高考物理二輪復習主題突破練：紙帶、光電門類實驗

主題突破練紙帶、光電門類實驗【真題示范】1．(2022·遼寧卷·12)某同學利用如圖所示的裝置測量重力加速度，其中光柵板上交替排列著等寬度的遮光帶和透光帶(寬度用d表示)．實驗時將光柵板置于光電傳感器上方某高度，令其自由下落穿過光電傳感器．光電傳感器所連接的計算機可連續(xù)記錄遮光帶、透光帶通過光電傳感器的時間間隔Δt.(1)除圖中所用的實驗器材外，該實驗還需要________________(填“天平”或“刻度尺”)；(2)該同學測得遮光帶(透光帶)的寬度為4.50cm，記錄時間間隔的數(shù)據(jù)如表所示；編號1遮光帶2遮光帶3遮光帶…Δt/(×10－3s)73.0438.6730.00…根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，可得編號為3的遮光帶通過光電傳感器的平均速度大小為v3＝______m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)；(3)某相鄰遮光帶和透光帶先后通過光電傳感器的時間間隔為Δt1、Δt2，則重力加速度g＝____________________(用d、Δt1、Δt2表示)；(4)該同學發(fā)現(xiàn)所得實驗結(jié)果小于當?shù)氐闹亓铀俣?，請寫出一條可能的原因：__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.2．(2022·河北卷·11)某實驗小組利用鐵架臺、彈簧、鉤碼、打點計時器、刻度尺等器材驗證系統(tǒng)機械能守恒定律，實驗裝置如圖甲所示．彈簧的勁度系數(shù)為k，原長為L0，鉤碼的質(zhì)量為m.已知彈簧的彈性勢能表達式為E＝eq\f(1,2)kx2，其中k為彈簧的勁度系數(shù)，x為彈簧的形變量，當?shù)氐闹亓铀俣却笮間.(1)在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置，測得此時彈簧的長度為L.接通打點計時器電源．從靜止釋放鉤碼，彈簧收縮，得到了一條點跡清晰的紙帶．鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖乙所示，紙帶上相鄰兩點之間的時間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi)，認為釋放鉤碼的同時打出A點)．從打出A點到打出F點時間內(nèi)，彈簧的彈性勢能減少量為_______________，鉤碼的動能增加量為________________，鉤碼的重力勢能增加量為________________．(2)利用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關(guān)系，如圖丙所示．由圖丙可知，隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，主要原因是_____________________________________________________________________________________________________________________________________.3．(2021·湖南卷·11)某實驗小組利用圖甲所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關(guān)系．主要實驗步驟如下：(1)用游標卡尺測量墊塊厚度h，示數(shù)如圖乙所示，h＝________cm；(2)接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導軌上，調(diào)節(jié)導軌至水平；(3)在右支點下放一墊塊，改變氣墊導軌的傾斜角度；(4)在氣墊導軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個數(shù)n和滑塊對應的加速度a；(5)在右支點下增加墊塊個數(shù)(墊塊完全相同)，重復步驟(4)，記錄數(shù)據(jù)如下表：n123456a/(m·s－2)0.0870.1800.2600.4250.519根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖丙上描點，繪制圖線．