新教材适用2024版高考物理二轮总复习第1部分核心主干复习专题专题7物理实验第17讲常考力学实验

第一部分 专题七 第17讲
A 组·基础练
1. (2023·河北邢台三模)实验小组利用如图1所示的装置探究小车速度随时间变化的规律，打点计时器所接电源的频率为50 Hz 。

(1)实验操作前，_不需要__平衡摩擦力(选填“需要”或者“不需要”)。

(2)规范操作后，得到一条纸带，以纸带上能够看清的某个点作为0点，每5个点取一个计数点，测量各计数点与0点的距离，如图2所示，则纸带上打计数点2时的小车速度大小v 2＝_0.504__m/s ，打计数点4时小车的速度大小v 4＝_0.805__m/s 。

(结果均保留3位有效数字)
(3)利用各计数点计算得到的速度作出小车运动的v －t 图像，得到一条倾斜的直线，说明小车做匀加速直线运动，则小车运动的加速度大小a ＝_1.50__m/s 2。

(结果保留3位有效数字)
【解析】 (1)本实验是探究速度随时间的变化规律，因此不需要平衡摩擦力。

(2)相邻计数点间的时间间隔为T ＝0.1 s ，打计数点2时的小车速度大小 v 2＝x 03－x 012T
＝0.504 m/s 打计数点4时的小车速度大小
v 4＝x 05－x 032T
＝0.805 m/s 。

(3)加速度大小
a ＝x 06－2x 039T 2＝1.50 m/s 2。

2. (2023·福建福州一模)如图所示，粗糙程度均匀的斜面体固定在水平桌面上，将一带有遮光条的滑块从斜面同一位置P 由静止释放，滑块可通过光电门A ，回答下列问题。

(1)利用螺旋测微器测量遮光条的宽度，如图所示，则遮光条的宽度为d ＝_6.700__mm 。

(2)改变光电门A 的位置，每次让滑块从P 点由静止释放，用光电门记录遮光条的遮光
时间t ，用刻度尺测量P 与光电门之间的距离x ，若以x 为纵轴，则以1t 2 为横轴(填“t ”“1t ”或“1t 2”)，作出的图线为倾斜的直线，若图线的斜率为k ，则滑块下滑的加速度a ＝d 2
2k (用题目中的物理量符号表示)。

【解析】 (1)遮光条的宽度为d ＝6.5 mm ＋20.0×0.01 mm＝6.700 mm 。

(2)由运动学规律可得v 2＝2ax 由光电门原理可得v ＝d
t
联立可得x ＝d 22a ·1t
2 若以x 为纵轴，则以1t
2为横轴，作出的图线为倾斜的直线。

若图线的斜率为k ，则d 2
2a
＝k 解得滑块下滑的加速度为a ＝d 2
2k。

3. (2023·山东烟台模拟)某实验小组用如图所示的实验装置来验证动量守恒定律，光电门1、2与数字计时器相连并固定在气垫导轨上，两个滑块A 、B(包含挡光片)质量分别为m 1、m 2。

(1)在调节装置时，启动充气机，经过调整后，将滑块A 轻放在气垫导轨上任何位置都
能_静止__，则气垫导轨已调至水平。

(2)本实验_不需要__(“需要”或“不需要”)测量遮光条的宽度。

(3)两滑块A 、B 从光电门1、2的外侧匀速相向运动，在两光电门中间发生碰撞，运动到气垫导轨一端时立刻被锁定。

实验中光电门1记录挡光时间为Δt 1，光电门2记录三次挡光时间依次为Δt 2、Δt 3、Δt 4。

已知两滑块上的遮光片宽度相同，若滑块A 和B 在碰撞的过程中动量守恒，则应该满足的表达式为m 1Δt 1－m 2Δt 2＝m 1Δt 4＋m 2Δt 3
(用已知物理量和测量的物理量的字母表示)。

【解析】 (1)将滑块轻放在气垫导轨上任何位置都能静止，表明气垫导轨已调至水平。

(2)(3)光电门2记录三次挡光时间依次为滑块B 碰前向左通过光电门2、滑块B 碰后向右通过光电门2和滑块A 碰后向右通过光电门2的时间。

设遮光片宽度为d ，则滑块A 、B 碰前速度大小分别为v 1＝d Δt 1，v 2＝d Δt 2
滑块A 、B 碰后速度大小分别为v 4＝d Δt 4，v 3＝d Δt 3 由题意知系统总动量水平向右，根据动量守恒定律得m 1d Δt 1－m 2d Δt 2＝m 1d Δt 4＋m 2d Δt 3 整理得m 1Δt 1－m 2Δt 2＝m 1Δt 4＋m 2Δt 3
由上式知实验中不需要测量遮光条的宽度。

