考前三个月专题12T 力学光学实验一高考定位 审题破题含原创题组及解析.docx
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考前三个月专题12T力学光学实验一高考定位审题破题含原创题组及解析
高考定位
高考中常涉及的力学、光学实验有:
研究匀变速直线运动、验证力的平行四边形定则、探究弹力与弹簧伸长量的关系、探究加速度与力、质量的关系、探究动能定理和验证机械能守恒定律、探究单摆周期与摆长的关系、测定玻璃的折射率、用双缝干涉测光的波长(同时练习使用测量头).近几年力学实验中与纸带处理相关的实验、力学创新实验是高考的热点内容,以分组或演示实验为背景,考查对实验方法的领悟情况、灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势.要求考生掌握常规实验的数据处理方法,能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中,深刻理解物理概念和规律,并能灵活运用,要求考生有较强的创新能力.
考题1 研究匀变速直线运动
例1
(2014·全国大纲·22)现用频闪照相方法来研究物块的变速运动.在一小物块沿斜面向下运动的过程中,用频闪相机拍摄的不同时刻物块的位置如图1所示.拍摄时频闪频率是10Hz,通过斜面上固定的刻度尺读取的5个连续影像间的距离依次为x1、x2、x3、x4.已知斜面顶端的高度h和斜面的长度s.数据如下表所示.重力加速度大小g=9.80m/s2.
图1
单位:
cm
x1
x2
x3
x4
h
s
10.76
15.05
19.34
23.65
48.00
80.00
根据表中数据,完成下列填空:
(1)物块的加速度a=________m/s2(保留3位有效数字)
(2)因为________,可知斜面是粗糙的.
解析
(1)根据匀变速直线运动的推论,利用逐差法,得
x3-x1=2a1T2
x4-x2=2a2T2
a=
又知T=
=0.1s
联立以上各式得a≈4.30m/s2
(2)如果斜面光滑,根据牛顿第二定律得,物体下滑的加速度a′=gsinθ=g
=5.88m/s2,因为a′>a,所以斜面是粗糙的.
答案
(1)4.30
(2)a =5.88m/s2 1.为了测量木块与木板间动摩擦因数μ,某小组使用位移传感器设计了如图2甲所示实验装置,让木块从倾斜木板上一点A由静止释放,位移传感器可以测出木块到传感器的距离.位移传感器连接计算机,描绘出滑块相对传感器的位移x随时间t的变化规律,如图乙所示. 图2 (1)根据上述图线,计算0.4s时木块的速度v=________m/s,木块加速度a=________m/s2; (2)为了测定动摩擦因数μ,还需要测量的量是________________________;(已知当地的重力加速度g) (3)为了提高木块与木板间动摩擦因数μ的测量精度,下列措施可行的是________. A.A点与传感器距离适当大些 B.木板的倾角越大越好 C.选择体积较大的空心木块 D.传感器开始计时的时刻必须是木块从A点释放的时刻 答案 (1)0.4 1 (2)斜面倾角(或A点的高度) (3)A 解析 (1)0.4s时木块的速度等于0.2s~0.6s内的平 均速度,即v= m/s=0.4m/s; 根据Δx=aT2,可求出木块的加速度a= m/s2=1m/s2. (2)根据mgsinθ-μmgcosθ=ma,可知测出倾斜角或A点的高度算出倾斜角. (3)当A点与传感器距离适当大些,可测出多组数据,求平均值,能提高测量精度,A正确;倾斜角越大,测得的数据越少,不利于提高测量精度,B错误;若选择体积较大的空心木块,在下降过程中,受空气阻力变大,影响了动摩擦因数的测量,C错误;传感器开始计时的时刻不一定是从A点释放的时刻,只要根据中间一段的Δx=aT2,就可算出加速度,D错误. 考题2 探究弹力和弹簧伸长量的关系 例2 (2014·新课标Ⅱ·23)某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度(圈数)的关系.实验装置如图3所示: 一均匀长弹簧竖直悬挂,7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处;通过旁边竖直放置的刻度尺,可以读出指针的位置,P0指向0刻度.设弹簧下端未挂重物时,各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100kg的砝码时,各指针的位置记为x.测量结果及部分计算结果如下表所示(n为弹簧的圈数,取重力加速度为9.80m/s2).已知实验所用弹簧总圈数为60,整个弹簧的自由长度为11.88cm. 图3 P1 P2 P3 P4 P5 P6 x0(cm) 2.04 4.06 6.06 8.05 10.03 12.01 x(cm) 2.64 5.26 7.81 10.30 12.93 15.41 n 10 20 30 40 50 60 k(N/m) 163 56.0 43.6 33.8 28.8 (m/N) 0.0061 0.0179 0.0229 0.0296 0.0347 (1)将表中数据补充完整: ________;________. (2)以n为横坐标, 为纵坐标,在图4给出的坐标纸上画出 —n图像. 图4 (3)图4中画出的直线可近似认为通过原点.若从实验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧,该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系的表达式为k=________N/m;该弹簧的劲度系数k与其自由长度l0(单位为m)的关系表达式为k=________N/m. 