如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應該是________m/s2(保留三位有效數(shù)字)．4．(2022·全國甲卷·23)利用圖示的實驗裝置對碰撞過程進行研究．讓質(zhì)量為m1的滑塊A與質(zhì)量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導軌上發(fā)生碰撞，碰撞時間極短，比較碰撞后A和B的速度大小v1和v2，進而分析碰撞過程是否為彈性碰撞．完成下列填空：(1)調(diào)節(jié)導軌水平；(2)測得兩滑塊的質(zhì)量分別為0.510kg和0.304kg.要使碰撞后兩滑塊運動方向相反，應選取質(zhì)量為________kg的滑塊作為A；(3)調(diào)節(jié)B的位置，使得A與B接觸時，A的左端到左邊擋板的距離s1與B的右端到右邊擋板的距離s2相等；(4)使A以一定的初速度沿氣墊導軌運動，并與B碰撞，分別用傳感器記錄A和B從碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間t1和t2；(5)將B放回到碰撞前的位置，改變A的初速度大小，重復步驟(4)．多次測量的結(jié)果如下表所示；12345t1/s0.490.671.011.221.39t2/s0.150.210.330.400.46k＝eq\f(v1,v2)0.31k20.330.330.33(6)表中的k2＝________(保留2位有效數(shù)字)；(7)eq\f(v1,v2)的平均值為______(保留2位有效數(shù)字)；(8)理論研究表明，對本實驗的碰撞過程，是否為彈性碰撞可由eq\f(v1,v2)判斷．若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞，則eq\f(v1,v2)的理論表達式為______________(用m1和m2表示)，本實驗中其值為________(保留2位有效數(shù)字)，若該值與(7)中結(jié)果間的差別在允許范圍內(nèi)，則可認為滑塊A與滑塊B在導軌上的碰撞為彈性碰撞.【模擬演練】1.利用如圖甲所示的裝置研究自由落體運動．實驗中需要調(diào)整好儀器，接通打點計時器的電源，松開紙帶，使重物下落，打點計時器會在紙帶上打出一系列的點．(1)本實驗采用電火花計時器，所接電源應為電壓________V，頻率為50Hz的交流電，打點的時間間隔是________s；(2)取下紙帶，取其中的一段標出計數(shù)點如圖乙所示，測出相鄰計數(shù)點間的距離分別為x1＝2.60cm，x2＝4.14cm，x3＝5.69cm，x4＝7.22cm，x5＝8.75cm，x6＝10.29cm，打點計時器的打點間隔為T，則重物運動的加速度計算表達式為a＝________________，代入數(shù)據(jù)，可得加速度大小a＝________m/s2；(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(3)實驗中所得到的重物下落的加速度值小于當?shù)氐闹亓铀俣戎?，而實驗操作與數(shù)據(jù)處理均無錯誤，寫出一個你認為可能引起此誤差的原因：__________________________________.2．某實驗小組利用如圖甲所示的裝置探究加速度與物體受力的關(guān)系，已知小車的質(zhì)量為M，砝碼盤及砝碼的總質(zhì)量為m，打點計時器所接的交流電的頻率為f，定滑輪和動滑輪受到的阻力可忽略不計．