2025年1月浙江省物理学业水平考试力学实验专题训练（三）

2025年1月浙江省学业水平考试实验专题训练（三） 实验6：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 1.(2023·浙江1月选考)“探究向心力大小的表达式”实验装置如图所示。 (1)采用的实验方法是________。 A.控制变量法　　　B.等效法　　　C.模拟法 (2)在小球质量和转动半径相同的情况下，逐渐加速转动手柄到一定速度后保持匀速转动。此时左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的________之比(选填“线速度大小”“角速度平方”或“周期平方”)；在加速转动手柄过程中，左右标尺露出红白相间等分标记的比值________(选填“不变”“变大”或“变小”)。 2.卫星绕地球做匀速圆周运动时处于完全失重状态，在这种环境中无法用天平称量物体的质量。于是某同学在这种环境设计了如图所示的装置(图中O为光滑的小孔)来间接测量物体的质量：给待测物体一个初速度，使它在水平桌面上做匀速圆周运动。设航天器中备有基本测量工具(弹簧测力计、停表、刻度尺)。 (1)物体与桌面间________(选填“有”或“没有”)摩擦力，原因是____________________________________________________________________。 (2)实验时怎样比较精确的测量物体运动周期？ ____________________________________________________________________。 假设测量并计算出了周期为T，还需要测量的物理量是______________和____________________________________________________________________。 (3)待测质量的表达式为(请用T和你测量出的物理量字母符号表示)m＝________。 3.(2024·浙江宁波高一期末)如图所示为向心力演示装置，匀速转动手柄1，可以使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球也随着做匀速圆周运动。使小球做匀速圆周运动的向心力由横臂6的挡板(即挡板A、B、C)对小球的压力提供。球对挡板的反作用力，通过横臂的杠杆作用使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8。根据标尺8上露出的红白相间等分标记，可以粗略计算出两个球所受向心力的比值。利用此装置可以探究做匀速圆周运动的物体需要的向心力的大小与哪些因素有关。已知小球在挡板A、B、C处做圆周运动的轨迹半径之比为1∶2∶1。 (1)要探究向心力与轨道半径的关系时，把皮带套在左、右两个塔轮的半径相同的位置，把两个质量________(选填“相同”或“不同”)的小球放置在挡板________和挡板__________位置(选填“A”“B”或“C”)。 (2)把两个质量不同的小球分别放在挡板A和C位置，皮带套在左、右两个半径之比为1∶2的塔轮上，则放在挡板A处的小球与C处的小球角速度大小之比为________。 (3)把两个质量相同的小球分别放在挡板B和C位置，皮带套在左、右两边塔轮上，半径之比为3∶1，则转动时左、右标尺上露出的红白相间的等分格数之比约为________。 4.如图甲为探究向心力的大小Fn与质量m、角速度ω和半径r之间关系的实验装置，图乙为示意图，图丙为俯视图。图乙中A、B槽分别与a、b轮同轴固定，a、b两轮在皮带的带动下匀速转动。 (1)在该实验中应用了________(选填“理想实验法”“控制变量法”或“理想模型法”)来探究向心力的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。 (2)如图乙所示，如果两个钢球质量相等，且a、b轮半径相同，则是在验证向心力的大小F与________之间的关系。 A.质量m　　B.半径r　　C.角速度ω (3)现有两个质量相同的钢球，①球放在A槽的边缘，②球放在B槽的边缘，a、b轮半径相同，它们到各自转轴的距离之比为2∶1。则钢球①②的线速度之比为________。 5.(2024·浙江嘉兴高一下期末)“探究向心力大小的表达式”的实验装置如图所示。小球放在挡板A、B或C处做圆周运动的轨道半径之比为1∶2∶1，小球与挡板挤压，弹簧测力筒内的标尺可显示力的大小关系。 (1)为了探究小球受到的向心力大小和角速度的关系，现将一铁球放在C处，对另一小球，以下做法正确的是________。 A.选用相同的铁球放在A处 B.选用相同的铁球放在B处 C.选用相同大小的铝球放在A处 D.选用相同大小的铝球放在B处 (2)通过本实验可以得到的结果有________。 A.在半径和角速度一定的情况下，向心力的大小与质量成正比 B.在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度成反比 C.在质量和半径一定的情况下，向心力的大小与角速度成正比 D.在质量和角速度一定的情况下，向心力的大小与半径成反比 (3)当用两个质量相等的小球分别放在B、C处，匀速转动时发现右边标尺上露出的红白相间的等分格数为左边的2倍，左边塔轮与右边塔轮之间的角速度之比为________。 (4)用此装置做实验有较大的误差，误差产生的主要原因是________。 A.匀速转动时的速度过大 B.读数时标尺露出的红白相间的等分格数不稳定 实验7：验证机械能守恒定律 1.(2024·浙江杭州联考)某同学验证机械能守恒定律，他已安装好部分实验器材，如图1所示。 (1)实验中还必须选取如图2器材中的__________(多选)。 (2)实验时打点计时器应接________(选填“直流”或“交流”)电源。重物自由下落，在纸带上打出一系列的点，如图3所示，若纸带相邻两个点之间时间间隔为0.02 s，则B点的速度为________m/s(结果保留3位有效数字)。从起点O到B的过程中，重物的重力势能减少量为0.343 J，重物动能的增加量为0.325 J，由计算数据得到重物下落过程中减少的重力势能略大于增加的动能，造成这个现象的原因可能是_________________________________________。 2.(2024·浙南名校联盟高二下期末)利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。 将打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，已知当地的重力加速度g。 (1)关于本实验，下列说法中正确的是________。 A.必须用秒表测出重物下落的时间 B.打点计时器应连接直流电源 C.一定要测量重物的质量 D.应选择质量较大、体积较小的重物 (2)已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，重物的质量为m＝1.00 kg。某同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为连续的六个点，根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重物的速度为________ m/s，从O点下落到B的过程重物重力势能的减少量为________ J(结果均取3位有效数字)。 (3)实验中发现重物增加的动能总是稍小于重物减小的重力势能，可能的原因是____________________________________________________________________。 3.(2024·浙江嘉兴高二模拟)学校物理兴趣小组验证机械能守恒定律的实验装置如图甲所示，电火花计时器打点的周期T＝0.02 s。 甲 乙 (1)实验中，电火花计时器接的是________(选填“6 V”或“220 V”)的交流电源； (2)下列操作中，有利于减小实验误差的是______； A.两限位孔在同一竖直线上 B.先释放纸带，后接通电源 C.精确测量重锤的质量 (3)实验中得到的一条纸带如图乙所示，O为打出的第一个点，A、B、C、D、E为依次打下的点，根据纸带上的数据，电火花计时器打D点时重锤的速度大小为________ m/s，重锤下落的加速度大小为________ m/s2；(结果均保留3位有效数字) (4)张同学根据如图乙所示的纸带算出了电火花计时器打某点时重锤的瞬时速度，测出O点与该点的距离h，以h为横坐标、v2为纵坐标建立坐标系，作出v2－h图像，从而验证机械能守恒定律。若所有操作均正确，重力加速度大小为g，则在误差允许的范围内，v2－h图线的“斜率”为________； (5)王同学根据打出的另一条纸带，发现重锤重力势能的减少量ΔEp小于其动能的增加量ΔEk，他认为这是空气阻力造成的。王同学的观点__________(填“正确”或“错误”)，其原因是_______________________________________________________________________________。 