2022年高考物理命题猜想与仿真押题——专题12 力学实验(命题猜想)(解析版)

【考向解读】
高考对物理试验的考查，是在《考试说明》规定的试验基础上进行重组与创新，旨在考查考生是否生疏这些
常规试验器材，是否真正动手做过这些试验，是否能机敏的运用学过的试验理论、试验方法、试验仪器，去处理、分析、争辩某些未做过的试验，包括设计某些比较简洁的试验等．所给的物理情景和要求跟教材内容多有明显区分，是以教材中试验为背景或素材，通过转变试验条件或增加条件限制，加强对考生迁移力量、创新力量和试验力量的考查．
【命题热点突破一】验证力的平行四边形定则
试验的条件是“力的作用效果相同”，因此，在两个分力和一个力分别作用下，同一弹性绳的同一端点必需到达同一位置才能满足试验的验证条件．
例1、(2021·安徽)在“验证力的平行四边形定则”试验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮条的一端固定在板上一点，两个细绳套系在橡皮条的另一端．用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套，互成角度地施加拉力，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，如图所示．请将以下的试验操作和处理过程补充完整：
①用铅笔描下结点位置，记为O；
②记录两个弹簧测力计的示数F1和F2，沿每条细绳(套)的方向用铅笔分别描出几个点，用刻度尺把相应的点连成线；
③只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置O，记录测力计的示数F3，
______________________；
④依据力的图示要求，作出拉力F1、F2、F3；
⑤依据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F；
⑥比较__________的全都程度，若有较大差异，对其缘由进行分析，并作出相应的改进后再次进行试验．【答案】③沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线；⑥F和F3.
【变式探究】
(2021·山东)某同学通过下述试验验证力的平行四边形定则．试验步骤：
①将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向．
②如图甲所示，将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上，另一端用圆珠笔尖竖直向下拉，直到弹簧秤示数为
某一设定值时，将橡皮筋两端的位置记为O1、O2，记录弹簧秤的示数F，测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮筋的长度l)．每次将弹簧秤示数转变0.50 N，测出所对应的l，部分数据如下表所示：
F(N)00.50 1.00 1.50 2.00 2.50
l(cm)l010.9712.0213.0013.9815.05 完成下列作图和填空：
(1)利用表中数据在给出的坐标纸上画出F－l图线，依据图线求得l0＝________ cm.
(2)测得OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，则F OA的大小为________N.
(3)依据给出的标度，在图中作出F OA和F OB的合力F′的图示．
(4)通过比较F′与________的大小和方向，即可得出试验结论．
(3)如图；
(4)通过比较F′和F′OO的大小和方向，可得出试验结论．
【答案】(1)10.00(2)1.80(3)如图(4)F′OO
【命题热点突破二】验证牛顿其次定律
试验中用砝码(包括砝码盘)的重力G的大小作为小车所受拉力F的大小，这样做会引起系统误差．
例2、如图甲所示是某同学探究加速度与力的关系的试验装置．他在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放．③下列不必要的一项试验要求是____________．
A．应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量
B．应使A位置与光电门间的距离适当大些
C．应将气垫导轨调整水平
D．应使细线与气垫导轨平行
④转变钩码的质量，记录对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图像，争辩滑块的加速度与力的关系，处理数据时应作出________图像．(选填“t2－F”“
1
t－F”或“
1
t2－F”)．
【答案】①2.25②A位置到光电门B之间的距离L③A④
1
t2－F
【变式探究】
某爱好小组设计出如图甲所示的试验装置，探究小车的加速度跟合外力的关系，途中与小车左端相连的是测力传感器，小车放置在表面各处粗糙程度相同的水平长木板上．按甲图装配好试验器材，先测出小车运动时所受摩擦阻力，渐渐向砂桶中添加细砂粒，当观看到小车刚开头运动时，登记传感器的最大示数为F0，可认为摩擦阻力为F0.