實驗步驟如下：①按圖甲所示安裝好實驗裝置，其中與定滑輪及彈簧測力計相連的細線豎直；②取下砝碼盤，調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車，使小車能沿長木板向下勻速運動，記下此時彈簧測力計的示數(shù)F0；③掛上砝碼盤，接通電源后，再放開小車，打出一條紙帶，記下彈簧測力計的示數(shù)F1，由紙帶求出小車的加速度a1；④改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復步驟③，記下彈簧測力計的示數(shù)Fi，求得小車在不同合力作用下的加速度ai.(1)對于該實驗方案，下列說法正確的是__________．A．實驗過程中一定要保持M?mB．與小車相連的細線跟長木板一定要平行C．補償摩擦力時，即步驟②中一定不能掛上砝碼盤D．當彈簧測力計的示數(shù)為F1時，小車受到的合力大小為F1－F0－mg(2)實驗過程中打出的一條紙帶如圖乙所示，1、2、3、4、5為計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點間還有四個計時點未畫出，則打點計時器在打計數(shù)點“4”時，小車的速度大小為_____________，加速度的大小為______________(用字母x1、x2、x3、x4和f表示)；若x1＝6.02cm，x2＝6.89cm，x3＝7.77cm，x4＝8.66cm，f＝50Hz，則小車的加速度大小a＝______m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(3)由本實驗得到的數(shù)據(jù)作出小車的加速度a與彈簧測力計的示數(shù)F的關(guān)系圖像，下列四幅圖中，與本實驗相符合的是________．3.如圖所示的實驗裝置可以用來驗證牛頓第二定律F＝ma.實驗器材有鐵架臺、長木板、一枚表面光滑的金屬小球、秒表和毫米刻度尺．主要實驗步驟有：①鐵架臺放在水平桌面上，然后將鐵架臺和長木板搭建一個傾角可調(diào)斜面；②在斜面上標記出P、Q兩點，并用毫米刻度尺測量出P、Q兩點間的距離L；③讓一個金屬小球從斜面上P點由靜止釋放，用秒表記下小球從P運動到Q的時間t；④用毫米刻度尺測量出P、Q兩點與桌面之間的距離h1、h2；⑤改變長木板的傾角，重復步驟③、④，得到多組實驗數(shù)據(jù)．(1)小球在斜面上運動的加速度大小為______；若已知小球的質(zhì)量為m，重力加速度大小為g，小球受到的摩擦力和空氣阻力均不計，則小球在斜面上運動時受到的合外力大小為________；(2)若關(guān)系式2L2＝________成立，則說明牛頓第二定律F＝ma成立．4．某同學利用圖甲所示的裝置驗證動量守恒定律．在圖甲中，氣墊導軌上有A、B兩個滑塊，滑塊A右側(cè)帶有一彈簧片，左側(cè)與穿過打點計時器(圖中未畫出)的紙帶相連；滑塊B左側(cè)也帶有一彈簧片，上面固定一遮光片，光電計時器(未完全畫出)可以記錄遮光片通過光電門的時間．已知滑塊A的質(zhì)量m1＝300g，滑塊B的質(zhì)量m2＝100g，將光電門固定在滑塊B的右側(cè)，啟動打點計時器，給滑塊A一水平向右的瞬間沖量，使它與靜止的滑塊B相碰，碰后光電計時器顯示的擋光時間為Δt＝3.200ms.(所有計算結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(1)該同學用螺旋測微器測得該遮光片的寬度d如圖乙所示，則d＝________mm，兩滑塊碰撞后滑塊B的速度大小vB＝________m/s；(2)碰撞前后打出的紙帶如圖丙所示．已知打點計時器所用的交流電的頻率f＝50Hz，根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)可得兩滑塊碰撞前瞬間滑塊A的速度大小v1＝________m/s，碰撞后瞬間滑塊A的速度大小v2＝________m/s；(3)定義δ＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(p－p′,p)))×100%為實驗的相對誤差(其中p為碰撞前滑塊A、B總動量，p′為碰撞后滑塊A、B總動量)，物理實驗要求δ≤5%.計算本實驗的相對誤差δ＝__________.5．