2020年高考真题和模拟题物理分项汇编--专题18 力学实验（解析版）

专题 18 力学实验 1．（2020·新课标Ⅰ卷）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=1.000 cm，m1=1.50 10-2 kg，m2=0.400 kg，△t1=3.900 10-2 s，Δt2=1.270 10-2 s，t12=1.50 s，取 g=9.80 m/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 ，本次实验 δ=________%（保留 1 位有效数字）。 【答案】大约相等 m1gt12 0.221 0.212 4 【解析】（1）当经过 A,B 两个光电门时间相等时，速度相等，此时由于阻力很小，可以认为导轨是水平的。 （5）由 I=Ft，知 ， 由 知 。 （6)代入数值知，冲量 ，动量改变量 × × × Δ= 100%I p I δ − × 2 2 1 ( )d dm t t −∆ ∆ 1 12I m gt= 2 1p mv mv∆ = − 2 2 2 2 1 2 1 ( )d d d dp m m mt t t t ∆ = ⋅ − ⋅ = −∆ ∆ ∆ ∆ 2 1 12 =1.5 10 9.8 1.5N s 0.221N sI m gt −= × × × ⋅ = ⋅ 。 （7） 。 2．（2020·新课标Ⅱ卷）一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A 和 B，如图所示。一实验小组用 此装置测量小球 B 运动的加速度。 令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球 B 释放时的高度 h0=0.590 m，下降一段距离后的高度 h=0.100 m；由 h0 下降至 h 所用的时间 T=0.730 s。由此求得小球 B 加速度的大小为 a=_______m/s2（保留 3 位有效数字）。 从实验室提供的数据得知，小球 A、B 的质量分别为 100.0 g 和 150.0 g，当地重力加速度大小为 g=9.80 m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球 B 加速度的大小为 a′=_______m/s2（保留 3 位有效数字）。 可以看出，a′与 a 有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：__________。 【答案】1.84 1.96 滑轮的轴不光滑，绳和滑轮之间有摩擦（或滑轮有质量） 【解析】①有题意可知小球下降过程中做匀加速直线运动，故根据运动学公式有 ，代入数 据解得 a=1.84m/s2；②根据牛顿第二定律可知对小球 A 有 ，对小球 B 有 ， 带入已知数据解得 ；③在实验中绳和滑轮之间有摩擦会造成实际计算值偏小。 3．（2020·新课标Ⅲ卷）某同学利用图（a）所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂 上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如图（b）所示。 1 2 2 1 ( ) 0.212kg m sd dp m t t −∆ = − = ⋅ ⋅∆ ∆ | | 0.225 0.212100% 100% 4%0.225 I p I δ − ∆ −= × = × ≈ 2 0 1 2h h aT- = A AT m g m a¢- = B Bm g T m a¢- = 21.96m/sa¢ = 已知打出图（b）中相邻两点的时间间隔为 0.02 s，从图（b）给出的数据中可以得到，打出 B 点时小车的速 度大小 vB=_____m/s，打出 P 点时小车的速度大小 vP=_____m/s（结果均保留 2 位小数）。 若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图（b）给出的数据中求得的物理量 为_________。 【答案】0.36 1.80 B、P 之间的距离 【解析】由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度 ； ，验证动能定理需要求出小车运动的过程中拉力对小车做的功， 所以还需要测量对应的 B、P 之间的距离。 4．（2020·江苏卷）疫情期间“停课不停学”，小明同学在家自主开展实验探究。用手机拍摄物体自由下落 的视频，得到分帧图片，利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度，实验装置如题图 1 所示。 2(4.00 2.56) 10 m/s=0.36m/s0.04Bv −− ×= 2 P (57.86 50.66) 10 m/s=1.80m/s0.04v −− ×= (1)家中有乒乓球、小塑料球和小钢球，其中最适合用作实验中下落物体的是_____。 (2)下列主要操作步骤的正确顺序是_____。（填写各步骤前的序号） ①把刻度尺竖直固定在墙上 ②捏住小球，从刻度尺旁静止释放 ③手机固定在三角架上，调整好手机镜头的位置 ④打开手机摄像功能，开始摄像 (3)停止摄像，从视频中截取三帧图片，图片中的小球和刻度如题图 2 所示。已知所截取的图片相邻两帧之 间的时间间隔为 ，刻度尺的分度值是 ，由此测得重力加速度为_____ 。 (4)在某次实验中，小明释放小球时手稍有晃动，视频显示小球下落时偏离了竖直方向。从该视频中截取图 片，_____（选填“仍能”或“不能”）用(3)问中的方法测出重力加速度。 【答案】小钢球 ①③④② 9.61（9.5~9.7） 仍能 【解析】(1)要测量当地重力加速度需要尽量减小空气阻力的影响，所以密度大体积小的小钢球最适合； (2)要完成实验首先应该将刻度尺竖直固定在墙上，安装好三脚架，调整好手机摄像头的位置；因为下落时 间很短，所以一定要先打开摄像头开始摄像，然后在将小球从刻度尺旁静止释放，故顺序为①③④②； (3)由三张图片读出小球所在位置的刻度分别为 2.50cm，26.50cm，77.20cm；小球做自由落体运动，根据 可得 ； (4)因为就算小球偏离了竖直方向，但是小球在竖直方向上的运动依然是自由落体运动，对实验结果无影响， 故仍能用前面的方法测量出重力加速度。 5．（2020·浙江卷）某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻。 (1)在答题纸相应的方框中画出图乙的电路图____________； 1 6 s 1mm 2m / s 2x gT∆ = ( ) ( )2 2 2 2 22 77.20 26.50 10 26.50 2.50 10 m/s 9.61m/s 1 6 xg T ∆ - -- ´ - - ´= = = æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø (2)某次测量时电流表和电压表的示数如图所示，则电流 _____ ，电压 _____ ； (3)实验得到如图所示的两条直线，图中直线Ⅰ对应电路是图 1_____（选填“甲”或“乙”）； (4)该电池的电动势 _____V（保留三位有效数字），内阻 _____ （保留两位有效数字）。 【答案】 0.39～0.41 1.29～1.31 乙 1.51～1.54 0.52～0.54 I = A U = V E = r = Ω 【解析】(1)图乙中，电流表内接和变阻器串联接在电源两端，电压表测路段电压，则图乙对应的电路图为 (2)一节干电池的电动势一般约为 1.5V，故电压表量程选择 0~3V，电流表量程选择 0~0.6A，所以量表的读 数分别为 1.30V（1.29～1.31V 均可），0.40A（0.39～0.41A 均可） (3)由闭合电路欧姆定律可得 ，可得 U-I 图象的纵轴截距为电源电动势，斜率为电源内阻。图甲 中电流表外接，则实验测得的电源内阻 ，测量值偏大；图乙中电路 ，测量值偏小， 但是由于 ，故图乙实验测出的内阻误差更小，故图线Ⅰ对应图乙，图线Ⅱ对应的图甲。 (4)图线Ⅱ与纵轴的交点为电源的电动势 E=1.52V ；在图线Ⅰ与横轴的交点为短路电流 I=2.86A，由 ，，此实验原理无误差。 6．（2020·山东卷）2020 年 5 月，我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量，其中一种方法是通过使用重力仪测 量重力加速度，进而间接测量海拔高度。某同学受此启发就地取材设计了如下实验，测量当地重力加速度 的大小。实验步骤如下： U E Ir= − A= +r r r测 内 = V V rr rr r+测 内 内 VR r 真 1.52V 0.532.86A Er I = = = Ω （i）如图甲所示，选择合适高度的垫块，使木板的倾角为 53°，在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的 刻度尺（图中未画出）。 （ii）调整手机使其摄像头正对木板表面，开启视频录像功能。将小物块从木板顶端释放，用手机记录下小 物块沿木板向下做加速直线运动的情况。然后通过录像的回放，选择小物块运动路径上合适的一点作为测 量参考点，得到小物块相对于该点的运动距离 L 与运动时间 t 的数据。 （iii）该同学选取部分实验数据，画出了 -t 图像，利用图像数据得到小物块下滑的加速度大小为 5.6 m/s2。 （iv）再次调节垫块，改变木板的倾角，重复实验。 回答以下问题： (1)当木板的倾角为 37°时，所绘图像如图乙所示。由图像可得，物块过测量参考点时速度的大小为 _____m/s；选取图线上位于坐标纸网格交叉点上的 A、B 两点，利用 A、B 两点数据得到小物块下滑加速度 的大小为_____m/s2。（结果均保留 2 位有效数字） (2)根据上述数据，进一步分析得到当地的重力加速度大小为_____ m/s2。