高考物理一輪復(fù)習考點13-實驗：探究平拋運動的特點-探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系

實驗：探究平拋運動的特點探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系考點13[題組一基礎(chǔ)與經(jīng)典題]1．某興趣小組探究平拋運動的特點，嘗試將平拋運動分解為水平方向的分運動和豎直方向的分運動。(1)在如圖甲所示的實驗中，用小錘擊打彈性金屬片，A球水平拋出，同時B球被釋放，自由下落，由兩球撞擊水平地面的聲音判斷出兩球同時落地。改變裝置的高度和小錘擊打的力度，多次實驗，發(fā)現(xiàn)兩球仍然同時落地，由此可初步得出結(jié)論：平拋運動的________。A．豎直分運動是自由落體運動B．水平分運動是勻速直線運動C．豎直分運動是自由落體運動，水平分運動是勻速直線運動A(2)用如圖乙所示的裝置進行定量研究。將白紙和復(fù)寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上。鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點水平飛出，由于擋板MN靠近硬板一側(cè)較低，鋼球落到擋板上后，就會擠壓復(fù)寫紙，在白紙上留下印跡。上下調(diào)節(jié)擋板，通過多次實驗，在白紙上記錄鋼球所經(jīng)過的多個位置。取平拋運動的起始點為坐標原點O，建立以水平方向為x軸、豎直方向為y軸的坐標系。下列操作正確的有________。A．鋼球靜置于Q點時，取鋼球的球心作為坐標原點OB．確定y軸時，需要y軸與重垂線平行C．可以將重垂線當作尺直接畫出y軸D．應(yīng)該先確定x軸，再確定y軸AB

解析(1)A球水平拋出，同時B球被釋放，自由下落，多次實驗，由兩球撞擊水平地面的聲音判斷出兩球始終同時落地，說明平拋運動的豎直分運動是自由落體運動，而不能由此得出平拋運動的水平分運動的性質(zhì)，故A正確。(2)鋼球靜置于Q點時，鋼球球心處即平拋運動的起始點，則取鋼球的球心作為坐標原點O，A正確；確定y軸時，需要y軸與重垂線平行，B正確；由于重垂線是柔軟的且可以擺動，不可以將重垂線當作尺直接畫出y軸，C錯誤；本實驗確定x軸、y軸無先后之分，D錯誤。解析解析2．向心力演示器如圖所示，用來探究小球做圓周運動所需向心力F的大小與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系。兩個變速塔輪通過皮帶連接，勻速轉(zhuǎn)動手柄使長槽和短槽分別隨變速塔輪1和變速塔輪2勻速轉(zhuǎn)動，槽內(nèi)的鋼球就做勻速圓周運動。橫臂的擋板對鋼球的壓力提供鋼球做勻速圓周運動的向心力，鋼球?qū)醢宓姆醋饔昧?，通過橫臂的杠桿作用使彈簧測力套筒下降，從而露出標尺，標尺上的紅白相間的等分格顯示出兩個鋼球所受向心力的比值。如圖是探究過程中某次實驗時裝置的狀態(tài)。(1)在研究向心力F的大小與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r之間的關(guān)系時我們主要用到了物理學中的________。A．理想實驗法

