专题14力学实验综合-2021年高考全国最新模拟试题分类汇编(一模二模)（解析版）

2021 年高考全国模拟试题分类汇编(一模二模) 专题 14 力学实验综合 1.（2021·内蒙古阿拉善盟一模）在探究弹簧的弹力与伸长量之间关系的实验中，所用装置如图 7 甲所示， 将轻弹簧的一端固定，另一端与力传感器连接，其伸长量通过刻度尺测得，某同学的实验数据列于下表中： 图 7 伸长量 x/(×10－2 m) 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 弹力 F/N 1.50 2.93 4.55 5.98 7.50 (1)以 x 为横坐标，F 为纵坐标，在图乙的坐标纸上描绘出能正确反映这一弹簧的弹力与伸长量之间的关系 图线. (2)由图线求得这一弹簧的劲度系数为________.(结果保留三位有效数字) 【答案】 (1)见解析图 (2)75.0 N/m 【解析】 (1)描点作图，如图所示. (2)根据图象，该直线为过原点的一条倾斜直线，即弹力与伸长量成正比，k＝ΔF Δx ＝75.0 N/m. 2.（2021·四川省成都一模）某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图所示：轻弹簧放置在 光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接.向左推 物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能. (1)实验中涉及到下列操作步骤： ①把纸带向左拉直 ②松手释放物块 ③接通打点计时器电源 ④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量 上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号). (2)图中 M 和 L 纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为 50 Hz.由 M 纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s.比较两纸 带可知，________(填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大. 【答案】 (1)④①③② (2)1.29 M 【解析】 (1)根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②. (2)物块脱离弹簧时速度最大，v＝Δx Δt ＝2.58×10－2 0.02 m/s＝1.29 m/s；由动能定理ΔEk＝1 2mv2，据纸带中打点的疏 密知 M 纸带获得的最大速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大. 3.（2021·甘肃省兰州一模）某同学尝试用橡皮筋等器材验证力的平行四边形定则，他找到两条相同的橡皮 筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两 条橡皮筋的一端与细绳连接，结点为 O，细绳下挂一重物，两橡皮筋的另一端也都连有细绳.实验时，先将 一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子 A 上，另一条橡皮筋任其下垂，如图甲所示；再将另一条橡 皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子 B 上，如图乙所示. (1)为完成实验，下述操作中必需的是________. a.两橡皮筋的另一端连接的细绳 a、b 长度要相同 b.要测量橡皮筋的原长 c.要测量图甲和图乙中橡皮筋的长度 d.要记录图甲中结点 O 的位置及过结点 O 的竖直方向 e.要记录图乙中结点 O′的位置及过结点 O′的竖直方向 (2)对该实验“两条相同的橡皮筋”的要求的理解正确的是________. a.橡皮筋的材料和原长相同即可 b.橡皮筋的材料和粗细相同即可 c.橡皮筋的材料、原长和粗细均要相同 【答案】 (1)bce (2)c 【解析】 (1)首先应明白该实验的实验原理，即用橡皮筋的伸长量来表示弹力的大小，所以实验中一定要 测橡皮筋的长度，而没必要关心细绳 a、b 的长度，选项 b 和 c 中的操作是需要的，为了确保力的合成的等 效性，需要记录题图乙中结点 O′的位置及过结点 O′的竖直方向，选项 e 中的操作是必需的. (2)为了能用橡皮筋的伸长量表示弹力大小，满足 F＝kx，应让 k 值相同，即橡皮筋的材料、粗细、原长均要 相同，选项 c 正确. 4.（2021·青海省西宁市一模）小明通过实验验证力的平行四边形定则. (1)实验记录纸如图 10 所示，O 点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置，两弹簧测力计共同作用时，拉力 F1 和 F2 的方向分别过 P1 和 P2 点；一个弹簧测力计拉橡皮筋时，拉力 F3 的方向过 P3 点.三个力的大小分别为：F1 ＝3.30 N、F2＝3.85 N 和 F3＝4.25 N.请根据图中给出的标度作图求出 F1 和 F2 的合力. 