(1)将小车放回初位置并用手按住，连续向砂桶中添加肯定量的砂粒，登记传感器的示数F1，接通频率为50 Hz 的沟通电源使打点计时器工作，然后释放小车，打出一条纸带．再连续向砂桶中添加砂粒，多次重复试验，打出多条纸带，图乙为某次试验打出的一条纸带，纸带上每相邻的两计数点间都有四个计时点未画出，按时间挨次，取0、1、2、3、4、5、6六个计数点，用刻度尺量出1、2、3、4、5、6点到0点的距离(单位：cm)，
分别标注在相应的计数点的下方，则小车的加速度a＝________ m/s2(结果保留三位有效数字)
(2)算出各次小车的加速度和合力F(F＝F1－F0)，获得多组数据，描绘小车加速度a与F的关系图像，纸带与打点计时器间的摩擦可忽视，下列图像可能正确的是________．
(3)写出一条提高试验结果精确程度有益的建议__________.
【思路点拨】依据匀变速直线运动的推论公式Δx＝aT2可以求出加速度的大小．依据牛顿其次定律得出a 与F的关系式，结合关系式得出正确的图线．本题借助试验考查了匀变速直线的规律以及推论的应用，在平常练习中要加强基础学问的理解与应用，提高解决问题的力量．解决试验问题首先要把握该试验原理，了解试验的操作步骤和数据处理以及留意事项，其中平衡摩擦力的缘由以及做法在试验中应当清楚．【答案】(1)0.756(2)AD(3)多测量几次，取平均值
【命题热点突破三】验证机械能守恒定律
1．验证机械能守恒定律一般有阻力存在，例如纸带与限位孔之间的，一般重力势能削减量大于动能增加量．2．需要不需要测争辩对象的质量要具体问题具体分析．
例3、用如图试验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开头下落，在m1拖着的纸带上打出一系列的点，打点计时器的打点频率为50 Hz，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．下图给出的是试验中猎取的一条纸带，0
是打下的第一个点，相邻两计数点间均有4个点未画出，计数点间的距离如图所示．已知m1＝50 g、m2＝150 g(g取9.8 m/s2，全部结果均保留三位有效数字)，求：
(1)下面给出了该试验的操作步骤：
A．依据图示的装置安装试验器材
B．将打点计时器接到直流电源上
C ．先释放m 2，再接通电源，在纸带打下一系列点迹
D ．选择点迹清楚的纸带进行测量
E ．依据测量的结果，分别计算系统削减的重力势能和增加的动能 其中操作不当的步骤是：________.
(2)在打0－5点过程中系统动能的增加量ΔE k ________J ，系统重力势能的削减量ΔE p ________J ，在误差允许范围内验证了机械能守恒．
(3)某同学作出了v 2
2
－h 图线，则据图线得到的重力加速度g ＝________ m/s 2.
【解析】试验中涉及打点计时器的工作条件和操作挨次，依据物体的初末动能大小可以求出动能的增加量，依据物体重力做功和重力势能之间的关系可以求出系统重力势能的减小量，比较动能增加量和重力势能减小量之间的关系可以得出机械能是否守恒；依据图像的物理意义可知，图像的斜率大小等于物体的重力加速度大小．
【答案】 (1)BC ②0.576 0.588 (3)9.67
【变式探究】
某试验小组利用电磁打点计时器和如图的其他器材开展多项试验探究，选择了一条符合试验要求的纸带，数据如图(相邻计数点的时间为T )，回答下列问题：
(1)按装置安装器材时，纸带应穿过电磁打点计时器的限位孔从复写纸的________(填“上”或“下”)表面通过． (2)若是探究重力做功和物体动能的变化的关系．需求出重锤运动到各计数点的瞬时速度，试写出在E 点时重
锤运动的瞬时速度v E ＝________(用题中字母表示)．
(3)若是测量重力加速度g .为削减试验的偶然误差，接受逐差法处理数据，则加速度大小可以表示为g ＝________(用题中字母表示)．
(4)假如争辩重锤在AE 运动过程中机械能守恒时，重锤增加的动能总是小于减小的重力势能，造成试验误差的主要缘由是__________________________________________________(只写一条)．
【思路点拨】 本题肯定要明确试验原理，并且亲自动手试验，娴熟应用所学基本规律解决试验问题．要会从下面三个方面分析得出正确答案：(1)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，据此可以求出E 点的速度大小．(2)接受逐差法可有效利用数据，再接受求平均值的方法可更好地减小误差．(3)分析验证机械能守恒定律时误差形成的缘由即可．
【答案】 (1)下 (2)s 5＋s 6
2T
(3)
s 4＋s 5＋s 6－s 1＋s 2＋s 3
9T 2
(4)重锤克服阻力做功(或阻力对重锤做负功) 【命题热点突破四】 争辩匀变速直线运动 1．如何选取纸带和计数点
要选取点迹清楚的一条，舍掉开头比较密集的点迹，在便于测量的地方取一个开头点O ，然后每5个点取一个计数点，依次为A 、B 、C ……如图所示，测出相邻计数点间的距离x 1、x 2、x 3、x 4、x 5、x 6……利用打下点的纸带和测量的有关数据便可以进行计算．
2．求任一计数点对应的瞬时速度v 如v B ＝x 2＋x 3
2T
(其中T ＝5×0.02 s ＝0.1 s)．
3．利用“逐差法”求加速度a a ＝
x 4＋x 5＋x 6
－x 1＋x 2＋x 3
9T 2
.