為了消除空氣阻力對實驗結(jié)果的影響，某實驗小組用如圖甲所示實驗裝置做驗證機械能守恒定律實驗，牛頓管豎直固定在鐵架臺上，光電門固定在牛頓管的外側(cè)，緊貼牛頓管外側(cè)再固定刻度尺(圖中未畫出)，啟動抽氣泵，將牛頓管內(nèi)的空氣抽出，已知橡膠球的質(zhì)量為m，當?shù)刂亓铀俣葹間.(1)先用游標卡尺測量橡膠球直徑d，如圖乙所示，則小球直徑d＝________mm；(2)從刻度尺上讀取橡膠球球心和光電門中心對應的刻度值l1、l2.將橡膠球由靜止釋放，記錄橡膠球第一次通過光電門的擋光時間Δt1；(3)要驗證橡膠球下落過程中機械能是否守恒，只需比較________與________是否相等即可；(用上面測得數(shù)據(jù)符號表示)(4)該小組要利用該裝置進一步探究橡膠球與管底第一次碰撞前后球的機械能損失情況，他們記錄了橡膠球第二次通過光電門的擋光時間Δt2，則碰撞過程中橡膠球損失的機械能為__________________．6．某同學利用一根壓縮的彈簧彈開帶有遮光片的滑塊來測量滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)．實驗裝置如圖(a)所示，將木板水平固定在桌面上，彈簧的左端固定在擋板上，右端與滑塊剛好接觸(但不連接)，然后將光電門固定在木板上靠近滑塊處．實驗步驟如下：(1)用游標卡尺測量遮光片的寬度d，其示數(shù)如圖(b)所示，d＝________cm；(2)將光電門連接計時器，讓滑塊壓縮彈簧至P點(圖(a)中未畫出)，釋放后滑塊被彈開并沿木板向右滑動，計時器記錄遮光片通過光電門的時間為Δt，再測量滑塊停止時的位置與光電門的距離x，則可用________表示滑塊經(jīng)過光電門時速度的大??；(3)改變P點的位置，多次重復步驟(2)；(4)若用eq\f(1,Δt2)－x圖像處理數(shù)據(jù)，所得圖像如圖(c)所示，設(shè)重力加速度大小為g，則由圖線可得滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ＝______(用物理量的符號表示)．參考答案真題示范1．(1)刻度尺(2)1.5(3)eq\f(2dΔt1－Δt2,Δt1Δt2Δt1＋Δt2)(4)光柵板受到空氣阻力的作用解析(1)該實驗測量重力加速度，不需要天平測質(zhì)量；需要用刻度尺測量遮光帶(透光帶)的寬度，故需要刻度尺．(2)根據(jù)平均速度的計算公式可知v＝eq\f(d,Δt)＝eq\f(4.5×10－2m,30×10－3s)＝1.5m/s.(3)根據(jù)勻變速直線運動的平均速度等于中間時刻的速度，有v1＝eq\f(d,Δt1)，v2＝eq\f(d,Δt2)，v2＝v1＋g(eq\f(Δt2＋Δt1,2))可得g＝eq\f(2dΔt1－Δt2,Δt1Δt2Δt1＋Δt2).(4)光柵板的長度明顯，下落過程中受到空氣阻力的影響，所以豎直向下的加速度小于重力加速度．2．(1)k(L－L0)h5－eq\f(1,2)kh52eq\f(mh6－h(huán)42,8T2)mgh5(2)見解析解析(1)從打出A點到打出F點時間內(nèi)，彈簧的彈性勢能減少量為ΔEp彈＝eq\f(1,2)k(L－L0)2－eq\f(1,2)k(L－L0－h(huán)5)2整理有ΔEp彈＝k(L－L0)h5－eq\f(1,2)kh52打F點時鉤碼的速度為vF＝eq\f(h6－h(huán)4,2T)則鉤碼的動能增加量為ΔEk＝eq\f(1,2)mvF2－0＝eq\f(mh6－h(huán)42,8T2)鉤碼的重力勢能增加量為ΔEp重＝mgh5(2)鉤碼機械能的增加量，即鉤碼動能和重力勢能增加量的總和，若無阻力做功則彈簧彈性勢能的減少量等于鉤碼機械能的增加量．現(xiàn)在隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功，則產(chǎn)生這個問題的主要原因是鉤碼和紙帶運動的速度逐漸增大，導致空氣阻力逐漸增大，空氣阻力做的功也逐漸增大．3．(1)1.02(5)見解析圖0．