05 mm，读数的最后一位数字为“0”或“5”.50分度的游标卡尺，其读数要精确到0.02 mm，读数的最后一位数字为“0”、“2”、“4”、“6”、“8”．‎ 27‎ 高考物理 ‎1．一种游标卡尺，它的游标尺上有50个小的等分刻度，总长度为49 mm，用它测量某工件宽度，示数如图甲所示，其读数为________ mm；图乙中的螺旋测微器读数为_________________________mm.‎ ‎[解析]　本题考查游标卡尺和螺旋测微器读数，意在考查学生仪器的使用和读数能力.50刻度游标卡尺的精确度为0.02 mm，读数23 mm＋10×0.02 mm＝23.20 mm；螺旋测微器读数1 mm＋13.0×0.01 mm＝1.130 mm.‎ ‎[答案]　23.20　1.130(±0.002均对)‎ ‎2．(1)某同学用自己发明的新式游标卡尺测量小钢球的直径，新式卡尺将主尺上39 mm在游标尺上均分成20等份．如图所示，则小钢球的直径为d＝________cm.‎ ‎(2)该同学又用螺旋测微器测量某电阻丝的直径，示数如图，则该金属丝的直径为________mm.‎ 27‎ 高考物理 ‎[解析]　(1)游标卡尺20个格总长39 mm，每个格1.95 mm，比主尺上两格(2 mm)少0.05 mm，因此读数方法与普通20分度卡尺一样，读数为1.035 cm.(2)螺旋测微器读数注意上边半格没露出，还要注意估读，根据测量值＝固定刻度＋(可动刻度＋估读值)×0.01 mm可得1.195 mm.‎ ‎[答案]　(1)1.035　(2)1.195‎ 新式游标卡尺的刻度与传统的旧式游标卡尺明显不同，新式游标卡尺的刻度线看起来很“稀疏”，使得读数时显得清晰明了，方便了使用者正确读取数据，原理与传统卡尺相同．通常游标卡尺的刻度有10分度，20分度，50分度三种，新式游标卡尺也有相应的三种，但刻度却是：19 mm等分成10份，39 mm等分成20份，99 mm等分成50份. ‎ 热点考向二　纸带类实验 ‎【典例】　(2019·全国卷Ⅱ)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 27‎ 高考物理 ‎ 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使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9.80 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)．‎ ‎[思路引领]　(1)注意两个计数点之间的时间间隔T＝0.10 s.‎ ‎(2)可考虑用逐差法求a，减小实验误差．‎ ‎[解析]　(1)对铁块受力分析，由牛顿第二定律有mgsinθ－μmgcosθ＝ma，解得μ＝.(2)两个相邻计数点之间的时间间隔T＝5× s＝0.10 s，由逐差法和Δx＝aT2，可得a＝1.97 m/s2，代入μ＝，解得μ＝0.35.‎ ‎[答案]　(1)　(2)0.35‎ 27‎ 高考物理 ‎1．一套装置涉及常考五个实验 ‎(1)研究匀变速直线运动；(2)验证牛顿第二定律；(3)探究动能定理；(4)验证机械能守恒；(5)测定动摩擦因数．‎ ‎2．纸带的三大应用 ‎(1)由纸带确定时间 要区别打点计时器(打点周期为0.02 s)打出的点与人为选取的计数点之间的区别与联系，若每五个点取一个计数点，则计数点间的时间间隔Δt＝0.1 s.‎ ‎(2)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这一段时间中间时刻的瞬时速度求打某一点的瞬时速度．如图甲所示，第n点时的速度vn＝.‎ ‎(3)用“逐差法”求加速度 如图乙所示，因为a1＝，a2＝，a3＝，所以a＝＝.‎ 27‎ 高考物理 迁移一　研究匀变速直线运动 ‎1．(2019·洛阳高三统考)某同学用打点计时器研究小车的匀变速直线运动．