4．验证牛顿其次定律时 (1)试验用的是把握变量法；
(2)将砂桶或钩码重力视为小车所受合外力，必需满足小车和砝码的总重量远远大于砂桶的重量； (3)在平衡摩擦力时，要将一端垫高，不要悬挂小桶，但小车应连着纸带且接通电源．
例4、某同学利用图甲所示的试验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开头运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)．从纸带上便于测量的点开头，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50 Hz.
(1)通过分析纸带数据，可推断物块在两相邻计数点________和________之间某时刻开头减速．
(2)计数点5对应的速度大小为________ m/s ，计数点6对应的速度大小为________ m/s.(保留三位有效数字) (3)物块减速运动过程中加速度的大小为a ＝________ m/s 2，若用a
g 来计算物块与桌面间的动摩擦因数(g 为重
力加速度)，则计算结果比动摩擦因数的真实值________(填“偏大”或“偏小”)．
(3)物块在计数点7到11之间做减速运动， 依据Δx ＝aT 2，得x 9－x 7＝2a 1T 2 x 10－x 8＝2a 2T 2
故a ＝a 1＋a 22＝x 9＋x 10－x 8＋x 7
2×2T
2≈－2.00 m/s 2 物块做减速运动时受到的阻力包括水平桌面的摩擦阻力和打点计时器对纸带的摩擦阻力，因此依据牛顿其次定律，得μmg ＋f ＝ma ，即μ＝ma －f mg ，因此用μ′＝a g 计算出的动摩擦因数比μ的真实值偏大．
【答案】 (1)6 7(或7 6) (2)1.00 1.20 (3)2.00 偏大 【变式探究】
如图(a)所示，竖直平面内固定一斜槽，斜槽中放有若干个直径均为d 的小铁球，紧靠斜槽末端固定有电磁铁，闭合开关K ，电磁铁吸住第1个小球．手动敲击弹性金属片M ，M 与触头瞬间分开，第1个小球从O 点开头下落，M 快速恢复，电磁铁又吸住第2个小球．当第1个小球撞击M 时，M 与触头分开，第2个小球从O 点开头下落……
某爱好小组利用此装置测定重力加速度，请回答下列问题：
(1)利用游标卡尺测量小球的直径d ，如图(b)所示，读数为________ mm.
(2)用刻度尺测出OM ＝1.462 m ，手动敲击M 的同时按下秒表开头计时，若10个小球下落的总时间为5.5 s ，则当地的重力加速度g ＝________ m/s 2(保留两位有效数字)；
(3)若在O 点的正下方A 点固定一光电门(图中未画出)，测出OA ＝h ，小球经过光电门的时间为Δt ，则小球通过光电门时的速度v ＝________，可求得当地的重力加速度g ＝________.(用已知量和测得量的符号表示) 【思路点拨】 本题中的游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数，不需估读．首先要明确电路结构、试验原理即可正确解答；依据自由落体运动规律h ＝1
2gt 2，可以求出重力加速度大小．由于测量自由落体的重
力加速度，类比对应的公式可知，由刻度尺读出两光电门的高度差，由光电计时器读出小球从光电门1到光电门2的时间，依据匀变速直线运动位移时间公式列出等式求解．要把握游标卡尺的读数方法，游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数．对于试验问题肯定要明确试验原理，并且亲自动手试验，娴熟应用所学基本规律解决试验问题．
(3)依据极短时间内的平均速度等于瞬时速度求出小球运动到光电门处时的瞬时速度，则小球通过光电门时的速度v ＝d /Δt ；依据运动学公式得重力加速度g ＝v 22h ＝
d 22h Δt
2.
