专题09力学实验的“新情景问题”—备战2023年高考复习必备（全国通用）（解析版）.docx

《专题09力学实验的“新情景问题”—备战2023年高考复习必备（全国通用）（解析版）.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专题09力学实验的“新情景问题”—备战2023年高考复习必备（全国通用）（解析版）.docx（13页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、专题09力学实验近几年高考力学实验注重考查考生的科学探究能力，注重考查知识的形成过程。探究型实验 要求学生将自己掌握的物理知识和实验技能创造性地应用到新的实验情境中，由题给条件自 行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，通过实验得到的数据信 息分析各物理量中的内在联系，找出其中所包含的物理规律。在我们日常生活中，可以发现，茶杯掉在瓷砖的地板上，碎了；茶杯掉在铺着地毯的地 面，没有摔坏。乒乓球与乒乓球台碰撞后弹起的高度与什么有关？这些实际问题都可以成为 我们探究的对象，也可以成为高考实验命题的素材。我国航天员已经开展了三次太空授课，使千万中学生受益，极大激发了青少年的科技热

2、情。2022年6月5日10时44分，神舟十四号飞船搭载航天员陈冬、刘洋和蔡旭哲，成功发 射，并与空间站核心舱顺利对接。神舟十四号飞行乘组将首次利用位于问天实验舱的气闸舱 实施两到三次出舱活动，并将继续开展天宫课堂。航天员太空授课时，为青少年展示了一系 列科学实验，可能成为高考命题素材。在我们的日常生活中，我们骑电动车关闭动力后，还能滑行多远？若我们在电动车上撑 一遮阳伞，关闭动力后，还能滑行多远？我们需要测量哪些物理量进行探究？通过探究你能 够得出什么结论？同一电动车撑遮阳伞和不撑遮阳伞的最大速度相同吗？为什么？可以再现天宫课堂实验，或给出简化模型。例如可以根据航天员的水油分离实验，探究 与向

3、心力相关的因素。可以利用中学常用器材做与天宫课堂上类似实验。例如利用气垫导轨 等器材测量物体质量等。1. （2022 .届湖南新高考教学教研联盟高三第一次联考，6分）（实验原理的创新）大家知 道，质量可以用天平来测量。但是在太空，物体完全失重，用天平无法测量质量，那么应该 如何测量呢？北京时间2013年6月20日上午10时，我国航天员在天宫一号空间实验室进行了太空授课， 演示了包括质量测量在内的一系列实验。质量的测量是通过舱壁上打开的一个支架形状的 质量测仪完成的。由牛顿第二定律尸=胸可知，如果给物休施加一个已知的力，并测得物体 在这个力作用下的加速度，就可以求出物体的质量。这就是动力学测量质

4、量的方法。（1）如图，假如航天员在A、B两物块中间夹了一个质量不计的压力传感器，现让舱壁支架 给B物块一个恒力凡 此时压力传感器示数为Ni,将A、B对换位置，给A施加相同的恒力 F,压力传感器示数为M.据此可知A、B两物块的质量之比加a： mB=。【点评】此题利用手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，得出随时间变化的图像，研究碰撞 地面后乒乓球的弹起高度，涉及到的知识点主要有：自由落体运动、竖直上抛运动、动能、 速度、碰撞损失的机械能。涉及到的实验知识主要有：图像中获得数据、误差分析等。10. （2022湖南名校联考）某研究性实验小组为探索航天器球形返回舱穿过大气层时所受空气 阻力（风力）的影响因

5、素，进行了模拟实验研究。如图为测定风力的实验装置图。其中CD是 一段水平放置的长为L的光滑均匀电阻丝，电阻丝阻值较大;一质量和电阻均不计的细长裸 金属丝一端固定于O点，另 一端悬挂小球P,无风时细金属丝竖直，恰与电阻丝在C点接 触，OC=H;有风时细金属丝将偏离竖直方向，与电阻丝相交于某一点（如图中虚线所示，细金 属丝与电阻丝始终保持良好的导电接触）。（1）已知电源电动势为E,内阻不计，理想电压表两接线柱分别与O点和C点相连，球P 的质量为m,重力加速度为g,由此可推得风力大小F与电压表示数U的关系为F=o研究小组的同学猜想:风力大小F可能与风速大小v和球半径r这两个因数有关，于是他们 进行了

