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专题限时训练专题限时训练 13力学实验与创新力学实验与创新时间：时间：45 分钟分钟1(2018武汉华师一附中模拟武汉华师一附中模拟)为了探究加速度与力、质量的关为了探究加速度与力、质量的关系系，甲甲、乙乙、丙三位同学分别设计了如图所示的实验装置丙三位同学分别设计了如图所示的实验装置，小车总质小车总质量用量用 M 表示表示(乙图中乙图中 M 包括小车与传感器，丙图中包括小车与传感器，丙图中 M 包括小车和与包括小车和与小车固连的滑轮小车固连的滑轮)，钩码总质量用，钩码总质量用 m 表示表示(1)为便于测量合外力的大小，并得到小车总质量一定时，小车为便于测量合外力的大小，并得到小车总质量一定时，小车的加速度与所受合外力成正比的结论，下列说法正确的是的加速度与所受合外力成正比的结论，下列说法正确的是(BC)A三组实验中只有甲需要平衡摩擦力三组实验中只有甲需要平衡摩擦力B三组实验都需要平衡摩擦力三组实验都需要平衡摩擦力C 三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量 m 远小于小车远小于小车的总质量的总质量 M 的条件的条件D 三组实验都需要满足所挂钩码的总质量三组实验都需要满足所挂钩码的总质量 m 远小于小车的总质远小于小车的总质量量 M 的条件的条件(2)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和测力计读数相若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和测力计读数相同，通过计算得到小车加速度均为同，通过计算得到小车加速度均为 a，a13g，g 为当地重力加速度为当地重力加速度，则乙、丙两人实验时所用小车总质量之比为则乙、丙两人实验时所用小车总质量之比为 12，乙、丙两人实验，乙、丙两人实验用的钩码总质量之比为用的钩码总质量之比为 12.解析：解析：(1)为了便于测量合外力的大小，甲图通过钩码的总质量为了便于测量合外力的大小，甲图通过钩码的总质量对应的重力即为合外力对应的重力即为合外力， 而乙图是力传感器的示数而乙图是力传感器的示数， 丙图则是测力计丙图则是测力计的的 2 倍，因此它们都必须平衡摩擦力，故倍，因此它们都必须平衡摩擦力，故 A 错误，错误，B 正确；由于甲正确；由于甲图通过钩码的总质量对应的重力即为合外力图通过钩码的总质量对应的重力即为合外力， 因此三组实验中只有甲因此三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量需要满足所挂钩码的总质量 m 远小于小车的总质量远小于小车的总质量 M 的条件的条件，故故 C正确，正确，D 错误错误(2)根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律，则有则有：FM乙乙a,2FM丙丙a；因此乙因此乙、丙丙两人实验时所用小车总质量之比为两人实验时所用小车总质量之比为 12；由牛顿第二定律，对砝码进；由牛顿第二定律，对砝码进行研究行研究，则有则有 m乙乙gFm乙乙a，而而 m丙丙gFm丙丙2a，因因 a13g，解解得得 m乙乙m丙丙12；即乙即乙、丙两人实验用的钩码总质量之比为丙两人实验用的钩码总质量之比为 12.2小白用如图所示的装置验证小白用如图所示的装置验证“力的平行四边形定则力的平行四边形定则”，其部，其部分实验操作如下分实验操作如下(1)请完成下列相关内容：请完成下列相关内容：a在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置 O.b卸下钩码，然后将两绳套系在弹簧下端，用两弹簧测力计将卸下钩码，然后将两绳套系在弹簧下端，用两弹簧测力计将弹簧末端拉到同一位置弹簧末端拉到同一位置 O，记录细绳套，记录细绳套 AO、BO 的方向及两弹簧测的方向及两弹簧测力计相应的读数图中力计相应的读数图中 B 弹簧测力计的读数为弹簧测力计的读数为 11.40 N.c 小白在坐标纸上画出两弹簧拉力小白在坐标纸上画出两弹簧拉力 FA、 FB的大小和方向如图所的大小和方向如图所示，请你用作图工具在图中坐标纸上作出示，请你用作图工具在图中坐标纸上作出 FA、FB的合力的合力 F.d已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力 F 如图所示如图所示e最后观察比较最后观察比较 F 和和 F，得出结论，得出结论答案：答案：图见解析图见解析(2)本实验采用的科学方法是本实验采用的科学方法是 C.A理想实验法理想实验法B控制变量法控制变量法C等效替代法等效替代法D建立物理模型法建立物理模型法解析：解析：b.图中图中 B 弹簧测力计的读数为弹簧测力计的读数为 11.40 N；c.