专题17 力学实验-2020年高考物理母题题源系列（解析版）

1 专题 17 力学实验 【母题来源一】2020 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】(2020·全国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,Δt1=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】(1)大约相等　(5)m1gt12　 　(6)0. 221　0. 212　(7)4 【解析】(1)当滑块经过 A、B 两个光电门时间大约相等时,速度相等,此时由于阻力很小,可以认为气垫导轨 是水平的。 (5)拉力冲量的大小 I=m1gt12;滑块动量改变量 。 Δ= 100%I p I δ − × 2 2 1 ( )d dm t t −∆ ∆ 2 2 2 2 1 2 1 ( )d d d dp m m mt t t t ∆ = ⋅ − ⋅ = −∆ ∆ ∆ ∆2 (6)I=m1gt12=1.5×10-2×9.8×1.5 N·s=0. 221 N·s;Δp= =0. 212 kg·m·s-1。 (7) 【母题来源二】2020 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】(2020·全国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 h 0=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(或滑轮有质量) 【解析】B 球下落的高度为Δh=h0-h=0.490 m, 由运动学公式得Δh= aT2, 解得 a≈1.84 m/s2; 对 A、B 两球,分别由牛顿第二定律得: FT-mAg=mAa',mBg-FT=mBa', 联立二式解得 a'=1.96 m/s2; a'与 a 有明显差异的原因是滑轮的轴不光滑。 【母题来源三】2020 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】(2020·全国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。 2 2 1 ( )d dm t t −∆ ∆ %4%100221.0 212.0221.0%100 ≈×−=×∆−= I pIδ 2 13 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】打 B 点时小车的速度大小 vB= m/s=0.36 m/s,打 P 点时小车的速度大小 vP= m/s=1.80 m/s。小车从 B 运动到 P 的过程中,mgsBP= Mv2P- Mv2B,所以还需要从图(b) 给出的数据中求得的物理量为 B、P 之间的距离。 【母题来源四】2020 年普通高等学校招生全国统一考试物理（浙江卷） 【母题原题】(2020·浙江 7 月选考)做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图甲是教材中的实验方案; 图乙是拓展方案,其实验操作步骤如下: (ⅰ)挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为 M 的小车拖着纸带沿木板匀速下滑; (ⅱ)取下托盘和砝码,测出其总质量为 m,让小车沿木板下滑,测出加速度 a; 02.02 10)56.200.4( 2 × ×− − 02.02 10)66.5086.57( 2 × ×− − 2 1 2 14 (ⅲ)改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到 a-F 的关系。 (1)实验获得如图所示的纸带,计数点 a、b、c、d、e、f 间均有四个点未画出,则在打 d 点时小车的速度大 小 vd=　　　　m/s(保留两位有效数字); (2)需要满足条件 M≫m 的方案是　　　　(选填“甲”“乙”或“甲和乙”);在作 a-F 图象时,把 mg 作为 F 值 的是　　　　(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)。 【答案】(1) 0.19(0.18~0.19 均可)　(2) 甲　　 甲和乙 【解析】(1)打点计时器打点周期 T=0.1 s, 由匀加速直线运动中,平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得,在打 d 点时小车的速度 vd= ≈0.19 m/s。 (2)在图甲的实验方案中,由托盘和砝码的重力提供拉力,让小车做匀加速直线运动,由牛顿第二定律可得 mg=(M+m)a,则 a= ·g,则绳子对小车的拉力 F=Ma= ·mg。 当 M≫m 时,绳子拉力近似等于托盘和砝码的重力,故甲需要满足 M≫m。 在图乙的实验方案中,挂上托盘和砝码,小车匀速下滑,设斜面的倾斜角为θ,斜面和纸带对小车的摩擦力或 阻力总和为 f,则有 Mgsinθ=f+mg,取下托盘和砝码,小车做匀加速直线运动,由牛顿第二定律可得 Mgsinθ -f=Ma,即 mg=Ma,故乙方案中,不需要满足 M≫m。 在甲、乙方案中,均用托盘和砝码的重力 mg 作为小车匀加速直线运动的合力 F。 【母题来源五】2020 年普通高等学校招生全国统一考试物理（江苏卷） 【母题原题】(2020·江苏高考)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,实验装置如图甲所示。 (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) 2(38.10 30.70) 10 m/s4 4 0.1 bf T −− ×= × m m M+ M m M+5 ①把刻度尺竖直固定在墙上 ②捏住小球,从刻度尺旁由静止释放 ③手机固定在三脚架上,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图乙所示。已知所截取 的图片相邻两帧之间的时间间隔为 s,刻度尺的分度值是 1 mm,由此测得重力加速度为 　　　　 m/s2。 (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】(1)小钢球　(2)①③④②　(3)9.61(9.5~9.7)　(4)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,然后再将小球从刻度尺旁由静止释放,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 2.50 cm,26.50 cm,77.20 cm;小球做自由落体运动,根据Δ x=gT2 可得 ≈9.61 m/s2。 (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。 【母题来源六】2020 年普通高等学校招生全国统一考试物理（天津卷） 【母题原题】(2020·天津等级考)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。 