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作业17 力学实验
1.(7 分)某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律。将斜槽轨道固定在水平桌面上,轨道末端水平,
右侧端点在水平木板上的垂直投影为O 点,木板上叠放着白纸和复写纸。实验时先将小球a 从斜槽
轨道上Q 处由静止释放,a 从轨道右端水平飞出后落在木板上;重复多次,测出落点的平均位置P 与O
点的距离xP。将与a 半径相等的小球b 置于轨道右侧端点,再将小球a 从Q 处由静止释放,两球碰撞
后均落在木板上;重复多次,分别测出a、b 两球落点的平均位置M、N 与O 点的距离xM、xN。
完成下列填空:
(1)记a、b 两球的质量分别为ma、mb,实验中须满足条件ma (选填“>”或“<”)mb。
(2)如果测得的xP、xM、xN、ma和mb在实验误差范围内满足关系式 ,则验证了两小球
在碰撞中满足动量守恒定律。实验中,用小球落点与O 点的距离来代替小球水平飞出时的速度,依据
是
。
2.(5 分)(2024 浙江三模)在做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验时:
图1
图2
图3
(1)在水平放置的情况下对两个弹簧测力计进行校零,对拉时示数相等,然后在竖直平面内进行实验,如
图1 所示,则拉力的测量值 (选填“偏大”或“偏小”)。
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(2)在水平桌面上做实验时,如图2 所示,先用两个弹簧测力计把橡皮筋拉到一定长度,记下 ,
同时记下F1、F2的大小和方向。再用一个弹簧测力计拉橡皮筋,把结点拉到O 点时,弹簧测力计的示
数如图3 所示,读数为 N。
(3)以下操作有利于提高本实验精度的是 。
A.记录细线方向时两点的距离远一点
B.F1与F2的夹角尽可能大一些
C.作力的图示时,选用的标度适当的小一点
(4)该兴趣小组通过多次实验得到多组实验数据,肯定有误的是 。
A.F1=2.10 N,F2=1.90 N,F=2.90 N
B.F1=2.10 N,F2=2.60 N,F=5.50 N
C.F1=2.10 N,F2=3.80 N,F=1.10 N
D.F1=2.10 N,F2=2.10 N,F=1.10 N
3.(7 分)(2024 浙江温州三模)甲同学利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿斜面下滑的运动过程来验
证机械能守恒定律,计时系统的工作要借助于光源和光敏管。当滑块经过光电门时,其上的遮光条把
光遮住,与光敏管相连的电子电路自动记录遮光的时间,通过数码屏显示出来。实验部分装置图如图
1 所示,已知滑块和遮光条的总质量为m',砝码盘和砝码的总质量为m,遮光条宽度为d,经过光电门1
和光电门2 的时间分别为t1和t2,在装置上读出两光电门之间的距离,用L 表示,回答下列问题。
图1
(1)该同学用螺旋测微器测量遮光条宽度d,如图2 所示,则遮光条宽度d= mm。
图2
(2)该实验中,以下操作正确的是 。
A.遮光条宽度越小越好
B.需抬高左侧以平衡摩擦力
C.无需满足m'>m
(3)该同学为验证机械能守恒,重力势能的减少量ΔEp的表达式是 ,动能的增加量ΔEk的表达
式是 (以上两空均用字母m'、m、d、L、t1、t2表示);若在误差允许范围内,ΔEp近似
等于ΔEk,则说明机械能守恒;若在进行数据分析时发现系统增加的动能ΔEk总是大于砝码盘和砝码
减少的重力势能ΔEp,可能的原因是 (写出1 条即可)。