6、实验后获得了如下数据：（下表中风速v的单位为m/s,电压U的单位为V,球半径r的 单位为m）根据表中数据可知，风力大小F与风速大小v和球半径r的关系是（比例系 数用k表示）。【答案】（1） f二丝四（2） F=kvrEH【解析】（1）对小球受力分析，F=mgtan 9 , tan e =X/H,设电阻丝单位长度电阻为r,则有 E=ILr, U=Ixr,联立解得：F=EH（2）由F二丝也可知，F与U成正比。根据表格中数据分析可得U与风速v成正比。由图 EH中数据可知，u与於成反比，由于球质量与体积成正比，体积与半径的立方成正比，由F二 丝匹可知，F与r成正比，所以风力大小F与风速大小v和球半径r

7、的关系是尸=云八EH（2022山东淄博质检）某同学用频闪摄影的方式拍摄了把手指上的水滴甩掉的过程，如图甲，A、B、C是最后三个拍摄时刻指尖的位置。把图甲简化为图乙的模型，在甩手过程中，上臂以肩关节01为转动轴转动，肘关节。2以Oi为圆心做半径为门的圆周运动，腕关节03以02为圆心做半径为2的圆周运动，到接近B的最后时刻，指尖P以腕关节03为圆心做半 径为门的圆周运动。(1)测得A、B之间的距离为26cm,频闪照相机的频率为25Hz,则指尖在A、B间运动 的平均速度v为m/s,粗略认为这就是甩手动作最后阶段指尖作圆周运动的线速度。(2)指尖通过B点时的向心加速度大小为a二(结果保留三位有效数字)

8、。(3)用这种方式可以使指尖的水滴产生巨大的向心加速度，其原因是：o【答案】(1) 6.5(2) 264(3)可获得较大的线速度且半径很小。【解析】(1)频闪照相机的频率为f=25Hz, A到B的时间T=l/f=0.04s,指尖在AB之间运 动的平均速度大小v=s/T=6.5m/s。(2)指尖通过B点时的向心加速度大小a=v2/r3=264 m/s2o(3)可以使指尖产生巨大的向心加速度的原因是：可获得较大的线速度且半径很小。11. (2022陕西西安名校联考)由于空间站处于完全失重状态，不能利用天平等仪器测量 质量，为此某同学为空间站设计了如图所示(。)的实验装置，用来测量小球质量。图中 弹

9、簧固定在挡板上，轨道3处装有光电门，可以测量出小球经过光电门的时间。该同学 设计的主要实验步骤如下：(i )用游标卡尺测量小球的直径d(ii )将弹簧固定在档板上(iii)小球与弹簧接触并压缩弹簧，记录弹簧的压缩量工(iv)由静止释放小球，测量小球离开弹簧后经过光电门的时间人计算出小球离开弹簧 的速度u(v )改变弹簧的压缩量，重复步骤(iii)、(iv)多次(vi)分析数据，得出小球的质量该同学在地面上进行了上述实验，请回答下列问题(1)步骤(i )中游标卡尺示数情况如图(b)所示，小球的直径内 cm；(2)某一次步骤(iii)中测得弹簧的压缩量为卜如 对应步骤(iv)中测得小球通过光 电门

10、的时间为7.50ms,则此次小球离开弹簧的速度尸 m/s；(3)根据实验得到的弹簧的形变与对应的小球速度u在图(c)中描出了对应的点，请 将(2)问中对应的点描出，并画出u-%图象。(4)已知实验所用弹簧的弹性势能Ep与弹簧形变量12之间的关系如图)所示，实验 测得小球的质量为 依。【答案】(1) 1.50； (2) 2； (3)图象如图所示；(4) 0.05o【解析】(1)由图(b)所示游标卡尺可知，其示数为：15mm+0x0.1 mm= 15.0mm= 1.50cmo(2)小球离开弹簧后做匀速直线运动，小球经过光电门时的速度与离开弹簧时的速度相等，小球离开弹簧时的速度：v=：=黑喘=2m/