他将打点计时器接到频率为50 Hz的交流电源上，实验时得到一条纸带，纸带上O、A、B、C、D、E、F、G为计数点，每两个相邻计数点间还有4个点没有画出．‎ ‎(1)两相邻计数点间的时间间隔为T＝________s.‎ ‎(2)由纸带可知，小车的加速度为a＝________m/s2，在打D点时小车的速度vD＝________m/s(以上两空保留两位有效数字)，F到G的距离大约为________cm.‎ ‎(3)若实验时，电源频率略低于50 Hz，但该同学仍按50 Hz计算小车的加速度，则测量得到的小车的加速度与真实的加速度相比将________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)．‎ ‎[解析]　(1)电源频率为50 Hz时，打点计时器每隔0.02 s打一次点，每两个相邻计数点间还有4个点没有画出，所以两相邻计数点之间的时间间隔T＝0.1 s.‎ ‎(2)由纸带数据可得Δx＝0.75 cm，根据匀变速直线运动的推论Δx＝aT2可得a＝＝ m/s2＝0.75 m/s2.也可用a＝求得a＝＝0.75 m/s2.‎ 利用匀变速直线运动的推论得vD＝＝＝0.40 m/s xEF＝19.65 cm－14.50 cm＝5.15 cm，xFG＝xEF＋Δx＝5.15 cm＋0.75 cm＝5.90 cm.‎ ‎(3)如果在某次实验中，电源的频率f<50 Hz，则实际打点周期变大，根据运动学公式Δx＝aT2，分析可知，测量的加速度与真实的加速度相比偏大．‎ ‎[答案]　(1)0.1　(2)0.75　0.40　5.90　(3)偏大 27‎ 高考物理 迁移二　探究加速度与受力的关系 ‎2．(2019·重庆七校联考)某实验小组调试如图1所示的装置准备探究加速度与受力的关系．已知小车的质量为M，砝码及砝码盘的总质量为m，打点计时器所接的交流电的频率为50 Hz.‎ ‎(1)实验步骤如下：‎ ‎①按图1所示，安装好实验装置，其中动滑轮与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直；‎ ‎②不挂砝码和砝码盘的情况下，调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下匀速运动，其目的是__________________；‎ ‎③挂上砝码盘，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求出小车的加速度；‎ ‎④改变砝码盘中砝码的质量，重复步骤③，求得小车在不同合力作用下的加速度；‎ ‎⑤弹簧测力计的读数为F，则小车所受合外力大小为________．‎ ‎(2)实验过程中，关于砝码及砝码盘的总质量m与小车的质量M的关系，下列说法正确的是________．‎ A．M必须远大于m B．M必须远小于m C．M可以不用远大于m D．M必须等于m 27‎ 高考物理 ‎(3)实验中打出的一条纸带如图2所示，则由该纸带可求得小车的加速度为________m/s2.‎ ‎[解析]　(1)②小车可以沿长木板匀速下滑，说明摩擦力与小车重力沿长木板方向的分力已平衡；⑤小车已平衡摩擦力，所受细线拉力即为小车所受合外力，而弹簧测力计直接测量细线拉力，故其读数F等于小车所受合外力．(2)由(1)的分析可知，弹簧测力计的读数即为小车所受合外力，故C正确．(3)根据公式Δx＝aT2可知：(0.0751－0.0721) m＝2a(5T)2，解得a＝0.15 m/s2.‎ ‎[答案]　(1)②平衡摩擦力　⑤F　(2)C　(3)0.15‎ 热点考向三　“橡皮条、弹簧”类实验 ‎【典例】　某同学利用气垫导轨(带两个光电门和光电计时器)、带有挡光条的滑块、弹簧、砝码、刻度尺等器材设计了一个探究弹簧弹性势能的表达式的实验，部分实验步骤如下：‎ ‎(1)如图甲所示，将轻质弹簧下端固定在铁架台上，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，如图乙所示．