图线如图：图线如图：3如图甲所示，某组同学借用如图甲所示，某组同学借用“探究探究 a 与与 F、m 之间的定量关之间的定量关系系”的相关实验思想的相关实验思想、 原理及操作原理及操作， 进行进行“研究合外力做功和动能变研究合外力做功和动能变化的关系化的关系”的实验：的实验：(1)为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置位置， 改变长木板倾斜程度改变长木板倾斜程度， 根据打出的纸带判断小车是否做根据打出的纸带判断小车是否做匀速直匀速直线线(或匀速或匀速)运动运动(2)连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到图乙所示的纸连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到图乙所示的纸带纸带上带纸带上 O 为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为 0.1 s的相邻计数点的相邻计数点 A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受拉力为实验时小车所受拉力为 0.2 N，小车的质量为小车的质量为 0.2 kg.请计算小车所受合外力做的功请计算小车所受合外力做的功 W 和小车动能的变化和小车动能的变化Ek.补填表补填表中空格中空格(结果保留至小数点后第四位结果保留至小数点后第四位).OBOCODOEOFW/J0.043 20.057 20.073 40.091 50.111_5Ek/J0.043 00.057 00.073 40.090 70.110_5分析上述数据可知分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内在实验误差允许的范围内 WEk，与理论与理论推导结果一致推导结果一致(3)实验前已测得托盘质量为实验前已测得托盘质量为 7.7103kg， 实验时该组同学放入实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为托盘中的砝码质量应为 0.015 kg(g 取取 9.8 m/s2，结果保留至小数点后，结果保留至小数点后第三位第三位)解析：解析：(1)若已平衡摩擦力，则小车在木板上做匀速直线运动若已平衡摩擦力，则小车在木板上做匀速直线运动(2)从纸带上从纸带上的的O点点到到F点点， WFOF0.20.557 5 J0.111 5J，打，打 F 点时速度点时速度 vFBG2T0.667 70.457 50.2m/s1.051 m/s，Ek12Mv2F120.21.0512J0.110 5 J.(3)打打 B 点时小车的速度为点时小车的速度为 vBAC2T0.286 10.155 00.2m/s0.655 5 m/s ， 所 以 小 车 的 加 速 度， 所 以 小 车 的 加 速 度 a vFvB4T1.0510.655 540.1m/s20.99 m/s2.小车所受的拉力小车所受的拉力 F(m0m)(ga)，所以盘中砝码的质量，所以盘中砝码的质量 mFgam00.29.80.997.7103kg0.015 kg.4如图甲为某一同学探究功与速度变化关系的实验图，在水平如图甲为某一同学探究功与速度变化关系的实验图，在水平台面上放一长木板台面上放一长木板，板的右端有一个定滑轮板的右端有一个定滑轮，细绳一端连接小车细绳一端连接小车，另另一端跨过定滑轮一端跨过定滑轮， 连接装有砝码的托盘连接装有砝码的托盘， 将小车同纸带移近打点计时将小车同纸带移近打点计时器器，由静止释放托盘由静止释放托盘，每次托盘下落高度一定每次托盘下落高度一定，木板足够长木板足够长，小车没小车没有碰到右侧滑轮有碰到右侧滑轮(小车在碰到右侧滑轮之前小车在碰到右侧滑轮之前，托盘已经着地托盘已经着地)，将小车将小车中的砝码依次移至托盘中中的砝码依次移至托盘中，释放托盘释放托盘，多次实验打下纸带多次实验打下纸带，实验中小实验中小车质量为车质量为 M，托盘质量为托盘质量为 m0，每个砝码的质量也为每个砝码的质量也为 m0，所有砝码与所有砝码与托盘的总质量为托盘的总质量为 m，托盘下落的高度为，托盘下落的高度为 h，当地重力加速度为，当地重力加速度为 g.(1)减小实验误差，实验操作中先将长木板放置在水平桌面上，减小实验误差，实验操作中先将长木板放置在水平桌面上，接下来再进行一项调节是接下来再进行一项调节是 B.(填正确答案标号填正确答案标号)A将长木板一端垫高将长木板一端垫高，释放空托盘让其拖动小车拉着纸带运动释放空托盘让其拖动小车拉着纸带运动并打点，判断小车是否做匀速运动并打点，判断小车是否做匀速运动B将长木板一端垫高将长木板一端垫高，撤除细绳撤除细绳，用手拨动小车后让其拉着纸用手拨动小车后让其拉着纸带运动并打点，判断小车是否做匀速运动带运动并打点，判断小车是否做匀速运动C将长木板一端垫高将长木板一端垫高，撤除细绳撤除细绳，让小车自行下滑拉着纸带并让小车自行下滑拉着纸带并打点，然后判断小车是否做匀加速运动打点，然后判断小车是否做匀加速运动D每移动一次砝码每移动一次砝码，小车对木板的压力都不同小车对木板的压力都不同，导致摩擦力不导致摩擦力不同，所以都应平衡一次摩擦力同，所以都应平衡一次摩擦力(2)实验中，用不同数目的砝码拉动小车拖动纸带图乙是一条实实验中，用不同数目的砝码拉动小车拖动纸带图乙是一条实验纸带验纸带，O 为初始点为初始点，纸带上的点为打点计时器打下的原始点纸带上的点为打点计时器打下的原始点，则对则对纸带上的数据处理正确的是纸带上的数据处理正确的是 C(填正确答案标号填正确答案标号)A选取选取 