（结果保留 2 位有效数字，sin37°= 0.60，cos37°=0.80） 【答案】0.32 或 0.33 3.1 9.4 【解析】(1)根据 可得 ，则由 图像可知 ，则 v0=0.33m/s， 。 (2)由牛顿第二定律可知 ，即 ，当 θ=53°时 a=5.6m/s2，即 ，当 θ=37°时 a=3.0m/s2，即 ，联立解得 g=9.4m/s2。 2L t 2 0 1 2L v t at= + 0 2 2L v att = + 2 -L tt 2 02 65 10 m/sv −= × 2 2 2 2 (190 65) 10 m/s 3.1m/s40 10a k − − − ×= = =× sin cosmg mg maθ µ θ− = sin cosa g gθ µ θ= − sin53 cos53 5.6g gµ− =  sin37 cos37 3.1g gµ− =  7．（2020·天津卷）某实验小组利用图1 所示装置测定平抛运动的初速度。把白纸和复写纸叠放一起固定 在竖直木板上，在桌面上固定一个斜面，斜面的底边 ab 与桌子边缘及木板均平行。每次改变木板和桌边之 间的距离，让钢球从斜面顶端同一位置滚下，通过碰撞复写纸，在白纸上记录钢球的落点。 ①为了正确完成实验，以下做法必要的是________。 A．实验时应保持桌面水平 B．每次应使钢球从静止开始释放 C．使斜面的底边 ab 与桌边重合 D．选择对钢球摩擦力尽可能小的斜面 ②实验小组每次将木板向远离桌子的方向移动 ，在白纸上记录了钢球的 4 个落点，相邻两点之间的距 离依次为 、 、 ，示意如图 2。重力加速度 ，钢球平抛的初速度为 ________m/s。 ③图 1 装置中，木板上悬挂一条铅垂线，其作用是________。 【答案】AB 2 方便调整木板保持在竖直平面上 【解析】①A．实验过程中要保证钢球水平抛出，所以要保持桌面水平，故 A 正确；B．为保证钢球抛出时 速度相同，每次应使钢球从同一位置静止释放，故 B 正确；CD．实验只要每次钢球抛出时速度相同即可， 0.2m 15.0cm 25.0cm 35.0cm 210m / sg = 斜面底边 ab 与桌面是否重合和钢球与斜面间的摩擦力大小对于每次抛出的速度无影响，故 C 错误，D 错误。 故选 AB。 ②每次将木板向远离桌子的方向移动 ，则在白纸上记录钢球的相邻两个落点的时间间隔相等，刚球抛 出后在竖直方向做自由落体运动，根据 可知相邻两点的时间间隔为 ， 刚球在水平方向上做匀速直线运动，所以小球初速度为 ，③悬挂铅垂线的目的是方 便调整木板保持在竖直平面上。 8．（2020·南昌一中高三年级测试）气垫导轨上相隔一定距离的两处安装有两个光电传感器 A、B，AB 间 距为 L，滑块 P 上固定一遮光条，P 与遮光条的总质量为 M，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电 压，两光电传感器采集数据后与计算机相连。滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器 A、B 时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压 U 随时间 t 变化的图像： (1)实验前，按通气源，将滑块（不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的 ________ （选填 “>”、“=”或“ 4 2N 5N> （1）计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是 v=___________。 （2）为求出弹簧的弹性势能，还需要测量________。（填字母序号） A．弹簧原长 B．当地重力加速度 C．滑块（含遮光片）的质量 （3）若气垫导轨左端比右端略高，弹性势能的测量值与真实值比较将_______（填字母序号） A．偏大 B．偏小 C．相等 【答案】（1） ； （2）C； （3）A 【解析】（1）滑块离开弹簧后的运动可视为匀速运动，故可以用 BC 段的平均速度表示离开时的速度；则有： ； （2）弹簧的弹性势能等于物体增加的动能，故应求解物体的动能，根据动能表达式可知，应测量滑块的质 量；故选 C。 （3）若气垫导轨左端比右端略高，导致通过两光电门的时间将减小，那么测得速度偏大，因此弹性势能的 测量值也偏大；故选 A. 18．（2020·湖北省武汉市高中毕业生四月调研测试）某同学用如图所示装置来探究“在外力一定时，物体 的加速度与其质量之间的关系”。 （1）下列实验中相关操作正确的是________ A．平衡摩擦力时，应先将沙桶用细线绕过定滑轮系在小车上 B．平衡摩擦力时，小车后面应固定一条纸带，纸带穿过打点计时器 C．小车释放前应靠近打点计时器，且先释放小车后接通打点计时器的电源 （2）将沙和沙桶的总重力 mg 近似地当成小车所受的拉力 F 会给实验带来系统误差。设小车所受拉力的真 实值为 F 真，为了使系统误差 ，小车和砝码的总质量是 M，则 M 与 m 应当满足的条件是 s t sv t = 5%mg F F −