用天平测出滑块(含挡光条)的质量m；将滑块放在导轨上，调整导轨，使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，读出滑块上的挡光条通过光电门的挡光时间t.‎ ‎(4)重复(3)中的操作，得到与x的关系如图丙所示．‎ 为了计算被压缩弹簧弹性势能的大小，还必须知道的物理量是________________(写出物理量及表示该物理量相应的字母)，弹簧弹性势能大小的表达式为Ep＝________.‎ 由图丙可知，与x 27‎ 高考物理 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．‎ ‎[思路引领]　‎ ‎[解析]　(1)表格中，当砝码质量为50 g时，弹簧长度为8.62 cm，当砝码质量为100 g时，弹簧长度为7.63 cm，当砝码质量为150 g时，弹簧长度为6.66 cm，设弹簧的劲度系数为k，原长为x0，根据胡克定律F＝kx，有0.05 kg×9.8 m/s2＝k(x0－0.0862 m)，0.1 kg×9.8 m/s2＝k(x0－0.0763 m)，联立两式，解得k＝50 N/m.‎ ‎(2)通过光电门可以测量滑块的瞬时速度．为使弹性势能完全转化为动能，导轨必须水平，因此滑块自由滑动时通过两个光电门的速度大小相等．‎ ‎(4)释放滑块过程中，弹簧的弹性势能转化为滑块的动能，挡光条通过光电门的时间t已知，还需要知道挡光条的宽度L，从而获得滑块脱离弹簧后的速度v，则滑块脱离弹簧时的动能Ek＝m2；根据与x的关系图可知，与x成正比，由动能表达式可知，动能与 27‎ 高考物理 的平方成正比，因此弹簧的弹性势能与弹簧的压缩量的平方成正比．‎ ‎[答案]　(1)50　(2)相等　(4)挡光条的宽度L m2　正比例　压缩量的平方 弹簧类问题数据处理方法 ‎1．列表法：直接从表格数据中得到弹力F与伸长量x的比值是一个常数．‎ ‎2．图像法：以弹力F为纵坐标，弹簧的伸长量x为横坐标，根据所测数据，在坐标系中描点连线，可得到一条过原点的直线．作图像时要使尽可能多的点在一条直线上，不在直线上的点也要尽可能对称分布在直线两侧，如果遇到个别偏差较大的点属误差较大或错误的数据，应舍去．如果横坐标是弹簧的总长度，则画出的F－x关系图像不过原点，但是F－x图像中倾斜直线的斜率都等于弹簧的劲度系数．‎ ‎3．函数法：在误差允许范围内，可写出弹力与弹簧伸长量的函数关系式F＝kx.实际解题中常与图像法配合使用，用得到函数式对比实际关系式以计算物理量等．‎ 迁移一　验证力的平行四边形定则 ‎1．(2019·河北六校联考)完成以下“验证力的平行四边形定则”实验的几个主要步骤：‎ ‎(1)如图甲，用两个弹簧测力计分别钩住细绳，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，记下结点O的位置，两弹簧测力计的读数F1、F2以及两细绳的方向．‎ ‎(2)如图乙，用一个弹簧测力计钩住细绳把橡皮条的结点拉到________________，记下细绳的方向(如图丙中的c)，读得弹簧测力计的示数F＝________.‎ 27‎ 高考物理 ‎(3)如图丙，按选定的标度作出了力F1、F2的图示，请在图丙中：‎ ‎①按同样的标度作出力F的图示．‎ ‎②按力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F′.‎ ‎(4)若F′与F________________________________，则平行四边形定则得到验证．‎ ‎[解析]　(2)用一个弹簧测力计钩住细绳把橡皮条的结点拉到同一位置O，记下细绳的方向，由图乙可读得弹簧测力计的示数F＝4.0 N.‎ ‎(3)①作出力F的图示如图所示．‎ ‎②根据力的平行四边形定则，作出F1、F2的合力F′，如图所示．‎ ‎(4)若有F′与F在误差允许范围内大小相等，方向相同，则平行四边形定则得到验证．