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(4)若乙同学用一端带滑轮的轨道和打点计时器验证系统的机械能守恒,如图3 所示,请问这样的做法
(选填“可行”或“不可行”)。
图3
4.(7 分)(2024 浙江模拟预测)(1)如图1、2、3 分别为“探究加速度与力、质量的关系”“验证机械
能守恒定律”和“探究弹簧弹力和弹簧形变量的关系”的实验场景,回答下列问题。
图1
图2
图3
①以上三个实验都用到了重物,根据题中三个实验场景顺序,分别对应选用下列三个重物的正确顺序
应是 。
甲
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乙
丙
A.甲、乙、丙
B.乙、丙、甲
C.甲、丙、乙
②在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,小宇同学选用的打点计时器是电火花计时器,下列实
验器材必需的是 。
本实验中确保重物的质量远小于小车质量的目的是 。
③在“验证机械能守恒定律”实验中,小宇在某次实验得到如下一条纸带,O 点为打点的起始点,在纸
带上选取连续清晰的点迹依次标注A、B、C、D、E、F,则D 点在刻度尺的对应读数为
cm;打E 点时重物的速度大小vE= m/s。(计算结果保留3 位有效数字)。
(2)小宇同学在家里做“用单摆测量重力加速度的大小”的实验。
①测量摆线长时,下列最合适的测量工具是 。
A.游标卡尺 B.螺旋测微器
C.1 m 长毫米刻度尺D.20 cm 长毫米刻度尺
②实验结果发现测得的值大于当地标准重力加速度的值。造成上面实验误差的原因可能是
。
A.描绘T2-L 图像时,用摆线长当作摆长
B.摆球摆动过程中未保证在同一竖直平面内运动
C.测出(n+1)次全振动时间t,误作为n 次全振动时间进行计算
5.(5 分)(2024 浙江台州模拟预测)某同学借助图甲所示装置验证动量守恒定律,长木板的一端垫有小
木块,可以微调木板的倾斜程度,以平衡摩擦力,使两个小车均能在木板上做匀速直线运动。小车1 前
端贴有橡皮泥,后端与穿过打点计时器的纸带相连,接通打点计时器电源后,让小车1 以某速度做匀速
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直线运动,与置于木板上静止的小车2 相碰并粘在一起,之后继续做匀速直线运动。打点计时器电源
频率为50 Hz,得到的纸带如图乙所示,已将各计数点之间的距离标在图上。
甲
乙
(1)图乙中的数据有AB、BC、CD、DE 四段,计算小车1 碰撞前的速度大小应选 段,计算两
车碰撞后的速度大小应选 段。
(2)关于实验的操作与反思,下述说法正确的是 。
A.实验中小车1 必须从静止释放
B.若小车1 前端没贴橡皮泥,不影响实验验证
C.上述实验装置不能验证弹性碰撞规律
(3)若小车1 的质量(含橡皮泥)为0.4 kg,小车2 的质量为0.2 kg,根据纸带数据,碰前两小车的总动量是
kg·m/s,碰后两小车的总动量是 kg·m/s。(结果均保留三位有效数字)
6.(4 分)某实验小组利用如图甲装置探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。圆中直径为D
的水平圆盘可绕竖直中心轴转动,图盘边缘侧面上有很小一段很薄的反光涂层。当圆盘转到某一位
置时,接收器可以接收到反光涂层所反射的激光束,并将所收到的光信号转变成电信号,在示波器显示
屏上显示出来,从而记录反光时间Δt。长为L 的细线一端连接小滑块,另一端连到固定在转轴上的力
传感器上,连接到计算机上的传感器能显示细线的拉力F,用游标卡尺测量反光涂层的长度Δd。实验
小组采取了下列实验步骤:
甲
乙