图 10 (2)仔细分析实验，小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化，影响实验结果.他用弹簧测力计 先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度，发现读数不相同，于是进一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响. 实验装置如图 11 所示，将一张白纸固定在竖直放置的木板上，橡皮筋的上端固定于 O 点，下端 N 挂一重物. 用与白纸平行的水平力缓慢地移动 N，在白纸上记录下 N 的轨迹.重复上述过程，再次记录下 N 的轨迹. 图 11 图 12 两次实验记录的轨迹如图 12 所示.过 O 点作一条直线与轨迹交于 a、b 两点，则实验中橡皮筋分别被拉伸到 a 和 b 时所受拉力 Fa、Fb 的大小关系为________. (3)根据(2)中的实验，可以得出的实验结果________.(填写选项前的字母) A.橡皮筋的长度与受到的拉力成正比 B.两次受到的拉力相同时，橡皮筋第 2 次的长度较长 C.两次被拉伸到相同长度时，橡皮筋第 2 次受到的拉力较大 D.两次受到的拉力相同时，拉力越大，橡皮筋两次的长度之差越大 (4)根据小明的上述实验探究，请对验证力的平行四边形定则实验提出两点注意事项. 【答案】 (1)见解析图(F 合＝4.6～4.9 N 都算对) (2)Fa＝Fb (3)BD (4)橡皮筋拉伸不宜过长；选用新橡皮 筋.(或：拉力不宜过大；选用弹性好的橡皮筋；换用弹性好的弹簧.) 【解析】 (1)作出的图示如图所示. (2)重物受力情况如图所示，由于重力不变，两次实验时，橡皮筋拉力 FT 的方向相同，故水平拉力 F 大小相 等，即 Fa＝Fb. (3)根据题图可知，选项 B、D 正确，选项 A、C 错误. (4)橡皮筋拉伸不宜过长，选用新橡皮筋等可减小误差. 5.（2021·浙江省萧山二模）某组同学设计了“探究加速度 a 与物体所受合力 F 及质量 m 的关系”实验。图 甲为实验装置简图，A 为小车，B 为电火花计时器，C 为装有细砂的小桶，D 为一端带有定滑轮的长方形木 板，实验中认为细绳对小车的拉力 F 等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度 a 可用纸带上打出的点 求得。 甲 乙 (1)图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为 50 Hz。根据纸带可求出电火花计时器打 B 点 时的速度为________ m/s，小车的加速度大小为______ m/s2。(结果均保留两位有效数字) (2)在“探究加速度 a 与质量 m 的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚 未完成图象(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图象。 丙 丁 (3)在“探究加速度 a 与合力 F 的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度 a 与合力 F 的图线如图丁，该 图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。 _____________________________________________________。 【答案】(1)1.6 3.2 (2)见解析 (3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 【解析】(1)AC 这段位移的平均速度等于 AC 这段时间中间时刻的瞬时速度，即 B 点的瞬时速度，故 vB＝AB＋BC 4T ＝6.19＋6.70×10－2 4×0.02 m/s≈1.6 m/s。 由逐差法求解小车的加速度， a＝CD＋DE－AB＋BC 4×2T2 ＝7.21＋7.72－6.19－6.70×10－2 4×2×0.022 m/s2 ≈3.2 m/s2。 (2)将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在 直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所示： (3)图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。 6．(2021·宁德一模)某次“探究加速度 a 跟物体所受合力 F 和质量 m 的关系”的实验过程是： 甲 乙 (1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验得到的一段纸带，计数点 A、B、C、D、E 间的时间间隔为 0.1 s， 根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位有效数字)。 (2)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，进行多次测量。根据实验数据做出了加速度 a 随拉力 F 的变化 图线，如图所示。