解析 (1)根据胡克定律有mg=k(x-x0),解得k= = N/m≈81.7N/m, ≈0.0122m/N. (2) -n图像如图所示 (3)根据图像可知,k与n的关系表达式为k= N/m,k与l0的关系表达式为k= N/m. 答案 (1)81.7 0.0122 (2)见解析图 (3) (在 ~ 之间均可) (在 ~ 之间均可) 2.(2014·浙江·21)在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时,某同学把两根弹簧如图5连接起来进行探究. 图5 (1)某次测量如图6所示,指针示数为________cm. 图6 钩码数 1 2 3 4 LA/cm 15.71 19.71 23.66 27.76 LB/cm 29.96 35.76 41.51 47.36 (2)在弹性限度内,将50g的钩码逐个挂在弹簧下端,得到指针A、B的示数LA和LB如表所示.用表中数据计算弹簧Ⅰ的劲度系数为________N/m(重力加速度g=10m/s2).由表中数据________(填“能”或“不能”)计算出弹簧Ⅱ的劲度系数. 答案 (1)16.00(有效数字位数正确,15.96~16.05均可) (2)12.45(12.20~12.80均可) 能 解析 (1)刻度尺分度值为1毫米,读数应估读到毫米下一位,故指针的示数为16.00cm. (2)当A弹簧的弹力为FA1=0.50N、FA2=1.00N、FA3=1.50N、FA4=2.00N时,弹簧长度LA1=15.71cm、LA2=19.71cm、LA3=23.66cm、LA4=27.76cm,根据ΔF=kΔx得k1=12.50N/m、k2=12.66N/m、k3=12.20N/m,所以弹簧Ⅰ的劲度系数k= =12.45N/m.根据表可以计算出弹簧Ⅱ每次的伸长量Δx′,也可以根据ΔF=k′Δx′计算弹簧Ⅱ的劲度系数(劲度系数的计算也可以通过做F—x图象处理,图象的斜率即等于弹簧的劲度系数). 3.如图7为“测量弹簧劲度系数”的实验装置图,弹簧的上端固定在铁架台上,下端装有指针及挂钩,指针恰好指向一把竖直立起的毫米刻度尺.现在测得在挂钩上挂上一定数量钩码时指针在刻度尺上的读数如下表: 图7 钩码数n 0 1 2 3 4 5 刻度尺读数 xn(cm) 2.62 4.17 5.70 7.22 8.84 10.43 已知所有钩码的质量可认为相同且为m0=50g,当地重力加速度g=9.8m/s2.请回答下列问题: (1)请根据表格数据计算出弹簧的劲度系数k=____N/m.(结果保留两位有效数字) (2)考虑到在没有挂钩码时弹簧自身有重量,测量的弹簧劲度系数k的值与真实值相比较____________(填“偏大”、“偏小”或“没有影响”). 答案 (1)32 (2)没有影响 解析 (1)根据胡克定律k(x-x0)=nm0g,代入数据求k,再求平均得k=32N/m; (2)因在计算弹力时把弹簧自身的重量引起的形变量减去了,故弹簧自身有重量对测量值没有影响. 考题3 验证力的平行四边形定则 例3 (2014·江苏·11)小明通过实验验证力的平行四边形定则. 图8 (1)实验记录纸如图8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=3.30N、F2=3.85N和F3=4.25N.请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力. (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9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9 两次实验记录的轨迹如图10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________. 图10 (3)根据 (2)中的实验,可以得出的实验结果有哪些? ________(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. 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T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. 答案 (1)见解析图(F合=4.6~4.9N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) 4.在“验证力的平行四边形定则”实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳,细绳的另一端都有绳套(如图11所示).实验中需用两个弹簧秤分别勾住绳套,并互成角度地拉橡皮条.在此过程中,下列注意事项正确的是( ) 图11 A.两根细绳必须等长 B.两弹簧秤示数必须等大 C.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上 D.在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤与木板平面平行 答案 D 解析 细线的作用是能显示出力的方向,所以不必等长,故A错误;只要弹簧秤有示数即可,并不一定要相等,故B错误;两细线拉橡皮条时,只要确保拉到同一点即可,不一定橡皮条要在两细线的夹角平分线上,故C错误;弹簧秤不能接触水平木板,否则产生摩擦,使弹簧秤示数偏大,故D正确. 5.有同学利用如图12所示的装置来验证力的平行四边形定则: 在竖直木板上铺有白纸,固定两个光滑的滑轮A和B,将绳子打一个结点O,每个钩码的质量相等,当系统达到平衡时,根据钩码的个数读出三根绳子的拉力TOA、TOB和TOC,回答下列问题: 图12 (1)改变钩码个数,实验能完成的是________. A.钩码的个数N1=N2=2,N3=4 B.钩码的个数N1=N3=3,N2=4 C.