11、s；t 7 取JxlO-(3)根据坐标系内描出的点作出图象如图所示：(4)由图示图象可知：x=lcm 时,即：x2=lxlO-4m2H, Ep=0.1J,由题意可知，x=lcm时 v=2m/s,由能量守恒定律可知：Epumv2,代入数据解得：m=0.05kg；【关键点拨】(1)游标卡尺主尺与游标尺示数之和是游标卡尺示数。(2)已知小球的直径与小球经过光电门时的时间，应用速度公式可以求出小球的速度。(3)根据坐标系内描出的点作出图象。(4)根据能量守恒定律求出小球的质量。本题考查了胡克定律和能量守恒的基本运用，知道极短时间内的平均速度等于瞬时速度，结 合弹性势能的表达式进行求解。13. (202

12、2山西大同模拟)在研究球形固体颗粒在水中竖直匀速下沉的速度与哪些因素有 关的实验中，得到的实验数据记录在下面的表格中(水的密度为po=LOxl()3依/小)次序固体颗粒的半径rl (x 10-3) m固体颗粒的密度 p/ (xl03kgem3)匀速下沉的速度v/ (m*s-1)10.502.00.5521.002.02.2031.502.04.9540.503.01.1051.003.04.4060.504.01.6571.004.06.60(1)根据以上1、2、3组实验数据，可知球形固体颗粒在水中匀速下沉的速度u与固体颗粒 的半径厂的关系：丫与 (填或产)成正比。(2)根据以上1、4、6组实

13、验数据，可知球形固体颗粒在水中匀速下沉的速度u与水的密度 po、固体的密度p的关系：u与 (填“p”或“p-po” )成正比。(3)综合以上实验数据，推导球形固体颗粒在水中匀速下沉的速度与水的密度、固体的密 度、固体颗粒的半径的关系表达式尸，比例系数可用人表示。【答案】(1) N； (2) (p-p0) ； (3) kr2 ( P-Po) o【解析】(1)从表格中次序为1、2、3各行中可以看出，固体颗粒密度相同，固体球的半径 r越大则匀速下沉的速度v越大，而且匀速下沉的速度与固体颗粒的半径平方成正比，设球 形固体颗粒的半径为r,密度为P,在水中匀速下降的速度为V。由控制变量法容易得出： 当P

14、一定时，v8r2。(2)根据表格中的1、4、6可知，当r 一定时，在每个P值后都减去水的密度P。、得到的 数值与v成正比。即：V8 ( P - P 0)则：V8r2 ( P - P 0)。(3)根据以上的分析可知：V8r2, V8r2 ( p - p 0),所以有：v=kN ( P - P 0) o（2）在计算机设定的恒力方作用下，物体由静止开始运动，用测量装置能够测量出支架作用 距离x和时间3从而计算出加速度折 （用X、，表示）。这样，我们就能够计算出A 物体的质量mA=（用F、N、M、X、，表示）。【答案】.N,:电（2分）.詈（2分）.就片（2分）.【解析】（1）让舱壁支架给B物块一个恒

15、力尸，此时压力传感器示数为MF = （mA + mB）a, Nr = mAa将A、B对换位置，给A施加相同的恒力凡 压力传感器示数为MF = （jnA + mF）a, = mBaA、B两物块的质量之比mAmB = Ni： &（2）物体由静止开始运动，用测量装置能够测量出支架作用距离工和时间，从而计算出加 速度x = at2, a =耳2t2A物体的质量Ft?N. = 2x（N + -2）.2o （2022 重庆市高三模拟，5分）（实验原理创新）周吴同学打算利用平抛运动知识研究 水龙头水平喷水的相关参数，方法步骤如下：（1）用游标卡尺测量喷水口的内径，记为。（2）打开水龙头，水从喷水口水平喷出，