‎ ‎[答案]　(2)同一位置O　4.0 N　(3)见解析　(4)在误差允许范围内大小相等，方向相同 迁移二　探究弹力和弹簧伸长量的关系 ‎2．(2019·江西七校联考)探究弹力与弹簧伸长量的关系的实验装置如图甲所示，将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹簧一侧(刻度尺零刻度在上，且与弹簧上端对齐)，重力加速度为g.‎ ‎(1)弹簧自然悬挂，待弹簧静止时，在弹簧下端每次增加质量为m的钩码，弹簧下端的指针所指位置依次下降Δx1、Δx2、Δx3、Δx4、Δx5，则它们________(选填“依次增大”“依次减小”或“不变”)．若悬挂5个质量为m的钩码，弹簧共伸长Δx，则该弹簧的劲度系数k＝________.若使用刻度尺的最小分度为1 mm，记录数据用cm作单位，则应该保留________位小数．‎ ‎(2)若该同学根据实验得出的数据作出的M(钩码的质量之和)－L(弹簧下端的指针所指位置的刻度值)图像如图乙所示，其中a、b为已知量，则弹簧的原长为________，劲度系数为________．‎ 27‎ 高考物理 ‎(3)将弹簧一端固定置于水平桌面上，用外力F缓慢拉该弹簧自由端，当弹簧伸长x0时，外力为F0，外力F做的功W＝________，弹簧的弹性势能为________．‎ ‎[解析]　(1)根据胡克定律，在弹簧下端每次增加质量为m的钩码，弹簧下端的指针所指位置依次下降相等距离，即Δx1＝Δx2＝Δx3＝Δx4＝Δx5.由胡克定律有F＝kx，可得k＝.根据刻度尺读数规则，所用刻度尺的最小分度为1 mm，读数要估读到0.1 mm，记录数据用cm作单位，则应该保留两位小数．‎ ‎(2)钩码的质量之和为M，钩码的重力G＝Mg等于弹簧受到的拉力，由Mg＝kx＝k(L－L0)及图乙可知，弹簧的原长为L0＝a，劲度系数为k＝.‎ ‎(3)当弹簧伸长x0时，外力为F0，力F随x变化的图线为过原点的倾斜直线，图线与横轴所围面积表示外力做的功，即W＝F0x0，根据功能关系，弹簧的弹性势能为F0x0.‎ ‎[答案]　(1)不变　　两　(2)a　　(3)F0x0　F0x0‎ 弹簧的弹性势能计算公式E＝kx2在高考中不作定量要求，而弹簧多变是命题的绝好素材，所以很多功能问题采用了转化的方法求解弹性势能，即将弹性势能的求解转化为其他形式的能的求解. ‎ 高考热点题型突破——力学创新实验 27‎ 高考物理 创新设计实验通常可分为两类：‎ 第一类为通过实验和实验数据的分析得出物理规律；‎ 第二类为给出实验规律，让你选择实验仪器，设计实验步骤，并进行数据处理．第一类必须在实验数据上下工夫，根据数据特点，掌握物理量间的关系，得出实验规律；第二类必须从已知规律入手，正确选择测量的物理量，根据问题联想相关的实验模型，确定实验原理，选择仪器设计实验步骤、记录实验数据并进行数据处理．‎ ‎【典例】　(2019·河北名校联盟)某实验小组利用弹簧秤和刻度尺，测量滑块在木板上运动的最大速度．‎ 实验步骤：‎ ‎①用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力，记作G；‎ ‎②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上，通过水平细绳和固定弹簧秤相连，如图甲所示．在A端向右拉动木板，待弹簧秤示数稳定后，将读数记作F；‎ ‎③改变滑块上橡皮泥的质量，重复步骤①②；‎ 实验数据如下表所示：‎ G/N ‎1.50‎ ‎2.00‎ ‎2.50‎ ‎3.00‎ ‎3.50‎ ‎4.00‎ F/N ‎0.59‎ ‎0.83‎ ‎0.99‎ ‎1.22‎ ‎1.37‎ ‎1.61‎ ‎④如图乙所示，将木板固定在水平桌面上，滑块置于木板上左端C处，细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物P连接，保持滑块静止，测量重物P离地面的高度h；‎ 27‎ 高考物理 ‎⑤滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的D点(未与滑轮碰撞)，测量C、D间的距离s.