(1)为了探究向心力与角速度的关系,需要控制滑块质量和旋转半径保持不变,某次记录的反光时间为
Δt,则角速度ω= 。
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(2)以F 为纵坐标,以
1
( Δt )
2 为横坐标,可在坐标纸中描出数据点作一条如图乙所示的直线,图线的斜
率为k,则滑块的质量为 (结果用字母k、L、Δd、D 表示);图线不过坐标原点的原因是
。
7.(6 分)某同学找到一条遵循胡克定律的橡皮筋并利用如下实验器材验证平行四边形定则:刻度尺、
三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子、质量不同的小重物若干、木板。实验方案如下:
①将橡皮筋的两端分别与两条细绳相连,测出橡皮筋的原长;
②将橡皮筋一端细绳用钉子固定在竖直木板上的A 点,在橡皮筋的中点O 用细绳系住小重物,使小重
物自然下垂,如图甲所示;
③将橡皮筋的另一端细绳固定在竖直木板上的B 点,如图乙所示。
(1)为完成本实验,下列还必须测量的物理量为 。(填选项前字母)
A.小重物的质量
B.细绳的长度
C.图甲中OA 段橡皮筋的长度
D.图乙中OA 和OB 段橡皮筋的长度
(2)在完成本实验的过程中,必须注意的事项是 。(填选项前字母)
A.橡皮筋两端连接的细绳长度必须相同
B.图乙中A、B 两点必须等高
C.图乙中连接小重物的细绳必须在OA、OB 夹角的角平分线上
D.记录图甲中O 点的位置和OA 的方向
E.记录图乙中O 点的位置和OA、OB 的方向
(3)若钉子位置固定,利用现有器材改变实验效果,可采用的方法是 。
8.(7 分)(2024 浙江模拟预测)(1)用图甲所示装置探究位移与加速度的关系。抬起黑板擦,两小车同时
开始运动,按下黑板擦,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。它们的位移与
加速度成 (选填“正比”或“反比”)。
甲
(2)用如图乙所示的装置探究加速度与力、质量的关系。
乙
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①关于补偿小车阻力,下列说法正确的是 。
A.小车上不需要固定纸带
B.不需要考虑细线与定滑轮间的摩擦
C.必须反复调整木板倾斜度,直至小车能静止在木板上
D.在小车上增减钩码并进行多次实验,不需要重新补偿阻力
②在规范的实验操作下,打出的一条纸带如图丙所示,相邻两计数点间均有4 个点未画出,已知电源频
率为50 Hz,则打计数点0 时,小车的速度大小为 m/s(结果保留2 位有效数字)。
丙
③在保持小车质量一定,根据实验数据得到如图丁所示的a-F 图像,发现图线未过原点,原因可能是
。
丁
A.未补偿阻力
B.补偿阻力过度
C.计算小车所受拉力的大小时,未计入槽码盘所受的重力
D.未能满足槽码质量远小于小车和钩码的总质量
9.(7 分)小明学习“用单摆测量重力加速度”实验后,利用图甲所示装置做了该实验。
甲
(1)测量摆长时,先用毫米刻度尺测得摆球悬挂后的摆线长(从悬点到摆球的最上端)为L,再用游标卡
尺测摆球的直径d,读数如图乙所示,则d= cm,若再测得单摆周期为T,则当地的重力加速度
g= (用L、d、T 表示)。
乙
(2)在安装装置时,摆线上端有三种系挂方式,下列方式正确的是 (填对应序号)。
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(3)在测量周期时,若从摆球运动到最低点开始计时且记数为1,到第n 次经过最低点所用的时间为t,则
单摆周期为T= (用n、t 表示)。
(4)假如把该装置搬到月球上进行实验,改变单摆的摆长l,多次测量单摆在不同摆长下所对应的周期