16、稳定后测得落地点距喷水口水平距离为1,竖直距离为h,当地重力加速度为g,则水喷出的初速度%= （用题中字母表示）；（3）根据上述测量值，可得空中水的体积V=o （用题中字母表示）【答案】. X、 （3分） .三 （2分）2h4【解析】口根据平抛运动规律，可得联立，可得空中水的体积为3 （2022 河北省邢台南和区第一中学模拟，6分）（y%）物如图甲所示，研究平抛运动 规律的实验装置放置在水平桌面上，利用光电门传感器和碰撞传感器可以测得小球的水平初速度%和飞行时间t,底板上的标尺可以测得水平位移d。（1）控制斜槽轨道的水平槽口高度不变，让小球从斜槽的不同高度处滚下，以不同的速度 冲出水平槽口，下

17、列说法正确的是。A.飞行时间，与初速度成正比B.飞行时间,与初速度%大小无关C.水平位移d与初速度成反比D.水平位移d与初速度%成正比（2） 一位同学做实验时，通过描点画出的小球的平抛运动轨迹如图乙所示，。为抛出点。A、5是轨迹上的两点，分别测得A点的竖直坐标y = 5cm、3点的竖直坐标必=45cm , A、B两点间的水平距离Ax = 30cm ,取重力加速度大小g =10m/s2,则小球从A点运动到B点的 时间，=s,初速度%=m/So （结果均保留两位有效数字）【答案】 .BD（2分） .0.20 （2分） .1.5 （2分）解得：”栏【解析】（1）小球做平抛运动，竖直方向做自由落体运动

18、：h = -gt2水平方向做匀速直线运动：d = vot = vj 可知飞行时间，与初速度%大小无关，水平位移d与初速度%成正比，所以选项B、D正确,A、C错误。（2）竖直方向有：彳”曰 匹 12x0.05 A角牛传：tx = J J s = 0.10sV 8 V 10解得：/2 =弛竺 s = 0.30s 10小球从A点运动到3点的时间为：t = t2-t1 = 0. 20s初速度= 1.5m/sAx 0.3 1=m/s t 0.24. （2022 广东省汕头二模）小羽同学尝试利用数码相机和视频软件研究平抛运动。在平抛运动 演示仪表面贴上坐标纸，拍摄出小球做平抛运动的一段视频。利用FreeV

19、idcotoJPG软件将视 频转化为图片，若视频帧格式是每秒30帧，即通过软件每秒可生成30张图片，在图片中选 出有小球画面的连续7张图片，并依次对齐叠加，得到小球做平抛运动时连续时刻的像，如 图所示。以坐标纸的左上角为坐标原点，以水平向右为轴正方向，竖直向下为y轴正方向建 立直角坐标系，读取小球水平方向和竖直方向的位置，记录到表格中。位置（m）（m）（m）10.0000.00020.0250.0100.01030.0480.0290.01940.0700.0580.02950.0940.0990.04160.1170.1500.05170.1390.2120.062（1）叠加后图片中小球相邻

20、两个像的时间间隔是 s,小球水平方向的平均速度为m/so （结果保留两位有效数字）（2）用逐差法计算小球的加速度，则“=m/s2 （结果保留两位有效数字）。【答案】.0.033 （2分）.0.70 （2分）.9.6 （2分）【解析】（1）通过软件每秒可生成30张图片，在图片中选出有小球画面的连续7张图片, 并依次对齐叠加，可知叠加后图片中小球相邻两个像的时间间隔是T = ： =，sq（）.033s2小球水平方向的平均速度为（2） 3小球在竖直方向做匀加速的直线运动，利用逐差法可得m/s2 =9.6m/s2【点拨:根据a =(0.062 - 0.029 + 0.051-0.019 + 0.041