‎ 完成下列作图和填空：‎ ‎(1)根据表中数据在给定坐标纸上作出F—G图线．‎ ‎(2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数μ＝________________________________________________________________________(保留2位有效数字)．‎ ‎(3)滑块最大速度的大小v＝________(用h、s、μ和重力加速度g表示)．‎ ‎[审题指导]　‎ 第一步　读题干—提信息 题干 信息 向右拉动木板 说明滑块与板之间是滑动摩擦力 弹簧秤示数稳定后 说明滑块静止，处于平衡状态 最终停在木板上的D点 说明滑块末速度为0‎ 第二步　审程序—顺思路 27‎ 高考物理 ‎[解析]　(1)如图所示 ‎(2)因弹簧秤示数稳定后滑块静止，由题意知此时滑动摩擦力f＝F，又因滑块与板间压力FN＝G，故由f＝μFN得F＝μG，即F－G图线的斜率即为μ，由图线可得μ＝k＝0.40.‎ ‎(3)设最大速度为v，从P下降h高度到滑块运动到D点的过程中由动能定理得0－mv2＝－μmg·(s－h)，故有v＝.‎ ‎[答案]　(1)见解析图 ‎(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42均正确)‎ ‎(3) 灵活选取研究对象及解题过程是解题关键．本题重物P的重力未知，但着地后可单独研究滑块，除动能定理外也可用运动学公式解题. ‎ 27‎ 高考物理 ‎1．如图甲所示为某探究小组设计的“用DIS测定动摩擦因数”的实验装置示意图．一长木板固定在水平桌面上，长木板上表面水平，轻弹簧水平放置在长木板上，其右端固定在长木板的C处，左端连一木块，木块上方固定有窄片P，当弹簧处于原长时，木块在A点处，光电门(未画出，用以测量窄片的遮光时间)固定在A点．第一次，将木块向右压缩弹簧使木块移到B点处并由静止释放，木块通过A处时记下窄片的遮光时间t1，测出木块的质量m1；第二次，在木块上方增加砝码后，向右压缩弹簧使木块再次移到B点处并由静止释放，木块通过A处时记下窄片的遮光时间t2，测出木块和砝码的总质量m2；如此反复多次实验．请回答下列问题．(已知重力加速度大小为g)‎ ‎(1)为了测量木块与长木板间的动摩擦因数，实验中还需要测量的物理量有________．‎ A．窄片的宽度d B．A、B两点间的距离x C．木块从B点运动到A点的时间t0‎ D．弹簧的劲度系数k ‎(2)在坐标纸上作出窄片遮光时间t的平方的倒数随木块质量的倒数变化的关系图像，如图乙所示，根据图线，求得木块与长木板间的动摩擦因数μ＝________，木块从B点运动到A点的过程，弹簧对木块做的总功WF＝________.(用含a、b、g及还需要测量的物理量字母表示)‎ ‎[解析]　木块通过A点时的速度大小v＝，t为窄片通过光电门的遮光时间，木块从B点运动到A点的过程，根据动能定理有WF－μmgx＝mv2－0，得＝·－，结合题图乙得＝a，＝，得μ＝，WF＝，可见为测量μ，还需要测量x和d，故选AB.‎ 27‎ 高考物理 ‎[答案]　(1)AB　(2)　 ‎2．(2019·福州高三质量抽测)‎ 为了验证矩形线框自由下落过程上、下边经过光电门时机械能是否守恒，使用了如图所示的实验装置．已知矩形线框用直径为d的圆形材料做成．某次实验中矩形线框下边和上边先后经过光电门的挡光时间分别为t1和t2.‎ ‎(1)为完成该实验，还需通过操作测量的物理量是________．‎ A．用天平测出矩形线框的质量m B．用刻度尺测出矩形线框下边到光电门的距离h C．用刻度尺测出矩形线框上、下边之间的距离L D．