B．等效替代法C．控制變量法

D．演繹法(2)圖中所示，若兩個鋼球質(zhì)量和運動半徑相等，則是在研究向心力的大小F與________的關(guān)系。A．鋼球質(zhì)量m

B．運動半徑r

C．角速度ωC

C

(3)圖中所示，若兩個鋼球質(zhì)量和運動半徑相等，圖中標尺上紅白相間的等分格顯示出鋼球1和鋼球2所受向心力的比值為1∶4，則與皮帶連接的變速塔輪1和變速塔輪2的半徑之比為________。A．2∶1 B．1∶2C．4∶1 D．1∶4A解析(1)在研究向心力F的大小與質(zhì)量m、角速度ω和半徑r多個因素之間的關(guān)系時，我們主要用到了物理學中的控制變量法，故C正確。(2)題圖所示實驗中，若兩個鋼球質(zhì)量和運動半徑相等，根據(jù)控制變量法可知，是在研究向心力的大小F與角速度ω的關(guān)系，故C正確。(3)鋼球1和鋼球2所受向心力的比值為1∶4，質(zhì)量和做圓周運動的半徑相等，根據(jù)F＝mω2r可知兩球角速度之比為1∶2；由于鋼球與塔輪同軸轉(zhuǎn)動，可知變速塔輪1與變速塔輪2的角速度之比為1∶2；皮帶連接的變速塔輪1和變速塔輪2的線速度相等，根據(jù)v＝ωr，可知，與皮帶相連接的變速塔輪1和變速塔輪2的半徑之比為2∶1，故A正確。解析3．某興趣小組用如圖甲所示的裝置與傳感器結(jié)合驗證向心力的表達式。實驗時用手撥動旋臂產(chǎn)生圓周運動，力傳感器和光電門固定在實驗器上，實時測量向心力和角速度的大小。(1)電腦通過光電門測量擋光桿通過光電門的時間，并由擋光桿的寬度d、擋光桿通過光電門的時間Δt、擋光桿做圓周運動的半徑r，自動計算出砝碼做圓周運動的角速度，則其計算角速度的表達式為________。(2)圖乙中①②兩條曲線為相同半徑、不同質(zhì)量下向心力與角速度的關(guān)系圖線，由圖可知曲線①對應(yīng)的砝碼質(zhì)量________(填“大于”或“小于”)曲線②對應(yīng)的砝碼質(zhì)量。(3)為了進一步明確向心力和角速度的關(guān)系，可以作哪兩個量之間關(guān)系的圖像？________________________________________。小于

作向心力和角速度平方之間的關(guān)系圖像

解析[題組二高考真題]4．(2021·全國乙卷)某同學利用圖a所示裝置研究平拋運動的規(guī)律。實驗時該同學使用頻閃儀和照相機對做平拋運動的小球進行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖b所示(圖中未包括小球剛離開軌道的影像)。圖中的背景是放在豎直平面內(nèi)的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個方格的邊長為5cm。該同學在實驗中測得的小球影像的高度差已經(jīng)在圖b中標出。完成下列填空：(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(1)小球運動到圖b中位置A時，其速度的水平分量大小為______m/s，豎直分量大小為________m/s。(2)根據(jù)圖b中數(shù)據(jù)可得，當?shù)刂亓铀俣鹊拇笮開_______m/s2。1.02.09.7

解析5．(2020·天津高考)某實驗小組利用圖1所示裝置測定平拋運動的初速度。把白紙和復(fù)寫紙疊放一起固定在豎直木板上，在桌面上固定一個斜面，斜面的底邊ab與桌子邊緣及木板均平行。每次改變木板和桌邊之間的距離，讓鋼球從斜面頂端同一位置滾下，通過碰撞復(fù)寫紙，在白紙上記錄鋼球的落點。(1)為了正確完成實驗，以下做法必要的是________。A．實驗時應(yīng)保持桌面水平B．每次應(yīng)使鋼球從靜止開始釋放C．使斜面的底邊ab與桌邊重合D．選擇對鋼球摩擦力盡可能小的斜面AB

(2)實驗小組每次將木板向遠離桌子的方向移動0.2m，在白紙上記錄了鋼球的4個落點，相鄰兩點之間的距離依次為15.0cm、25.0cm、35.0cm，示意如圖2。重力加速度g＝10m/s2，鋼球平拋的初速度為________m/s。(3)圖1裝置中，木板上懸掛一條鉛垂線，其作用是_________________

________。2

方便將木板調(diào)整到豎直平面解析6.(2019·浙江4月選考)采用如圖所示的實驗裝置做“研究平拋運動”的實驗。(1)實驗時需要下列哪個器材________。A．彈簧秤