钩码的个数N1=N2=N3=4 D.钩码的个数,N1=3,N2=4,N3=5 (2)在拆下钩码和绳子前,应该做好三个方面的记录: ________________________________________________________________________; ________________________________________________________________________; ________________________________________________________________________. 答案 (1)BCD (2)标记结点O的位置 钩码的个数N1、N2、N3 OA、OB、OC三段绳子的方向 解析 (2)为验证平行四边形定则,必须通过作受力图.所以先明确受力点,其次要作出力的方向并读出力的大小,最后作出力的图示.因此要做好记录,需从力的三要素角度出发: 需记录O点的位置;钩码的个数N1、N2、N3;拉力TOA、TOB、TOC的方向. 考题4 探究加速度与力、质量的关系 例4 (2014·新课标Ⅰ·22)某同学利用图13(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图,如图(b)所示.实验中小车(含发射器)的质量为200g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮,小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到.回答下列问题: 图13 (1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成________(填“线性”或“非线性”)关系. (2)由图(b)可知,a—m图线不经过原点,可能的原因是______________________________________________. (3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是________________________,钩码的质量应满足的条件是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 解析 (1)由图像可知小车的加速度与钩码的质量成非线性关系. (2)a—m图线不经过原点,在m轴上有截距,即挂上小钩码后小车加速度仍为零,可能的原因是存在摩擦力. (3)本实验直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则应采取的措施是调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力,钩码的质量应满足的条件是远小于小车的质量. 答案 (1)非线性 (2)存在摩擦力 (3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车的质量 6.甲、乙两个同学用如图14所示的实验装置共同研究在保持受到的牵引力不变的条件下,小车的加速度与其质量的关系. (1)甲同学通过对小车所牵引纸带的测量,就能得出小车的加速度a.图15是某次实验所打出的一条纸带,在纸带上标出了5个计数点,在相邻的两个计数点之间还有4个点未标出,图中数据的单位是cm.实验中使用的电源是频率为f=50Hz的交变电流.根据以上数据,可以算出小车的加速度a=________m/s2.(结果保留三位有效数字) 图14 图15 (2)乙同学通过给小车增加砝码来改变小车的质量M,得到小车的加速度a与质量M的数据,画出a~ 图线后,发现: 当 较大时,图线发生弯曲.于是,该同学后来又对实验方案进行了进一步地修正,避免了图线的末端发生弯曲的现象.那么,该同学的修正方案可能是( ) A.改画a与 的关系图线 B.改画a与(M+m)的关系图线 C.改画a与 的关系图线 D.改画a与 的关系图线 答案 (1)0.343 (2)A 解析 (1)由题意知,打点周期为0.02s,相邻两计数点时间间隔为0.1s,根据逐差法可求小车的加速度(x4+x3)-(x2+x1)=4aT2解得a=0.343m/s2; (2)当 较大时,图线发生弯曲,是因为提供牵引力的砝码的质量相对小车的质量不能忽略,故应把小车与砝码视为整体研究,即改画a与 的关系图线,所以A正确;B、C、D错误. 考题5 探究动能定理 例5 (2014·天津·9 (2))某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上,将细绳一端拴在小车上,另一端绕过定滑轮,挂上适当的钩码,使小车在钩码的牵引下运动,以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系.此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等.组装的实验装置如图1所示. 图1 ①若要完成该实验,必需的实验器材还有哪些________. ②实验开始时,他先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行.他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号). A.避免小车在运动过程中发生抖动 B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰 C.