用秒表测出线框上、下边通过光电门的时间间隔Δt ‎(2)如果满足关系式__________________(请用测量的物理量和已知量来表示，重力加速度为g)，则矩形线框自由下落过程上、下边经过光电门时机械能守恒．‎ ‎[解析]　(1)本实验是对线框经过光电门过程的机械能是否守恒进行验证，所以可以用圆形材料的直径和通过光电门的挡光时间求得上、下边通过光电门时的速度，并求得对应的动能，测出线框上、下边之间距离L，求得重力势能的减少量，验证动能的增加量是否等于重力势能的减少量即可，选项C正确．(2)光电门记录线框上、下边经过的挡光时间t2、t1，要将线框下、上边通过光电门的平均速度视为线框下、上边到达光电门的瞬时速度，则有v1＝、v2＝，如果满足mgL＝mv－mv，即2－2＝2gL，则机械能守恒．‎ 27‎ 高考物理 ‎[答案]　(1)C　(2)2－2＝2gL 专题强化训练(十五)‎ ‎1．(2019·全国卷Ⅰ)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探究．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A、B、C、D、E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)．‎ ‎[解析]　根据题述，物块加速下滑，在A、B、C、D、E五个点中，打点计时器最先打出的是A点．根据刻度尺读数规则可读出，B点对应的刻度为1.20 cm，C点对应的刻度为3.15 cm，D点对应的刻度为5.85 cm，E点对应的刻度为9.30 cm，AB＝1.20 cm，BC＝1.95 cm，CD＝2.70 cm，DE＝3.45 cm.两个相邻计数点之间的时间T＝5× s＝0.10 s，根据做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得，打出C点时物块的速度大小为vC＝≈0.233 m/s.由逐差法可得a＝，解得a＝0.75 m/s2.‎ ‎[答案]　A　0.233　0.75‎ ‎2．(2019·江苏卷)某兴趣小组用下图所示的装置验证动能定理．‎ ‎(1)有两种工作频率均为50 Hz的打点计时器供实验选用：‎ A．电磁打点计时器 B．电火花打点计时器 27‎ 高考物理 为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择________(选填“A”或“B”)．‎ ‎(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔．实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动．同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除．同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动．看法正确的同学是________(选填“甲”或“乙”)．‎ ‎(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码．接通打点计时器电源，松开小车，小车运动．纸带被打出一系列点，其中的一段如下图所示．图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度vA＝________m/s.‎ ‎(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L.小车动能的变化量可用ΔEk＝Mv算出．砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g.实验中，小车的质量应________(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用W＝mgL算出．