6 1 2 2 22 2 m/s )6 1( 10)50.250.26(10)50.2620.77( −− ×−−×−=∆= T xg6 (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 0.2 m,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 15.0 cm 、 25.0 cm 、 35.0 cm, 示 意 如 图 2 。 重 力 加 速 度 g=10 m/s2, 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】(1)A、B　(2)2　(3)方便将木板调整到竖直平面 【解析】(1)选 A、B。由于本实验要测定平抛运动的初速度,钢球从固定斜面滑下后,桌面应保持水平才能保 证初速度水平,故 A 正确;要保证每次释放都是同一个平抛运动,应使钢球从同一位置由静止开始释放,保证 做平抛运动时的初速度相同,减小实验误差,故 B 正确;若斜面的底边 ab 与桌边重合,则钢球下滑后将做斜 下抛运动,故 C 错误;钢球下滑时对斜面是否粗糙无要求,只要确保钢球能下滑即可,故 D 错误。故选 A、B。 (2)由于钢球平抛时竖直方向做自由落体运动,所以根据Δy=gT2,代入数据解得相邻时间 T=0.1 s,由于每次 将木板向远离桌子的方向移动 0.2 m,所以根据 x= ,代入数据解得平抛的初速度为 2 m/s。 (3)由于斜面的底边 ab 与桌子边缘及木板均平行,故根据铅垂线可以方便将木板调整到竖直平面。 【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。 T v7 【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。 T xxv nn n 2 1++=8 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.（长春市 2021 届高三质量监测）某探究小组同学为了研究小车在桌面上的直线运动，用自制“滴水计 时器”计量时间。实验前，将该计时器固定在小车旁，如图（a）所示。实验时，保持桌面水平，用手轻推 一下小车。在小车运动过程中，滴水计时器滴下小水滴的时间间隔相等，图（b）记录了桌面上连续的 6 个 水滴的位置。（已知滴水计时器滴水的时间间隔为 0.5s） （1）由图（b）可知，小车在桌面上是_____________运动的。 A.从右向左 B.从左向右 （2）该小组同学根据图（b）的数据判断出小车做匀变速直线运动。小车运动到图（b）中 A 点位置时的速 度大小为_____________m/s，加速度大小为_____________m/s2。（结果均保留 2 位有效数字） 【答案】A；0.26；0.12 【解析】（1）由于用手轻推一下小车，受到阻力作用，小车做减速运动，根据桌面上连续 6 个水滴的位置，9 可知小车从右向左运动，故 A 选项正确； （2）已知滴水计时器各点时间间隔为 0.5s，根据匀变速直线运动时间中点的速度等于该过程的平均速度， 有: 根据匀变速直线运动的推论公式△x=aT2 可以求出加速度的大小，得: 2.(2020 年山西名校模拟)某同学利用如图乙所示的实验装置验证机械能守恒定律，某物块通过细线绕 过光滑的小定滑轮拴着放在水平轨道上的小车(可视为质点)，在轨道的 A 点和 B 点分别安装有一光电门， 小车上有一宽度为 d 的挡光片，用游标卡尺测出挡光片的宽度如图甲所示，现把小车拉到水平面上的某点 由静止释放，挡光片通过 A 位置的挡光时间为 t1，通过 B 位置的挡光时间为 t2.为了证明小车通过 A、B 过 程中系统的机械能守恒，还需要进行一些实验测量和列式证明． (1)挡光片的宽度 d＝________________mm. (2)在下列实验测量步骤中，必要的数据测量有________________ A．用天平测出小车的质量 m1 和物块的质量 m2 B．测出小车通过 A、B 两光电门之间所用的时间Δt C．测出滑轮上端离水平轨道的高度 h D．测出小车在 A、B 位置时绳子与水平方向夹角θ1 和θ2 (3) 若 该 同 学 用 d 和 t 的 比 值 来 反 映 小 车 经 过 A 、 B 光 电 门 时 的 速 度 ， 并 设 想 如 果 能 满 足 _____________________________关系式(用上述物理量表示)，即能证明小车和物体组成的系统机械能守恒． 【答案】(1)5.15　(2)ACD (3) 1 2m2[( d t2)2－( d t1)2]＋ 1 2m1[(dcos θ2 t2 )2－(dcos θ1 t1 )2]＝m1g( h sin θ1· h sin θ2) 3.（2020·年北辰区高考模拟考试试卷物理）为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如 图所示的实验装置。其中 M 为带滑轮的小车的质量，m 为砂和砂桶的质量。（滑轮质量不计） 33 4 114.9 114.5 10 0.26 /2 1P s sv m sT + += = × = 3 25 4 3 2 2 2 ( ) (s ) 175 145 114.9 85.1 10 0.12 /4 4 0.5 s s sa m sT −+ − + + − −= = × =×10 (1)下列实验步骤正确的是_______。 A．小车靠近打点计时器时，先释放小车，再接通电源，打出一条纸带，同时记录力传感器的示数 B.实验中要将带滑轮的长木板右端适当垫高，以平衡摩擦力 C.该实验中需要砂和砂桶的质量 m 远小于小车的质量 M D.该实验不需要改变砂和砂桶的质量，只需要打出一-条纸带即可 (2)该同学在实验中得到如图所示的一条纸带（两计数点间还有四个点没有画出），已知打点计时器采用的 是频率为 50Hz 的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为________m/s2。 (3)以力传感器的示数 F 为横坐标，加速度为纵坐标，画出的 a-F 图像是一条直线，求得图线的斜率为 k， 则小车的质量为________。 A．k B． C．2k D． 【答案】 (1). B (2). 0.50 (3). D 【解析】(1)[1]A．小车靠近打点计时器时，应先接通电源，再释放小车，故 A 错误； B．实验中需要平衡摩擦力，采取的措施是将带滑轮的长木板右端适当垫高，故 B 正确； C．因本实验中，是用力传感器记录力的大小，故该实验中不需要砂和砂桶的质量 m 远小于小车的质量 M， 故 C 错误； D．该实验中需要多次改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带，故 D 错误。 故选 B。 1 k 2 k11 (2)[2]由题可知，相邻读数点的时间间隔为 T＝0.1s，连续相连的计数点间的位移差 故有 (3)[3]由牛顿第二定律可知 结合题图，可知 故小车的质量为 故选 D。 4.（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“