可以保证小车最终能够实现匀速直线运动 D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力 ③平衡摩擦力后,当他用多个钩码牵引小车时,发现小车运动过快,致使打出的纸带上点数较少,难以选到合适的点计算小车速度,在保证所挂钩码数目不变的条件下,请你利用本实验的器材提出一个解决办法: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. ④他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功,经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些.这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号). A.在接通电源的同时释放了小车 B.小车释放时离打点计时器太近 C.阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉 D.钩码做匀加速运动,钩码重力大于细绳拉力 解析 ①本实验需要知道小车的动能,因此还需要用天平测出小车的质量,用刻度尺测量纸带上点迹之间的长度,求出小车的瞬时速度. ②牵引小车的细绳与木板平行的目的是在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力,选项D正确. ③在保证所挂钩码数目不变的条件下要减小小车加速度可以增加小车的质量,故可在小车上加适量砝码(或钩码). ④当小车在运动过程中存在阻力时,拉力做正功和阻力做负功之和等于小车动能的增量,故拉力做功总是要比小车动能增量大一些;当钩码加速运动时,钩码重力大于细绳拉力,此同学将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功,则拉力做功要比小车动能增量大,故只有C、D正确. 答案 ①刻度尺、天平(包括砝码) ②D ③可在小车上加适量砝码(或钩码) ④CD 7.某实验小组同学利用气垫导轨和光电门计时器等装置探究动能定理.如图2所示,他们通过改变滑轮下端的小沙盘中沙子的质量来改变滑块所受水平方向的拉力;滑块上安有宽度为d的挡光片,实验中,用天平称出小盘和沙子的总质量为m,滑块(带挡光片)的质量为M,用最小分度为1mm的刻度尺测量出光电门1和2之间的距离x,计时器显示挡光片经过光电门的时间分别为t1和t2. 图2 (1)用最小分度为1mm的刻度尺测量出光电门1和2之间的距离x,以下数据合理的是( ) A.50cm B.50.00cm C.50.0cmD.50.000cm (2)小组的某位同学探究得出结论的表达式为mgx= (M+m)[( )2-( )2],请问在这位同学的实验操作过程中是否需要满足“小沙盘和沙子的总质量m远远小于滑块(带挡光片)的质量M”这个条件________(填“是”或“否”). (3)为减小实验误差可采取的方法是________. A.适当增大挡光片的宽度d B.适当减小挡光片的宽度d C.适当增大两光电门之间的距离x D.适当减小两光电门之间的距离x 答案 (1)B (2)否 (3)BC 解析 (1)刻度尺的最小分度是1mm,所以用cm做单位时小数点后保留两位,所以B正确,A、C、D错误; (2)通过表达式可以看出此同学的研究对象是系统,所以并不需要满足“小盘和沙子的总质量m远远小于滑块(带挡光片)的质量M”这个条件;(3)适当减小挡光片的宽度,或适当增大光电门间的距离可减小误差. 8.在探究动能定理的实验中,某实验小组组装了一套如图3所示的装置,拉力传感器固定在小车上,一端与细绳相连,用拉力传感器记录小车受到拉力的大小.穿过打点计时器的纸带与小车尾部相连接,打点计时器打点周期为T,实验的部分步骤如下: 图3 (1)平衡小车所受的阻力: 不挂钩码,调整木板右端的高度,用手轻推小车,直到打点计时器在纸带上打出一系列________的点. (2)测量小车和拉力传感器的总质量M,按图组装好仪器,并连接好所需电路,将小车停在打点计时器附近,先接通拉力传感器和打点计时器的电源,然后__________,打出一条纸带,关闭电源. (3)在打出的纸带中选择一条比较理想的纸带如图4所示,在纸带上按打点先后顺序依次取O、A、B、C、D、E等多个计数点,各个计数点到O点间的距离分别用hA、hB、hC、hD、hE、……表示,则小车和拉力传感器在计时器打下D点时的动能表达式为__________________________,若拉力传感器的读数为F,计时器打下A点到打下D点过程中,细绳拉力对小车所做功的表达式为____________________. 图4 (4)某同学以A点为起始点,以A点到各个计数点动能的增量ΔEk为纵坐标,以A点到各个计数点拉力对小车所做的功W为横坐标,得到一条过原点的倾角为45°的直线,由此可以得到的结论是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 答案 (1)间距相等 (2)释放小车 (3) F(hD-hA) (4)外力所做的功等于物体动能的变化量 解析 (1)当打点计时器能在纸带上打出一系列间隔均匀的点时,小车做匀速直线运动,受力平衡. (2)在组装好实验装置的基础上,进行实验时应先接通电源,再释放小车. (3)D点的瞬时速度等于CE段的平均速度,即vD= ,故打下D点时的动能为EkD= Mv = ;拉力对小车做的功为W=F(hD-hA). (4)因图线是一条过原点的直线且直线的倾角为45°,可得出方程式ΔEk=W,故可得结论: 外力所做的功等于物体动能的变化量. 知识专题练 训练12 题组1 研究匀变速直线运动 1.在“探究小车速度随时间的变化规律”实验中. (1)某同学采用如图1所示的装置进行试验,________(选填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力,________(选填“需要”或“不需要”)测量小车的质量. 图1 (
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