4. (2023·山东泰安模拟)某同学利用如图甲所示的实验装置探究合外力做功与物体动能改变量之间的关系。

实验步骤如下：
①用游标卡尺测量遮光条的宽度d ，测得小车(含遮光条)的质量为M ，用刻度尺测出两光电门中心间的距离为L 。

调节滑轮高度，让细线与木板始终平行。

已知重力加速度为g ；
②挂上沙桶，调节木板的倾角，使小车沿木板下滑时通过甲、乙两光电门的遮光时间相同；
③取下沙桶，测得沙和沙桶的总质量为m 。

将小车从木板上端由静止释放，分别记录小车通过两光电门甲、乙时的遮光时间t 1、t 2；
④改变沙桶总质量和木板倾角，重复步骤②③；
⑤进行数据处理。

回答下列问题：
(1)游标卡尺示数如图乙所示，则遮光条的宽度d ＝_0.530__cm ；
(2)取下沙桶后，小车加速运动过程中受到的合外力大小为_mg __(用所给物理量符号表示)；
(3)若小车下滑过程中满足表达式mgL ＝Md 22 ⎛⎭
⎪⎫1t 22－1t 21 (用所给物理量符号表示)，则说明合外力做的功等于动能的改变量。

【解析】 (1)遮光条的宽度d ＝5 mm ＋0.05 mm×6＝0.530 cm 。

(2)挂上沙桶，调节木板的倾角，使小车沿木板下滑时通过甲、乙两光电门的遮光时间相同；可知小车匀速下滑，此时Mg sin θ＝f ＋mg
取下沙桶后，小车加速运动过程中受到的合外力大小为F 合＝Mg sin θ－f ＝mg 。

(3)若满足
F 合L ＝12Mv 2
2－12Mv 21＝12M ⎣⎢⎡⎦
⎥⎤⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 22－⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 12 即满足mgL ＝Md 22⎝ ⎛⎭
⎪⎫1t 22－1t 21 则说明合外力做的功等于动能的改变量。

5. (2023·华中师大附中模拟)某同学利用智能手机的连拍功能拍摄了竖直上抛小球的上升过程中的多张照片，以验证机械能守恒定律。

如图所示为照片经处理后的实际距离。

已知手机每秒拍摄20张照片，小球质量m ＝1.00 kg ，g 取9.8 m/s 2。

(1)小球从B 到E 的过程中，重力势能增量ΔE p ＝_6.22__J ；小球经过E 点时的速度v E ＝_3.48__m/s 。

(结果保留3位有效数字)
(2)以各点的动能E k 为纵轴，相对A 点上升的高度h 为横轴，作出E k －h 图像如图所示，
求得该图像斜率的绝对值为10.6 J/m 。

若小球运动中所受阻力可视为恒力，则阻力的大小为_0.8__N 。

【解析】 (1)小球从B 到E 的过程中，重力势能增量ΔE p ＝mgh BE ＝6.22 J
根据平均速度代替瞬时速度可知小球经过E 点时的速度
v E ＝h DF 2T ＝105.82－71.022×120
×0.01 m/s＝3.48 m/s 。

(2)根据动能定理有－fh －mgh ＝0－E k
则E k ＝(f ＋mg )h
根据斜率可知f ＝0.8 N 。

B 组·综合练
6. (2023·四川绵阳模拟)如下图为“用DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置。

(1)在该实验中必须采用控制变量法，应保持_小车的总质量__不变，用钩码所受的重力作为_小车所受外力的合力__，用DIS 测小车的加速度。

(2)改变所挂钩码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出a －F 关系图线(如下图所示)。

①此图线的OA 段的斜率表示_小车的质量的倒数__；
②此图线的AB 段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是_C__；
A ．小车与轨道之间存在摩擦
B ．导轨保持了水平状态
C ．所挂钩码的总质量太大
D ．所用小车的质量太大
【解析】 (1)实验目的是研究加速度和力的关系，因此需要保持研究对象，即小车的总质量不变；为了求出小车所受外力的合力，实验中需要用钩码所受重力作为小车所受外力的合力。

(2)①根据F ＝Ma
解得a ＝1M
F 可知，此图线的OA 段的斜率表示小车的质量的倒数；
②图像经过原点，表明已经平衡摩擦力，对钩码与小车整体有mg ＝(m ＋M )a
对小车有T ＝Ma
解得T ＝Mmg m ＋M ＝1m M
＋1·mg 可知，细绳的拉力，即小车所受外力的合力实际上小于钩码的重力，只有当钩码质量远远小于小车质量时，两者才近似相等，即图线的AB 段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是所挂钩码的总质量太大。

故选C 。

7. (2023·江苏常州二模)(1)如图1所示为实验室常用的力学实验装置。

关于该装置，下列说法正确的是_B__。

A ．利用该装置做研究匀变速直线运动的实验时，必须平衡小车和木板间的摩擦力
B ．利用该装置探究小车的加速度与质量关系时，可以将木板带有打点计时器的一端适当垫高来平衡摩擦力
C ．利用该装置探究小车的加速度与质量关系时，每次改变小车的质量后必须重新平衡摩擦力
D ．平衡摩擦力时，需要悬挂钩码，轻推小车后，判断小车运动是否为匀速运动
(2)某实验小组成员用如图2所示的装置做“探究外力做功与物体动能变化关系”实验。