图中直线没有通过原点，其主要原因是____________________________。 (3)保持沙和沙桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度 a、质量 m 及其对应的1 m 的数据如表中所示： 实验次数 1 2 3 4 5 6 7 8 小车加速度 a/(m·s－2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小车和砝码质量 m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 1 m/kg－1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 a.请在坐标纸中画出 a1 m 图线： b．根据作出的 a1 m 图象可以得到的结论是 _______________________________________________________ _______________________________________________________ _____________________________________________________。 【答案】(1)0.43 (2)实验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分) (3)a.如图所示 b．图线为过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量成反比 【解析】(1)由图中数据可知 xAC＝2.40 cm，xCE＝4.10 cm， 利用公式Δx＝aT2 可知，a＝xCE－xAC 2T2 ≈4.10－2.40×10－2 4×0.01 m/s2＝0.43 m/s2。 (2)见答案 (3)见答案 7．(2021·黄冈二模)图甲所示为测量木块与水平桌面之间动摩擦因数μ的实验装置示意图。提供的器材有光 电计时器、固定有遮光片的木块(图中未画出遮光片)、游标卡尺、米尺、8 个质量均为 m 的钩码以及细线等。 实验操作过程如下： ①按图甲所示组装好实验装置，用游标卡尺测量遮光片的宽度 d，用米尺测量两光电门之间的距离 s。 ②将细线一端与木块相连，另一端跨过定滑轮挂上钩码，其余钩码都叠放在木块的凹槽中，调整轻滑轮， 使细线水平。 ③让木块从光电门的左侧由静止释放，分别测出遮光片经过光电门 A 和 B 所用的时间ΔtA 和ΔtB，记下悬挂 钩码的个数 n。 ④将木块上的钩码逐个移到悬挂钩码端，重复实验操作③。 ⑤测出每种情况对应的加速度 a，作出 an 图象如图丙所示。 甲 乙 丙 回答下列问题： (1)测量 d 时，某次游标卡尺(主尺的分度值为 1 mm)的示数如图乙所示，其读数为________cm。 (2)木块的加速度 a 可用 d、s、ΔtA 和ΔtB 表示为 a＝ _____________________________________________________。 (3)根据图丙中的 an 图象，动摩擦因数可表示为μ＝________。(选用图象中的截距 b、p 和重力加速度 g 表 示) (4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于________(填“偶然误差”或“系统误差”)。 【答案】(1)0.955 (2) 1 2s d ΔtB 2 － d ΔtA 2 (3)－b g (4)系统误差 【解析】 本题考查利用光电门研究匀变速直线运动并计算动摩擦因数。 (1)游标卡尺读数为 0.9 cm＋0.05 mm×11＝0.955 cm。 (2)木块经过 A、B 两个光电门的速度分别为 vA＝ d ΔtA ，vB＝ d ΔtB ，根据 v2B－v2A＝2as 得 a＝ 1 2s d ΔtB 2 － d ΔtA 2 。 (3)对木块和钩码的系统，根据牛顿第二定律得 a＝nmg－μ[M＋8－nm]g 8m＋M ＝1＋μmg 8m＋M n－μg， 则由图象可知－μg＝b，即μ＝－b g 。 (4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差是由实验器材造成的，属于系统误差。 8．（2021·上海交大附中一模）在探究平抛运动的规律时，可以选用下列各种装置图。 (1)选用装置 1 是为了________。 (2)选用装置 2 时注意________。 (3)选用装置 3 如何准确获得钢球的平抛轨迹________。 在下列选项中选择正确的选项填在相应的横线上。 A．选用装置 1 是为了研究平抛的竖直分运动 B．选用装置 1 是为了研究平抛的水平分运动 C．选用装置 2 要获得稳定的细水柱所显示的平抛轨迹，竖直管上端 A 一定要比水面高 D．选用装置 2 要获得稳定的细水柱所显示的平抛轨迹，竖直管上端 A 一定要比水面低 E．钢球每次可以从装置 3 上的斜槽不同位置静止释放 F．钢球每次应该从装置 3 上的斜槽同一位置静止释放 【答案】(1)A (2)D (3)F 【解析】(1)装置 1 是为了研究平抛运动竖直方向上的运动规律，若两球同时落地，可知 A 球竖直方向上的 运动规律与 B 球相同，即平抛运动在竖直方向上做自由落体运动，故选 A。 (2)竖直管内与大气相通，为外界大气压强，竖直管在水面下保证竖直管上出口处的压强为大气压强。因而 另一出水管的上端口处压强与竖直管上出口处的压强有恒定的压强差，保证另一出水管出水压强恒定，从 而出水速度恒定。如果竖直管上出口在水面上，则水面上为恒定大气压强，因而随水面下降，出水管上口 压强降低，出水速度减小，故选 D。 (3)为了保证小球的初速度大小相等，每次让小球从斜槽的同一位置由静止释放，故选 F。 9．(2021·河南商丘一模)（(1)(多选)研究平抛运动，下面哪些做法可以减小实验误差( ) A．使用密度大、体积小的钢球 B．尽量减小钢球与斜槽间的摩擦 C．实验时，让小球每次都从同一高度由静止开始滚下 D．使斜槽末端的切线保持水平 (2)某同学在做“研究平抛运动”的实验中，忘记记下小球做平抛运动的起点位置 O，A 为小球运动一段时间后 的位置，如图所示，求出小球做平抛运动的初速度为________ m/s。 【答案】(1)ACD (2)2.0 【解析】(1)研究平抛运动时，钢球体积越小，所受空气阻力越小，并且记录小球通过的位置越准确，A 正 确；小球每次从斜槽上的同一位置由静止开始滚下，可保证小球的初速度不变，与钢球和斜槽间的摩擦无 关，B 错误，C 正确；实验时必须使斜槽末端的切线水平，以确保小球水平飞出做平抛运动，D 正确。 (2)由题图可知 AB、BC 间的竖直距离 yAB＝15 cm＝0.15 m，yBC＝25 cm＝0.25 m 因为 xAB＝xBC＝0.20 m，所以小球从 A 运动到 B 与从 B 运动到 C 的时间相同，设此时间为 t 据 yBC－yAB＝gt2 得 t＝ yBC－yAB g ＝ 0.25－0.15 10 s＝0.10 s 又因为 xAB＝v0t，所以 v0＝xAB t ＝0.20 0.10 m/s＝2.0 m/s。 10．（2021·安徽省六安一模）用如图所示的装置来探究小球做圆周运动所需向心力的大小 F 与质量 m、角 速度ω和半径 r 之间的关系。两个变速塔轮通过皮带连接，转动手柄使长槽和短槽分别随变速塔轮匀速转动， 槽内的钢球就做匀速圆周运动。横臂的挡板对钢球的压力提供向心力，钢球对挡板的反作用力通过横臂的 杠杆作用使弹簧测力筒下降，从而露出标尺，标尺上的红白相间的等分格显示出两个钢球所受向心力的比 值。 如图是探究过程中某次实验时装置的状态。 (1)在研究向心力的大小 F 与质量 m 关系时，要保持________相同。 A．ω和 r B．ω和 m C．m 和 r D．m 和 F (2)若图中标尺上红白相间的等分格显示出两个小球所受向心力的比值为 1∶9，与皮带连接的两个变速塔轮 的半径之比为________。 A．1∶3 B．3∶1 C．1∶9 D．9∶1 【答案】(1)A (2)B 【解析】(1)在研究向心力的大小 F 与质量 m、角速度ω和半径 r 之间的关系时，需先控制某些量不变，研究 另外两个物理量的关系，该方法为控制变量法。故选 A。 (2)根据 F＝mω2r，两球的向心力之比为 1∶9，半径和质量相等，则转动的角速度之比为 1∶3，因为靠皮带 传动，变速塔轮的线速度大小相等，根据 v＝rω，知与皮带连接的变速塔轮对应的半径之比为 3∶1。故选 B。 11．（2021·湖北省襄阳一模）如图所示，图甲为“向心力演示器验证向心力公式”的实验示意图，图乙为俯 视图。图中 A、B 槽分别与 a、b 轮同轴固定，且 a、b 轮半径相同。当 a、b 两轮在皮带的带动下匀速转动。 甲 乙 (1)两槽转动的角速度ωA________ωB(选填“>”“＝”或“m2)。 ②按照如图所示的那样，安装好实验装置。将斜槽 AB 固定在桌边，使槽的末端处的切线水平，将一斜面 BC 连接在斜槽末端。 ③先不放小球 m2，让小球 m1 从斜槽顶端 A 处由静止开始滚下，记下小球在斜面上的落点位置。 ④将小球 m2 放在斜槽末端边缘处，让小球 m1 从斜槽顶端 A 处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，记下小 球 m1 和 m2 在斜面上的落点位置。 ⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端点 B 的距离，图中 D、E、F 点是该同学记下的小球在斜面上 的几个落点位置，到 B 点的距离分别为 LD、LE、LF。 (1)小球 m1 和 m2 发生碰撞后，m1 的落点是图中的 点，m2 的落点是图中的 点。 (2)用测得的物理量来表示，只要满足关系式 ，则说明碰撞中动量守恒。 (3)用测得的物理量来表示，只要再满足关系式 ，则说明两小球的碰撞是弹性碰撞。 【答案】(1)D F (2)m1 LE＝m1 LD＋m2 LF (3)m1LE＝m1LD＋m2LF 【解析】由题意可知，碰撞后，m1 的落点是图中的 D 点，m2 的落点是图中的 F 点。设斜面 BC 的倾角为θ， 小球从斜面顶端平抛落到斜面上，两者距离为 L，由平抛运动的知识可知，Lcos θ＝vt，Lsin θ＝1 2gt2，可得 v＝Lcos θ g 2Lsin θ ＝cos θ gL 2sin θ ，由于θ、g 都是恒量，所以 v∝ L，v2∝L，所以动量守恒的表达式可以 化简为 m1 LE＝m1 LD＋m2 LF，机械能守恒的表达式可以化简为 m1LE＝m1LD＋m2LF。