21、-0.010)9x()230（&+苒吉】+2+求出加速度5. （2022 重庆市巴蜀中学高考适应性测试，5分）（实验原理创新）用传感器和计算机可以 方便地描出做平抛运动的物体的轨迹，一种设计原理如图甲所示。物体A以某一初速度从O 点水平抛出，它能够在竖直平面内向各个方向同时发射超声波脉冲和红外线脉冲，在它运动 的平面内安放着超声-红外接收装置以 3盒装有片、当两个超声一红外接收器，并与计算机相 连，与、生各自测出收到超声脉冲和红外脉冲的时间差，并由此算出它们各自与物体4的距 离。（1）为使运动轨迹更接近抛物线，物体A应选用下列哪种小球更合理（）A.小木球 B.小钢球 C.小皮球（2）如图乙所示

22、，某实验小组让物体A在图示位置同时发射超声波脉冲和红外线脉冲，以 抛出点。为坐标原点建立坐标系，若还测出了。点到囱、&的距离，重力加速度未知，则 由题中条件可以求出。A.物体A的初速度B.物体A的位置坐标C.物体A的运动时间D.物体A此时的速度方向【答案】B （2分） BD （3分）【解析】（1）为减小空气阻力的影响，应选用小钢球更合理。故选B。（2）设A点坐标为（X,y）,由几何关系可得”：+（0旦）2； 4段+（帙7）2 点拨：利用数 学里圆的方程】由题意可知，4瓦、人鸟、OB、员均已知，联立可解得x、y,即可确定物体A的位置坐 t2标，B正确；由平抛位移公式可得即；一8由于重力加速度g未

23、知，故无法求得运动tan a -二时间看及初速度u。，AC错误；由速度偏角公式可得 % %由位移偏角公式可得tan /? = =2%【点拨：注意速度偏角与位称偏角的欧别】tan & = 2 tan B =对比可得%【点拨：可以利用推论直接得出】故可确定物体A此时的速度方向，D正确。6. （2022 山东省泰安第一中一模）（为探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系，小明 按如图装置进行实验，物块放在平台卡槽内，平台绕轴转动，物块做匀速圆周运动，平台转 速可以控制，光电计时器可以记录转动快慢。（1）为了探究向心力与角速度的关系，需要控制保持不变,小明由计时器测转动的周期T,计算疗的表达式是。（2

24、）小明按上述实验将测算得的结果用作图法来处理数据，如图所示纵轴尸为力传感器读数，横轴为。2,图线不过坐标原点的原因是,用电子天平测得物块质量为1.50kg,直尺测得半径为50.00cm,图线斜率大小为 （结果保留两位有效数字）。【答案】 .质量和半径（2分） .君=专 （2分） .存在摩擦力的影响（1分）.0.75 （2分）【解析】（1）由向心力公式a=加02r可知，保持质量和半径不变，探究向心力和角速度的关系根据二多T可得疗=T2（2）实际表达式为图线不过坐标原点的原因是存在摩擦力的影响。【点拨：F=0,滑块做圆周运动的向心力完 全由摩擦力提供】斜率为. 7O （2022山东物理）在天宫课堂

25、中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量 的实验。受此启发。某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物 体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下：将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；接通气源。放上滑块。调平气垫导轨；将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点。A点到。 点的距离为5.00cm,拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力R加速度。随时间，变化的图像，部分图像如图 乙所示。回答以下问题（结果均保留两位有效数字）：（1）弹簧的劲度系数为 N/m。

26、（2）该同学从图乙中提取某些时刻尸与。的数据，画出。一尸图像如图丙中I所示，由此可 得滑块与加速度传感器的总质量为 kgo（3）该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的。一尸图像H, 则待测物体的质量为 kg o【答案】.12.0.20.0.13【解析】（1）由题知，弹簧处于原长时滑块左端位于。点，A点到。点的距离为5.00cm。拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时。结合图乙的尸一/图有= 5.00cm, F = 0.610N根据胡克定律/二4，计算出人之12N/m（2）根据牛顿第二定律有方二M则。一尸图像的斜率等于滑块与加速度传感器的总质量的倒数，根据图丙中L