【答案】(1)9.30(2)9.7(3)d
Δt
d2
2Δt2h
【命题热点突破五】探究弹力和弹簧伸长量的关系
该试验要留意区分弹簧总长度和弹簧伸长量．对探究性试验，要依据描出的点的走向，尝试判定函数关系．(这一点和验证性试验不同．)可以扩展为橡皮筋、弹性绳．
例5、(2021·四川)某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时，安装好试验装置，让刻度尺零刻度与弹簧上端
平齐，在弹簧下端挂1个钩码，静止时弹簧长度为l1，如图1所示，图2是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺(最小分度是1毫米)上位置的放大图，示数l1＝________ cm.在弹簧下端分别挂2个、3个、4个、5个相同钩码，静止时弹簧长度分别是l2、l3、l4、l5.已知每个钩码质量是50 g，挂2个钩码时，弹簧弹力F 2＝________ N(当地重力加速度g＝9.8 m/s2)．要得到弹簧伸长量x，还需要测量的是________．作出F－x曲线，得到弹力与弹簧伸长量的关系．
【答案】25.820.98弹簧的原长l0
【变式探究】
某探究学习小组的同学欲以下图装置中的滑块为争辩对象“验证动能定理”，他们在试验室组装了一套如图所示的装置，另外他们还找到了打点计时器所用的同学电源、导线、复写纸、纸带、小木块、天平、刻度尺、细沙等材料．当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放沙桶，滑块处于静止状态．若你是小组中的一位成员，要完成该项试验，则：(1)试验时为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，沙和沙桶的总质量m、滑块的质量M 两者应满足的条件是________，而且试验时还需要有________的步骤．
(2)在(1)的基础上，某同学用天平称量滑块的质量M.向沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时沙和沙桶的总质量m.让沙桶带动滑块加速运动，用打点计时器记录其运动状况，在打点计时器打出的纸带上取OABC四点，量得各计数点间的距离分别为x1、x2、x3.若争辩滑块的AB段，本试验最终要验证的数学表达式为
________(用题中的字母表示，重力加速度为g，打点计时器所接交变电流的周期为T)．
【思路点拨】试验前要平衡摩擦力，使滑块受到的合力等于沙和沙桶的重力；只有在滑块质量远大于沙和沙桶总质量的状况下，才可近似认为滑块受到的拉力等于沙和沙桶的重力．由匀变速运动的推论求出滑块的瞬时速度，代入动能定理表达式即可正确解题．该题考查了力学试验的基本操作和数据处理，正确解答这些问题的关键是明确试验原理，提高应用基本物理规律解决试验问题的力量．
【答案】(1)M≫m平衡滑块摩擦力
(2)
M
8T2(x1＋2x2＋x3)(x3－x1)＝mgx2
【命题热点突破六】探究动能定理
本试验关键是确保测量的是物体所受合力做的功，其次物体的初动能、末动能也是测量的关键．
例6、为了探究动能定理，某学习小组在试验室组装了如图1所示的装置，备有下列器材：
打点计时器、同学电源、导线、纸带、复写纸、天平、细沙、滑块、沙桶、木板
他们称量滑块的质量为M、沙和小桶的总质量为m.当滑块连接上纸带，让细线跨过滑轮并悬挂空的小桶时，滑块处于静止状态．要完成该试验，请回答下列问题：
(1)要完成本试验，还缺少的试验器材是________；
(2)试验开头前，首先要________；试验中要保证满足的试验条件是________．
(3)在满足(2)问的条件下，让小桶带动滑块加速运动，如图2所示为打点计时器所打的纸带的一部分，图中A、
B、C、D、E是按时间先后挨次确定的计数点，相邻计数点间的时间间隔为T，相邻计数点间的距离标注在图上，当地重力加速度为g，则在B、D两点间对滑块用试验验证动能定理表达式为________．(用题中所给的表示数据的字母表示)
【答案】(1)刻度尺(2)平衡摩擦力m远小于M
(3)mg(x2＋x3)＝M
8T2(x3＋x4)
2－(x1＋x2)2]。