①实验中，下列措施可以减小实验误差的有_D__。

A ．使钩码的质量远小于小车的质量
B ．先释放小车，然后接通电源
C ．打点计时器选用电磁打点计时器而不用电火花打点计时器
D ．调节定滑轮高度，使连接小车的细线平行于木板
②如图3为按正确的操作打出的一条纸带，纸带上标出的点为计数点，相邻计数点时间
间隔为T ，重力加速度为g 。

图中已经标明了要测量的物理量，则A 点的速度可以表示为x 14T ，记录此次实验中力传感器的读数为F ，已知小车的质量为M ，钩码的总质量为m ，则实验中
要探究的结果为FL ＝M x 2
2－x 2132T 2 (用合适的已知量和纸带上标出的量表示)。

③若实验小组成员实验前遗漏了平衡摩擦力这一关键步骤，已知小车与木板间动摩擦因数恒定不变，根据多次实验数据画出了小车动能变化ΔE k 与所测合力对小车所做功W 的关系图像，此图像应该是_A__。

【解析】 (1)利用该装置做研究匀变速直线运动的实验时，只要小车加速运动即可，不需要平衡小车和木板间的摩擦力，选项A 错误；利用该装置探究小车的加速度与质量关系时，可以将木板带有打点计时器的一端适当垫高来平衡摩擦力，选项B 正确；利用该装置探究小车的加速度与质量关系时，平衡摩擦力时mg sin θ＝μmg cos θ，两边消掉m ，则每次改变小车的质量后不需要必须重新平衡摩擦力，选项C 错误；平衡摩擦力时，不需要悬挂钩码，轻推小车后，只需要判断小车拖着纸带运动是否为匀速运动，选项D 错误。

故选B 。

(2)①因为有力传感器测量小车的拉力，则实验中不需要使钩码的质量远小于小车的质量，选项A 错误；实验中要先接通电源，然后释放小车，选项B 错误；电火花计时器对纸带的阻力较小，则打点计时器选用电火花打点计时器而不用电磁打点计时器，选项C 错误；调节定滑轮高度，使连接小车的细线平行于木板，可减小实验误差，选项D 正确。

②如图A 点的速度可以表示为v A ＝x 1
4T B 点的速度可以表示为v B ＝x 24T
记录此次实验中力传感器的读数为F ，已知小车的质量为M ，钩码的总质量为m ，则实
验中要探究的结果为FL ＝12Mv 2B －12Mv 2A ＝M x 22－x 2132T
2。

③由于实验前遗漏了平衡摩擦力这一关键步骤，但合外力做功仍属于恒力做功，根据动能定理W ＝ΔE k 知，ΔE k 与W 仍成正比例关系，故B 、C 、D 错误，A 正确。

8. (2023·河南郑州统考)用如图所示的装置根据平抛运动规律验证两小球碰撞中的动量守恒。

使用频闪相机对小球碰撞前后的运动情况进行拍摄。

图中背景是放在竖直平面内带方格的纸板，纸板平面与小球运动轨迹所在的平面平行，每个小方格的边长为a ＝5 cm ，取g ＝10 m/s 2，实验核心步骤如下：
(1)让小球m 1从挡板处由静止释放，从斜槽末端水平抛出后频闪照片如图乙中的A 所示。

(2)把小球m 2静置于轨道末端，让小球m 1从挡板处由静止释放，两球在斜槽末端碰撞。

碰撞后两小球从斜槽末端水平抛出。

抛出后的频闪照片分别如图乙中的B 、C 所示。

(3)由图乙结合已知数据可计算出频闪相机闪光的周期T ＝_0.10__s(结果保留2位有效数字)。

(4)由图乙结合已知数据可计算出碰撞后小球m 2的速度v 2＝_3.0__m/s(结果保留2位有效数字)。

(5)若碰撞过程中动量守恒，则m 1m 2＝_31__。

【解析】 (3)小球在空中做平抛运动，竖直方向上做自由落体运动，竖直方向上有Δy ＝y 2－y 1＝2a ＝gT 2
解得频闪相机闪光的周期为T ＝2a g ＝2×5×10－2
10 s ＝0.10 s 。

(4)小球在水平方向上匀速直线运动，由图可知碰撞前小球m 1的水平速度为v 1＝4a T
＝4×5×10－2
0.10 m/s ＝2.0 m/s
碰撞后小球m 2的水平速度为v 2＝6a T ＝6×5×10－20.10
m/s ＝3.0 m/s 。

(5)碰撞后小球m 1的水平速度为v 1′＝2a T ＝2×5×10－20.10
m/s ＝1.0 m/s 取水平向右为正方向，根据动量守恒定律可得m 1v 1＝m 1v 1′＋m 2v 2 代入数据解得m 1m 2＝
v 2v 1－v 1′＝ 3.02.0－1.0＝31。