多次测量，若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理．‎ ‎[解析]　(1)电火花打点计时器对纸带的阻力小于电磁打点计时器对纸带的阻力，实验时误差小，故选B.(2)在砝码盘中慢慢加入沙子直至小车开始运动，小车从静止开始做加速运动，此时砝码盘和沙子的总重力大于小车与长木板间的滑动摩擦力，平衡摩擦力过度；轻推小车，小车做匀速运动，根据平衡条件可知，此时砝码盘和沙子的总重力等于小车与长木板间的滑动摩擦力大小，消除了摩擦力的影响，看法正确的是同学乙．(3)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度．用刻度尺量出A左侧第一个点与A右侧第一个点之间的距离l＝1.24 cm，再除以0.02 s×2＝0.04 s，可得vA＝0.31 m/s.(4)本实验中砝码的重力近似等于小车所受的拉力．只有当小车的质量远大于砝码盘、砝码以及沙子的总质量时，才可以将砝码的重力当成小车受到的合外力．‎ ‎[答案]　(1)B　(2)乙　(3)0.31(0.30～0.33都算对)　(4)远大于 ‎3．(2019·武汉市示范高中联考)橡皮筋也像弹簧一样，在弹性限度内伸长量x与弹力F成正比，即F＝kx，k的值与橡皮筋的原长L、横截面积S有关．理论与实际都表明k＝，其中Y是一个由材料决定的常量．‎ ‎(1)在国际单位中，Y的单位应该是________．‎ 27‎ 高考物理 A．N B．m C. D. ‎(2)某同学通过实验测得该橡皮筋的一些数据，作出了外力F与伸长量x之间的关系图像如图所示．由图像可求得该橡皮筋的劲度系数k＝________N/m.(保留两位有效数字)‎ ‎[解析]　(1)根据表达式k＝可知Y＝，劲度系数k的单位为N/m，L的单位为m，S的单位为m2，则Y的单位应为N/m2，选项C正确．(2)由胡克定律可知，外力F与伸长量x之间的关系为F＝kx，外力F与伸长量x之间的关系图像的斜率等于劲度系数k，则橡皮筋的劲度系数k＝＝ N/m＝5.0×102 N/m.‎ ‎[答案]　(1)C　(2)5.0×102‎ ‎4．(2019·陕西省部分学校摸底)某实验小组的同学利用自由落体法验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，该小组的同学完成了如下的操作：‎ ‎(1)首先利用螺旋测微器测出了小球的直径，其示数如图乙所示，则该小球的直径d＝________cm.‎ ‎(2)将该小球由光电门1的正上方无初速度释放，测得小球先后通过光电门1和光电门2所用的时间为Δt1和Δt2，则小球通过两光电门的速度分别为v1＝________，v2＝________.(用所测量的物理量符号表示)‎ ‎(3)该小组的同学测出了两光电门之间的距离为H，重力加速度用g 27‎ 高考物理 表示，若小球的机械能守恒，则需要验证的关系式为__________________________．(用所测量的物理量符号表示)‎ ‎[解析]　(1)小球直径：d＝3.5 mm＋0.01 mm×30.0＝3.800 mm＝0.3800 cm.(2)小球通过光电门1、2的速度分别为：v1＝、v2＝.(3)设小球质量为m，在该过程中，小球的重力势能减少量为mgH，小球的动能增加量为m2－m2，若小球的机械能守恒，则需要验证的关系式为mgH＝m2－m2，即：2gH＝2－2.‎ ‎[答案]　(1)0.3800　(2)　　(3)2gH＝2－2‎ ‎5．(2019·济南市高三质量评估)空间站中不能利用天平测量质量，为此某同学为空间站设计了如图(a)所示的实验装置，用来测量小球质量．图中弹簧固定在挡板上，光滑轨道B处装有光电门，可以测量出小球经过光电门所用的时间．该同学设计的主要实验步骤如下：‎ ‎①用游标卡尺测量小球的直径d ‎②将弹簧左端固定在挡板上 ‎③小球与弹簧接触并压缩弹簧，记录压缩量x ‎④由静止释放小球，测量小球离开弹簧后经过光电门所用的时间t ‎⑤改变弹簧的压缩量，重复步骤③、④多次 ‎⑥分析数据，得出小球的质量 已知弹簧弹性势能Ep＝kx2，k为劲度系数，x为形变量．