T,并描绘出T2-l 图像如图丙所示,则可求得月球重力加速度大小为 m/s2。
丙
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参考答案
作业17 力学实验
1.【答案】 (1)>
(2)maxP=maxM+mbxN 从同一高度做平抛运动的两个小球,运动时间相同,水平位移可代替水平飞
出时的速度
【解析】 (1)为保证a 球碰撞b 球后不反弹,要求ma>mb。
(2)两小球做平抛运动,在竖直方向上有h=1
2
gt2,故t=√
2h
g
,两小球做平抛运动的初速度为va=
xP
√
2h
g
,va'=
xM
√
2h
g
,vb'=
xN
√
2h
g
,如果碰撞中满足动量守恒定律,则mava=mava'+mbvb',联立解得
maxP=maxM+mbxN。因为两小球从同一高度做平抛运动,运动时间相同,所以水平位移可代替小球
水平飞出时的速度。
2.【答案】 (1)偏大
(2)结点位置O 2.15
(3)A
(4)BC
【解析】 (1)在竖直平面内进行实验,弹簧自身的重力造成拉力测量值偏大。
(2)在水平桌面上做实验时,如题图2 所示,先用两个弹簧测力计把橡皮筋拉到一定长度,记下结点
位置O,同时记下F1、F2的大小和方向。弹簧测力计的最小分度值为0.1 N,读数时需要估读到下
一位,读数为2.15 N。
(3)记录细线方向时两点的距离远一点,可以减小实验误差,A 正确;F1与F2的夹角适量即可,不能
太大或太小,B 错误;作力的图示时,选用的标度适当的大一点,可以减小标度产生的误差的平均值,
C 错误。
(4)根据二力合成的合力范围|F1-F2|≤F≤F1+F2可知,A、D 选项符合二力合成的规则,B、C 不符合
二力合成的规则。故选B、C。
3.【答案】 (1)1.610
(2)C
(3)mgL 1
2(m+m')d2(
1
t2
2 - 1
t1
2) 气垫导轨没有调节水平,其左侧高于右侧
(4)不可行
【解析】 (1)遮光条宽度d=(1.5+0.010×11) mm=1.610 mm。
(2)由光电门测速原理,可知遮光条宽度越小,遮光条通过光电门的平均速度越接近瞬时速度,速度
测量的误差越小。但是若遮光条宽度太小,则测量遮光条宽度时的相对误差会很大,故遮光条宽
度不是越小越好,故A 错误;实验时气垫导轨与滑块之间的滑动摩擦力很小,在误差允许的范围内
是可忽略的,故不需要平衡摩擦力,故B 错误;本实验要验证的是系统减小的重力势能等于增加的
动能,不用将细线的拉力近似为砝码盘和砝码的总重力,故无需m'≫m,故C 正确。
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(3)重力势能的减少量ΔEp的表达式是ΔEp=mgL;遮光条通过光电门1 时的速度大小为v1= d
t1
,遮
光条通过光电门2 时的速度大小为v2= d
t2
,动能的增加量ΔEk的表达式为ΔEk=1
2
(m+m')v2
2- 1
2
(m+m')v1
2= 1
2(m+m')d2(
1
t2
2 - 1
t1
2);若在进行数据分析时发现系统增加的动能ΔEk总是大于砝码
盘和砝码减少的重力势能ΔEp,可能的原因是气垫导轨没有调节水平,其左侧高于右侧,以至于滑
块和遮光条的重力势能也减小了,使系统动能的增加量总是大于砝码盘和砝码减少的重力势能。
(4)这样的做法不可行。因为此系统存在克服摩擦阻力做功,机械能不守恒,也就无法验证系统的
机械能守恒。
4.【答案】 (1)①C ②AC 使细绳拉力等于重物重力 ③6.45 1.29
(2)①C ②B
【解析】 (1)①题图1 探究加速度与力、质量的关系应当使用槽码,即图甲;题图2 验证机械能守