27、则有1 3-0 1= -kg =5kg m O.o解得滑块与加速度传感器的总质量为m = 0.20kg（3）滑块上增加待测物体，同理，根据图丙中II,则有解得滑块、待测物体与加速度传感器的总质量为m1 = 0.33kg由 mr = m+Xm,得待测物体的质量为根=m - m =0.33kg -0.20kg =0.13kg【名师点评】此题涉及到的知识点主要有：胡克定律、牛顿第二定律。涉及到的实验知识主 要有：气垫导轨，力传感器测量力，加速度传感器测量加速度，计算机采集获取数据，图像 法处理实验数据等。8. (2022高考广东物理)某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致 的机械

28、能损失，设计了如图10 (a)所示的装置，实验过程如下：(1)让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位 置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。(2)用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图10 (b)所示，小球直径d=mm o(3)测量时，应 (选填A”或B，其中A为“先释放小球，后接通数字计时 器”，B为“先接通数字计时器，后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间匕和%2 o(4)计算小球通过光电门的速度，己知小球的质量为相，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失AE二 (用字母办、4和12表示)。(5)若适当调高

29、光电门的高度，将会 (选填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的 测量误差。【答案】 7.885mm(3) B (4)(5)增大2 (% G ,【解析】(2)根据螺旋测微器读数规则，小球直径d=7.5mm+0.385mm=7.885mm(3)由于小球自由落体运动时间很短，所以测量时，应该先接通数字计时器，后释放小球。(4)小球第1次通过光电门的速度vi=d/ti,第2次通过光电门的速度V2=d/t2,小球与橡胶材 料碰撞导致的机械能损失E=Lmvi2-Lmv22=人 -。222片段(5)若适当调高光电门高度，将会增大因空气阻力引起的测量误差。【名师点评】此题涉及到的知识点主要有：自由落体运动、竖

30、直上抛运动、动能、速度、碰 撞损失的机械能。涉及到的实验知识主要有：光电门和数字计数器，螺旋测微器读数规则， 误差分析等。9 . （2022湖北宜昌模拟）某乒乓球爱好者，利用手机研究乒乓球与球台碰撞过程中能量损 失的情况。实验步骤如下：固定好手机，打开录音功能；从一定高度由静止释放乒乓球；手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音，其随时间（单位：S）的变化图像如图所示。根据声音图像记录的碰撞次序及相应碰撞时刻，如下表所示。碰撞次序1234567碰撞时刻（S）1.121.582.002.402.783.143.47根据实验数据，回答下列问题：（1）利用碰撞时间间隔，计算出第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为

31、m （保留2位有效数字，当地重力加速度g=9.80m/s2）。（2）设碰撞后弹起瞬间与该次碰撞前瞬间速度大小的比值为k,则每次碰撞损失的动能为碰 撞前动能的 倍（用k表示），第3次碰撞过程中k= （保留2位有效数字）。（3）由于存在空气阻力，第（1）问中计算的弹起高度 （填“高于”或“低于”）实际 弹起高度。【答案】.（1） 0.20（2） 1-F,0.95（3）高于【解析】（1）由表中数据可知，第3次碰撞与第4次碰撞的时间间隔为U2.40S-00s=0.40s,第3次碰撞后乒乓球的弹起高度为hg （2%） 2=0.20mo （2）设碰撞前瞬间22速度大小为V,碰撞后弹起瞬间的速度大小为kv,每次碰撞损失的动能为反=相声-2,加（人，碰撞前动能为原=！加廿，则每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的比值为里=1-2 v 72Ek即每次碰撞损失的动能为碰撞前动能的1-F倍。第2次碰撞与第3次碰撞的时间间隔为3= %-/2=2.00s-l.58s=0.42s,第 3 次碰撞前的速度 V3=g （- Afe） =2.1m/s,第 3 次碰撞后的 速度V3=g (/) =2.0m/s,第3次碰撞过程中:-二工=0.95.2匕 2. 1（3）由于存在空气阻力，第（1）问中计算的弹起高度高于实际弹起高度。