343(0.341～0.345均可)解析(1)墊塊的厚度為h＝1cm＋2×0.1mm＝1.02cm(5)繪制圖線如圖；根據(jù)mg·eq\f(nh,l)＝ma可知a與n成正比關(guān)系，則根據(jù)圖像可知，斜率k＝eq\f(0.6,7)＝eq\f(a,4)解得a≈0.343m/s2.4．(2)0.304(6)0.31(7)0.32(8)eq\f(v1,v2)＝eq\f(m2－m1,2m1)0.34解析(2)用質(zhì)量較小的滑塊碰撞質(zhì)量較大的滑塊，碰后運動方向相反，故選0.304kg的滑塊作為A.(6)由于兩段位移大小相等，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可得k2＝eq\f(v1,v2)＝eq\f(t2,t1)＝eq\f(0.21,0.67)＝0.31.(7)eq\f(v1,v2)的平均值為eq\x\to(k)＝eq\f(0.31＋0.31＋0.33＋0.33＋0.33,5)＝0.32.(8)彈性碰撞時滿足動量守恒和機械能守恒，可得m1v0＝－m1v1＋m2v2eq\f(1,2)m1v02＝eq\f(1,2)m1v12＋eq\f(1,2)m2v22聯(lián)立解得eq\f(v1,v2)＝eq\f(m2－m1,2m1)，代入數(shù)據(jù)可得eq\f(v1,v2)＝0.34.模擬演練1．(1)2200.02(2)eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,36T2)9．60(3)下降過程中重物受到空氣阻力、紙帶受到摩擦阻力等解析(1)采用電火花計時器，所接電源應為電壓220V，頻率為50Hz的交流電，打點的時間間隔是T＝eq\f(1,f)＝0.02s(2)根據(jù)Δx＝at2，則有a＝eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,3×2T2)＝eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,36T2)≈9.60m/s2(3)實驗中重物會受到紙帶與限位孔之間的摩擦力以及空氣阻力的影響，因此實驗中所得到的重物下落的加速度值小于當?shù)氐闹亓铀俣戎担?．(1)B(2)eq\f(x3＋x4f,10)eq\f(x3＋x4－x1－x2,100)f20.88(3)B解析(1)實驗中因為彈簧測力計可直接讀出細線的拉力大小，所以不一定要保持M?m，故A錯誤；補償摩擦力時，步驟②中也可以掛上砝碼盤，只要保證小車勻速下滑，即與小車相連的細線與長木板平行即可，故B正確，C錯誤；小車運動過程中受到的合力大小，應為彈簧測力計的示數(shù)Fi減去小車勻速下滑時彈簧測力計的示數(shù)F0，D錯誤．(2)相鄰計數(shù)點之間的時間間隔T＝eq\f(5,f)，打下計數(shù)點“4”時，小車的速度大小v4＝eq\f(x3＋x4,2T)＝eq\f(x3＋x4f,10)，根據(jù)逐差法有Δx＝aT2，可得a＝eq\f(x3＋x4－x1－x2,100)f2＝0.88m/s2.(3)根據(jù)牛頓第二定律可得F－F0＝ma，解得a＝eq\f(1,m)F－eq\f(1,m)F0，可知a與F是一次函數(shù)關(guān)系，且與橫軸有交點，故選B.3．(1)eq\f(2L,t2)mgeq\f(h1－h(huán)2,L)(2)g(h1－h(huán)2)t2解析(1)根據(jù)勻變速直線運動位移與時間關(guān)系有L＝eq\f(1,2)at2所以小球在斜面上運動的加速度大小為a＝eq\f(2L,t2)設(shè)斜面傾角為θ，則sinθ＝eq\f(h1－h(huán)2,L)由題意可知，小球在斜面上運動時受到的合外力為F＝mgsinθ＝mgeq\f(h1－h(huán)2,L).(2)若牛頓第二定律F＝ma成立，則mgeq\f(h1－h(huán)2,L)＝meq\f(2L,t2)化簡得2L2＝g(h1－h(huán)2)t2.4．(1)9.600(9.599～9.601均可)3.0(2)2.00.95(3)2.5%解析(1)用螺旋測微器測得該遮光片的寬度d＝9.5mm＋10.0×0.01mm＝9.600mm兩滑塊碰撞后滑塊B的速度大小vB＝eq\f(d,Δt)＝eq\f(9.600×10－3,3.200