恒定律所用的重物上方需要有卡住纸带的卡槽,即图丙;题图3 探究弹簧弹力和弹簧形变量的关
系应当使用钩码,即图乙,故选C。
②探究加速度与力、质量的关系这一实验中,需要刻度尺测量纸带上点之间的距离,电火花打点
计时器电源直接使用家用电源220 V 电压即可,不需要学生电源,需要用到天平测量小车质量,故
选A、C。设小车受到的拉力为FT,小车的质量为m',重物的质量为m,对小车根据牛顿第二定律
有FT=m'a,对重物根据牛顿第二定律有mg-FT=ma,联立可得FT=
m'mg
m+m' =
mg
m
m' +1
,当m≪m'时,细
绳拉力等于重物重力。
③对于分度值为1 mm 的刻度尺读数要注意估读一位,所以读数为6.45 cm。D 点距O 点的距离
为xD=6.45 cm,F 点距O 点的距离为xF=11.60 cm,电火花计时器的频率为50 Hz,所以相邻两个点
之间的时间间隔为T=0.02 s,根据平均速度公式计算E 点的速度vE= xF - xD
2T
=1.29 m/s。
(2)①单摆测重力加速度大小实验中,为了使摆球尽可能小,使其可以视为质点,所以摆线不能太短,
因为游标卡尺、螺旋测微器与20 cm 长毫米刻度尺测量长度过小,因而选择1 m 长毫米刻度尺
作为测量工具,故选C。
②根据单摆周期公式T=2π√
l+r0
g
得T2=4 π
2
g
·l+4 π
2
g
r0,可知图像的斜率可以求出重力加速度大
小,即使用摆线作为摆长,也对测量的结果没有影响,A 错误;摆球未在同一竖直平面内运动,则摆
球的运动为圆锥摆运动,根据牛顿第二定律有mg'tan θ=mlsin θ4 π
2
T
2 ,得到g'=4 π
2lcosθ
T
2
,可得此
时的等效摆长为lcos θ 小于单摆摆长l,则单摆周期的测量值偏小,根据g=4 π
2l
T
2 可知此时重力加
速度测量值偏大,B 正确;测出(n+1)次全振动时间t,误作为n 次全振动时间进行计算,导致周期计
算偏大,所以会导致测量的重力加速度g 变小,C 错误。
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5.【答案】 (1)BC DE
(2)C
(3)0.685 0.684
【解析】 (1)接通打点计时器电源后,推动小车1 由静止开始运动,故小车有个加速过程,在碰撞
前做匀速直线运动,即在相同的时间内通过的位移相同,故BC 段为匀速运动的阶段,故选BC 计
算碰前的速度;碰撞过程是一个变速运动的过程,而小车1 和小车2 碰后粘在一起做匀速直线运
动,故在相同的时间内通过相同的位移,应选DE 段来计算碰后共同的速度。
(2)实验中小车1 不一定从静止释放,只要碰撞前做匀速运动即可,故A 错误;若小车1 前端没贴橡
皮泥,则两车不能粘在一起,小车2 的速度不好测量,所以小车1 前端没贴橡皮泥会影响实验验证,
故B 错误;上述实验装置中两小车碰撞后粘在一起,是非弹性碰撞,若要验证弹性碰撞规律,小车2
碰撞后的速度无法测量,因此该装置不能验证弹性碰撞规律,故C 正确。
(3)碰前小车的速度为v0=lBC
t = 17.12×10
-2
0.02×5
m/s=1.712 m/s,碰前的动量为p=m1v0=0.4×1.712
kg·m/s=0.685 kg·m/s,碰后小车的共同速度为v=lDE
t = 11.40×10
-2
0.02×5
m/s=1.140 m/s,碰后的动量
为p'=(m1+m2)v=(0.4+0.2)×1.140 kg·m/s=0.684 kg·m/s。
6.【答案】 (1) 2 Δd
D Δt
(2)
k D
2
4( Δd )
2 L
滑块受到摩擦力的作用
【解析】 (1)根据控制变量法,为了探究向心力与角速度的关系,需要控制滑块的质量和旋转半