4.某同学设计了如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律，竖直杆竖直固定在M、N两点，在杆上固定一个量角器，并在量角器的圆心处固定一个力传感器，一根细线上端连接在力传感器上，下端系在小球上。 实验步骤如下： ①拉离小球，使细线与竖直方向成一个角度，由静止释放小球，使小球在竖直平面内做圆周运动； ②记录小球运动到最低点时力传感器的最大示数F； ③重复以上实验步骤。 (1)该同学练习使用游标卡尺测量小球直径d时，游标卡尺的示数如图乙所示，则d＝______mm。 (2)关于该实验，下列说法正确的有________(选填选项前的字母)。 A.可以直接用弹簧测力计代替力传感器进行实验 B.细线要选择非弹性的 C.小球尽量选择体积小质量大的 (3)实验中没有提供天平等可以测量质量的实验器材，为完成实验，需要记录小球在竖直方向上静止时________________(请补充完整)。 (4)为完成实验，还需要测量的物理量有________(选填选项前的字母)。 A.释放小球时细线偏离竖直方向的角度θ B.小球从释放到运动至圆周运动最低点的时间t C.细线长L (5)需要验证机械能守恒的表达式为____________________(用已知量和测量量的符号表示)。 (6)实验中发现，小球摆到另一侧偏离竖直方向的角度略小于初始释放位置偏离竖直方向的角度，其原因可能是_______________________________________________________。 ( 第 1 页 共 4 页 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$ 浙江省学业水平考试实验专题训练（三） 【参考答案】 实验6：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 1.(1)A　(2)角速度平方　不变 解析　(1)本实验先控制住其他几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，采用的实验方法是控制变量法，故选A。 (2)标尺上露出的红白相间的等分标记之比为两个小球所受向心力的比值，根据F＝mω2r，在小球质量和转动半径相同的情况下，可知左右标尺露出的红白相间等分标记的比值等于两小球的角速度平方之比。小球质量和转动半径相同的情况下，由于两塔轮轮缘的线速度大小相等，根据ω＝，可知两球角速度之比不变；又根据F＝mω2r，可知逐渐加大手柄的转速，左右标尺露出的红白相间等分标记的比值不变。 2.(1)没有　太空中处于完全失重状态，物体与桌面之间无弹力，所以没有摩擦力 (2)用停表记录物体圆周运动N次(次数可以随便，不要太少即可)的时间t，即可计算周期T＝　物体转动半径r　弹簧测力计示数F　(3) 解析　(1)物体与桌面间没有摩擦力，原因是太空中处于完全失重状态，物体与桌面之间无弹力，所以没有摩擦力。 (2)实验时用停表记录物体圆周运动N次(次数可以随便，不要太少即可)的时间t，根据T＝，可得物体运动周期。假设测量并计算出了周期为T，根据F＝mr可知，还需要测量的物理量是物体转动半径r和弹簧测力计示数F。 (3)根据F＝mr可知，待测质量的表达式为m＝。 3.(1)相同　B　C　(2)2∶1　(3)2∶9 解析　(1)探究向心力与轨道半径的关系时，根据Fn＝mω2r，可知应使两个相同质量的小球放在不同半径挡板处，以相同角速度运动，因此将质量相同的小球分别放在挡板B和C处。 (2)皮带套在左、右两个半径之比为1∶2的塔轮上，两个塔轮边缘处的线速度大小相同，根据v＝ωr 可知，角速度与半径成反比，所以放在挡板A处的小球与C处的小球角速度大小之比为2∶1。 (3)把两个质量相同的小球分别放在挡板B和C位置，则两小球的转动半径关系为r1∶r2＝2∶1，左、右两边塔轮的半径之比为3∶1，两个塔轮边缘处的线速度大小相同，根据v＝ωr可知，放在挡板B处的小球与C处的小球角速度大小之比为1∶3，即ω1∶ω2＝1∶3，根据Fn＝mω2r，可知两小球所受向心力之比为F1∶F2＝2∶9 ，则转动时左、右标尺上露出的红白相间的等分格数之比约为2∶9。 4.(1)控制变量法　(2)B　(3)2∶1 解析　(1)在该实验中应用了控制变量法来探究向心力的大小与质量m、角速度ω和半径r之间的关系。 (2)如题图乙所示，如果两个钢球质量m相等，且a、b轮半径相同，则两球转动的角速度ω相同，故是在验证向心力的大小Fn与转动半径r的关系，故选B。 (3)钢球①②的角速度相等，则根据v＝ωr可知，线速度之比为2∶1。 5.(1)A　(2)A　(3)1∶2　(4)B 解析　(1)为了探究小球受到的向心力大小和角速度的关系，则必须要保持质量和半径相同，因其中一球放在了C处，则应该选用相同的铁球放在A处，故选A。 (2)在半径和角速度一定的情况下，Fn＝mω2r，向心力的大小与质量成正比，故A正确；在质量和半径一定的情况下，F＝mω2r，向心力的大小与角速度平方成正比，故B、C错误；在质量和角速度一定的情况下，F＝mω2r，向心力的大小与半径成正比，故D错误。 (3)右边的向心力的大小是左边的2倍，有F左∶F右＝1∶2 左边小球的轨道半径为右边小球的2倍时，即r左∶r右＝2∶1 根据F＝mω2r，可得ω＝，则＝。 (4)匀速转动时的速度过大，不会引起较大的误差；读数时标尺露出的红白相间的等分格数不稳定，从而产生误差，故选B。 实验7：验证机械能守恒定律 1.(1)BD　(2)交流　1.14　重物下落过程克服阻力做功，机械能有损失 解析　(1)该实验不需要使用秒表；处理实验数据时需要用刻度尺测量计数点间的距离；为减小相对实验误差，应选择质量适当大些体积较小的重物，故需要的实验器材是B、D。 (2)打点计时器使用交流电源；做匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，打B点时的速度vB＝＝ m/s＝1.14 m/s 重物下落过程要受到空气阻力与纸带和打点计时器间的滑动摩擦力作用，重物下落过程要克服阻力做功，机械能有损失，因此重物下落过程中减少的重力势能略大于增加的动能。 2.(1)D　(2)1.84　1.74　(3)空气阻力的影响 解析　(1)不需要用秒表测出重物下落的时间，打点计时器可以计时，故A错误；打点计时器应连接交流电源，故B错误；验证机械能守恒定律，只要验证mgh＝mv2，m可以约去，不需要测量重物的质量，故C错误；为减小空气阻力影响，应选择质量较大、体积较小的重物，故D正确。 (2)打B点时重物的速度为 vB＝＝×10－2 m/s≈1.84 m/s 从O点下落到B的过程重物重力势能的减少量为 Ep＝mgh＝1×9.8×17.8×10－2 J≈1.74 J。 (3)实验中发现重物增加的动能总是稍小于重物减小的重力势能，可能的原因是空气阻力的影响。 3.(1)220 V　(2)A　(3)1.75　9.63　(4)2g　(5)错误　空气阻力会造成ΔEp>ΔEk，而不是ΔEp<ΔEk 解析　(1)实验中，电火花计时器接的是220 V的交流电源； (2)两限位孔在同一竖直线上，可减小纸带与打点计时器之间的摩擦，从而减小误差，选项A正确；实验中应该先接通电源，后释放纸带，选项B错误；实验要验证的关系是mgh＝mv2，两边消掉m，则不需要测量重锤的质量，选项C错误。 (3)电火花计时器打D点时重锤的速度大小为vD＝＝ m/s＝1.75 m/s；重锤下落的加速度大小为a＝＝×10－2 m/s2＝9.63 m/s2。 (4)根据mgh＝mv2，可得v2＝2gh，则v2h图像的斜率为k＝2g。 (5)王同学的观点是错误的；其原因是空气阻力会造成ΔEp>ΔEk，而不是ΔEp<ΔEk。 4.(1)11.4　(2)BC　(3)力传感器的示数F0　(4)A (5)F＝3F0－2F0cos θ　(6)小球在运动过程中存在空气阻力 解析　(1)游标卡尺的读数为d＝11 mm＋4×0.1 mm＝11.4 mm。 (2)弹簧测力计代替力传感器进行实验时，由于细线不断摆动，不方便进行读数与记录，故A错误；细线要选择非弹性细线，避免摆长发生变化，故B正确；小球尽量选择体积小质量大的，以减小空气阻力的影响，故C正确。 (3)本实验要验证机械能守恒定律，应满足 mg＝mv2 小球静止在最低点时，力传感器的示数F0与重力相等，即F0＝mg，小球摆到最低点时力传感器的最大示数为F，由向心力公式可得F－mg＝m，联立解得 F＝3F0－2F0cos θ，所以为完成实验，需要记录小球在竖直方向上静止时力传感器的示数F0。 (4)由(3)分析知，为完成实验，还需要测量的物理量有释放小球时细线偏离竖直方向的角度θ。故选A。 (5)由(3)分析知，需要验证机械能守恒的表达式为 F＝3F0－2F0cos θ。 (6)小球摆到另一侧偏离竖直方向的角度略小于初始释放位置偏离竖直方向的角度，其原因可能是小球运动过程中存在空气阻力。 ( 第 1 页 共 4 页 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$