OA 间距，求间距，求 OA 间的平均速度间的平均速度B选取选取 DE 间距，求间距，求 DE 间的平均速度间的平均速度C选取选取 DG 间距，求间距，求 DG 间的平均速度间的平均速度D选取选取 AG 间距，求间距，求 AG 间的平均速度间的平均速度(3)实验对多次做功的定量记录和对纸带的分析，探究功与速度实验对多次做功的定量记录和对纸带的分析，探究功与速度的变化的关系的变化的关系， 在数据处理时采用了图象法处理在数据处理时采用了图象法处理， 纵轴为小车最大速纵轴为小车最大速度的平方度的平方 v2，横轴为，横轴为 n(托盘中的砝码个数托盘中的砝码个数 n码码n1)，得到图丙，得到图丙，图线为过原点的倾斜直线图线为过原点的倾斜直线， 说明做功与速度变化的关系是说明做功与速度变化的关系是合外力做的合外力做的功与速度的平方成正比功与速度的平方成正比，图线斜率的表达式，图线斜率的表达式 k2m0ghMm.解析：解析：(1)为了使细绳对小车的拉力等于小车所受的合外力，先为了使细绳对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度调节长木板一端滑轮的高度， 使细绳与长木板平行使细绳与长木板平行 接下来还需要进接下来还需要进行的一项操作是将长木板的一端垫起适当的高度行的一项操作是将长木板的一端垫起适当的高度， 让小车连着已经穿让小车连着已经穿过打点计时器的纸带过打点计时器的纸带，撤除细绳撤除细绳，给打点计时器通电给打点计时器通电，轻推小车轻推小车，从从打出的纸带判断小车是否做匀速运动打出的纸带判断小车是否做匀速运动， 即平衡摩擦力即平衡摩擦力， 故故 A、 C 错误错误，B 正确正确；平衡摩擦力只需要平衡一次平衡摩擦力只需要平衡一次，每移动一次砝码每移动一次砝码，不需要重新不需要重新平衡摩擦力，故平衡摩擦力，故 D 错误错误(2)我们要求出最后匀速运动时的速度，所以选取后面点迹比较我们要求出最后匀速运动时的速度，所以选取后面点迹比较均匀的均匀的 DG 段，求段，求 DG 间的平均速度，故间的平均速度，故 C 正确，正确，A、B、D 错误错误(3)对小车、砝码以及托盘整体，根据动能定理得：对小车、砝码以及托盘整体，根据动能定理得：(n1)m0m0gh12(mM)v2整理得：整理得：v22m0ghMmn，若若 v2n 图线为过原点的倾斜直线，则说明合外力做的功与速度图线为过原点的倾斜直线，则说明合外力做的功与速度的平方成正比，的平方成正比，v2n 图线斜率的表达式为：图线斜率的表达式为：kv2n2m0ghMm.5(2018全国卷全国卷)某同学用图甲所示的装置测量木块与木板之某同学用图甲所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数间的动摩擦因数 跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连连，滑轮和木块间的细线保持水平滑轮和木块间的细线保持水平，在木块上方放置砝码在木块上方放置砝码缓慢向左缓慢向左拉动水平放置的木板拉动水平放置的木板， 当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时动时， 弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小 某次实验所某次实验所得数据在表中给出，其中得数据在表中给出，其中 f4的值可从图乙中弹簧秤的示数读出的值可从图乙中弹簧秤的示数读出砝码的质量砝码的质量 m/kg0.050.100.150.200.25滑动摩擦力滑动摩擦力 f/N2.152.362.55f42.93回答下列问题：回答下列问题：(1)f42.75 N；(2)在图丙的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出在图丙的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出 fm 图线；图线；答案：答案：如图所示如图所示(3)f 与与 m、木块质量、木块质量 M、木板与木块之间的动摩擦因数、木板与木块之间的动摩擦因数及重力及重力加速度大小加速度大小 g 之间的关系式为之间的关系式为 f(Mm)g，fm 图线图线(直线直线)的斜率的斜率的表达式为的表达式为 kg；(4)取取 g9.80 m/s2，由绘出的，由绘出的 fm 图线求得图线求得0.40.(保留保留 2 位有位有效数字效数字)解析解析：(1)对弹簧秤进行读数得对弹簧秤进行读数得 2.75 N(2)在图象上添加在图象上添加(0.05 kg,2.15 N)、(0.20 kg, 2.75 N)这两个点这两个点，画一条直线画一条直线，使尽可能多的点落使尽可能多的点落在这条直线上在这条直线上， 不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧， 如答图所如答图所示示(3)由实验原理可得由实验原理可得 f(Mm)g, fm 图线的斜率为图线的斜率为 kg.(4)根根据图象求出据图象求出 k3.9 N/kg，代入数据得，代入数据得0.40.
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