径不变,滑块转动的线速度为v= Δd
Δt
,又ω=v
r = 2v
D
,解得ω= 2 Δd
D Δt
。
(2)根据向心力公式可知F=mr1ω2=mLω2,联立解得F=4 m( Δd )
2 L
D
2
·
1
( Δt )
2 ,由题意得k=
4 m( Δd )
2 L
D
2
,可得滑块的质量为m=
k D
2
4( Δd )
2 L
,由图线可知,当F=0 时,
1
( Δt )
2 ≠0,可知图线不过
坐标原点的原因是滑块受到摩擦力的作用。
7.【答案】 (1)CD (2)E (3)更换小重物
【解析】 (1)橡皮筋遵循胡克定律,要测量拉力可以通过测量橡皮筋的长度和原长,得到橡皮筋
的伸长量,根据拉力大小与伸长量成比例作力的图示。所以必须记下题图甲中OA 段橡皮筋的长
度和题图乙中OA 和OB 段橡皮筋的长度,故选C、D。
(2)橡皮筋连接的细绳要稍微长些,并非要求等长,A 错误;题图乙中A、B 两点不用必须等高,B 错
误;题图乙中连接小重物的细绳可以在OA、OB 夹角的角平分线上,也可以不在角平分线上,C 错
误;题图甲中O 点的位置和OA 的方向不需要记录,D 错误;需要记录题图乙中O 点的位置和
OA、OB 的方向,E 正确。
(3)在钉子位置不变的情况下,要改变实验效果,只有改变小重物的质量,故可采用的方法是更换小
重物。
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8.【答案】 (1)正比
(2)①BD ②0.18 ③B
【解析】 (1)根据位移与加速度、时间关系,可知x=1
2
at2,由于时间相等,所以位移与加速度成正
比。
(2)①补偿阻力时,小车上需要固定纸带,通过纸带点迹进行判断,故A 错误;细线与定滑轮间的摩
擦非常小,不需要考虑,故B 正确;必须反复调整木板倾斜度,直至小车能匀速向下运动,故C 错误;
在小车上增减钩码并进行多次实验,不需要重新补偿阻力,故D 正确。
②相邻两计数点间均有4 个点未画出,电源的频率为50 Hz,则计数点间的时间间隔为t=5T=5
f
=0.1 s,刻度尺的分度值是1 mm,计数点2、4 间的距离是6.50 cm,计数点3 的速度为v3=
x24
2t = 6.50
2×0.1
×0.01 m/s=0.325 m/s,由匀变速直线运动的推论可知,小车的加速度a=
x06-2× x03
9t
2
= 19.50-2×7.50
9×0.1
2
×0.01 m/s2=0.50 m/s2,则打计数点0 时,小车的速度大小为v0=v3-
a×3t=0.325 m/s-0.50×3×0.1 m/s=0.18 m/s。
③由图可知当外力为0 时已经有加速度,原因可能是补偿阻力过度,故A 错误,B 正确;计算小车所
受拉力的大小时,未计入槽码盘所受的重力,则图像与纵轴负半轴有交点,故C 错误;未能满足槽
码远小于小车和钩码的总质量时,图像会弯曲,但不会不过原点,故D 错误。
9.【答案】 (1)2.150 4 π
2(L+ d
2)
T
2
(2)③
(3) 2t
n-1
(4)1.6
【解析】 (1)游标卡尺的读数为主尺的读数与游标尺读数之和,所以d=21 mm+0.05×10
mm=2.150 cm;
根据周期公式T=2π√
l
g
可得,g=4 π
2l
T
2 =
4 π
2(L+ d
2)
T
2
。
(2)为防止摆球摇摆及实验过程摆长变化,应该用夹子固定摆线悬点,故选③。
(3)从摆球运动到最低点开始计时且记数为1,到第n 次经过最低点所用的时间为t,则单摆全振动
的次数为N=n-1
2
,则单摆的周期为T= t
N = 2t
n-1
。
(4)根据单摆周期公式T=2π√
l
g
,将T2=2π2 s2、l=0.8 m 代入,可得g 月=1.6 m/s2。