该同学使用了一个已知劲度系数为k0的弹簧进行了上述实验，请回答下列问题．‎ ‎(1)步骤①中游标卡尺示数情况如图(b)所示，小球的直径d＝________cm.‎ ‎(2)某一次步骤④中测得小球通过光电门所用的时间t为5.00‎ 27‎ 高考物理 ‎ ms，则此次小球离开弹簧时的速度v＝________m/s.‎ ‎(3)根据实验步骤中测得的物理量，可得小球的质量m＝________.(用实验步骤①、③、④中测得的物理量和k0表示)‎ ‎[解析]　(1)由游标卡尺的读数规则可知，小球的直径为11 mm＋4×0.1 mm＝11.4 mm＝1.14 cm.(2)由于小球经过光电门的时间极短，因此小球经过光电门的平均速度可近似为瞬时速度，等于小球离开弹簧时的速度，则v＝＝ m/s＝2.28 m/s.(3)小球被弹开的过程，由能量守恒定律得k0x2＝mv2＝m2，解得m＝.‎ ‎[答案]　(1)1.14　(2)2.28　(3) ‎6．(2019·昆明市高三摸底)某小组的同学通过设计如下实验来验证：“在弹性限度内，劲度系数为k的轻弹簧从形变量为x到恢复原长的过程中，弹力做的功为W＝kx2”的结论．‎ ‎(1)部分实验步骤如下：‎ A．将一轻弹簧放置在水平气垫导轨的左端，弹簧左端固定，让弹簧处于自然状态．在弹簧下面的气垫导轨上水平固定一把刻度尺，刻度尺的零刻度线与弹簧的左端刚好对齐，此时弹簧右端在刻度尺上对应的示数为x1，如图甲所示．‎ B．用弹簧测力计拉着弹簧右端水平向右缓慢移动，当弹簧测力计的示数为F时，弹簧右端在刻度尺上对应的示数为x2，如图乙所示(弹簧的形变在弹性限度内)．则此弹簧的劲度系数为________．‎ C．在水平气垫导轨的右端合适位置安装一个光电门(光电门与弹簧最左端的距离大于x1)，如图丙所示．‎ 27‎ 高考物理 D．用天平测得小车(带有遮光条)的质量为m，用螺旋测微器测得遮光条宽度d的结果如图丁所示，则d＝________mm.‎ E．把小车置于气垫导轨上，向左推小车使弹簧压缩一段距离(弹簧与小车未拴接)，此时弹簧右端在刻度尺上对应的示数为x3，如图丙所示(弹簧的形变在弹性限度内)．由静止释放小车，测得小车通过光电门时的遮光时间为Δt.小车经过光电门时的速度大小为________(用实验中所测物理量的符号表示)．‎ ‎(2)在实验误差允许的范围内，若________＝________(用实验中所测物理量的符号表示)，就可验证弹力做的功W＝kx2的结论．‎ ‎(3)同学们在实验过程中有如下讨论，其中对减小实验误差有益的说法是________．‎ A．遮光条的宽度越小越好 B．把气垫导轨左端垫起适当高度来平衡摩擦力 C．计算弹簧劲度系数时，多次测量取平均值 D．向左推小车压缩弹簧时，弹簧形变量越大越好 ‎[解析]　(1)由题意知，弹簧的原长为x1，用弹簧测力计拉着弹簧缓慢向右移动至x2位置时，弹簧伸长了Δx＝x2－x1，根据胡克定律有F＝k·Δx＝k(x2－x1)，因此弹簧的劲度系数为k＝；螺旋测微器的读数由两部分构成，即固定读数＋可动读数，所以d＝2.5 mm＋17.0×0.01 mm＝2.670 mm；由于遮光条较窄，因此可以用小车通过遮光条的平均速度来代替通过光电门的瞬时速度，所以有v＝.(2)小车的动能是由弹性势能转化而来，由能量守恒知，在实验误差允许的范围内，若·(x1－x3)2＝m2，则说明弹力做的功为W＝kx2‎ 27‎ 高考物理 ‎.(3)遮光条的宽度适当的小有利于减小实验误差，但并不是越小越好，因为宽度太小会导致测量误差增大，选项A错误；应用气垫导轨时不需要平衡摩擦力，选项B错误；计算弹簧的劲度系数时，多次测量有利于减小实验误差，选项C正确；在实际操作时，向左推小车压缩弹簧时，弹簧形变量太大，弹簧可能无法完全恢复原状，选项D错误．‎ ‎[答案]　(1)B.　D．2.670　E.　‎ ‎(2)·(x1－x3)2　m2　(3)C 27‎