B．重錘線

C．打點計時器B

(2)做實驗時，讓小球多次沿同一軌道運動，通過描點法畫出小球平拋運動的軌跡。下列的一些操作要求，正確的是________。A．每次必須由同一位置靜止釋放小球B．每次必須嚴格地等距離下降記錄小球位置C．小球運動時不應(yīng)與木板上的白紙相接觸D．記錄的點應(yīng)適當多一些ACD

D解析7．(2015·全國卷Ⅰ)某物理小組的同學設(shè)計了一個粗測玩具小車通過凹形橋最低點時的速度的實驗。所用器材有：玩具小車、壓力式托盤秤、凹形橋模擬器(圓弧部分的半徑為R＝0.20m)。完成下列填空：(1)將凹形橋模擬器靜置于托盤秤上，如圖a所示，托盤秤的示數(shù)為1.00kg。(2)將玩具小車靜置于凹形橋模擬器最低點時，托盤秤的示數(shù)如圖b所示，該示數(shù)為________kg。(3)將小車從凹形橋模擬器某一位置釋放，小車經(jīng)過最低點后滑向另一側(cè)。此過程中托盤秤的最大示數(shù)為m；多次從同一位置釋放小車，記錄各次的m值如下表所示：序號12345m(kg)1.801.751.851.751.901.40

(4)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求出小車經(jīng)過凹形橋最低點時對橋的壓力為________N；小車通過最低點時的速度大小為________m/s。(重力加速度大小取9.80m/s2，計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)7.91.4解析[題組三模擬題]8．(2021·廣東省深圳、汕頭、潮州、揭陽名校高三上聯(lián)考)北京將是首個舉辦過夏季奧運會和冬奧會的城市，花樣滑冰是冬奧會上一個極具觀賞性的比賽項目，小明和小樂同學在觀看雙人花樣滑冰比賽時，看到男運動員拉著女運動員的手以男運動員為軸旋轉(zhuǎn)(如圖a所示)，他們開始討論運動員旋轉(zhuǎn)快慢跟什么條件有關(guān)，于是就設(shè)計了一個實驗來探究影響運動員旋轉(zhuǎn)周期的因素。他們在實驗室準備了鐵架臺、拴有細繩的小鋼球、毫米刻度尺和停表，已知當?shù)氐闹亓铀俣葹間，實驗操作步驟如下：偶然誤差

男運動員的肩膀到女運動員重心的豎直高度

解析9．(2021·湖北省十一校考試聯(lián)盟高三上聯(lián)考)“研究平拋物體的運動”實驗的裝置如圖甲所示。鋼球從斜槽上滾下，經(jīng)過水平槽飛出后做平拋運動。每次都使鋼球從斜槽上同一位置由靜止?jié)L下，在小球運動軌跡的某處用帶孔的卡片迎接小球，使球恰好從孔中央通過而不碰到邊緣，然后對準孔中央在白紙上記下一點。通過多次實驗，在豎直白紙上記錄鋼球所經(jīng)過的多個位置，用平滑曲線連起來就得到鋼球做平拋運動的軌跡。(1)實驗所需的器材有：白紙、圖釘、平板、鉛筆、斜槽、小球、重垂線、有孔的卡片，除此之外還需要的一項器材是________。A．天平

B．停表

C．刻度尺(2)如圖乙所示是在實驗中記錄的一段軌跡。g取10m/s2，則小球平拋的初速度v0＝________m/s，小球拋出點的位置坐標x＝________cm，y＝________cm。C

2.0－10－1.25(3)一同學在實驗中采用了如圖丙所示的方法，主要步驟如下：a．在一塊平木板上釘上復(fù)寫紙和白紙，然后將其豎直立于斜槽軌道末端槽口前，木板與槽口之間有一段距離，并保持板面與軌道末端的水平段垂直；b．使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止?jié)L下，小球撞到木板在白紙上留下痕跡A；c．將木板沿水平方向向右平移一段距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止?jié)L下，小球撞到木板在白紙上留下痕跡B；d．將木板再水平向右平移同樣距離x，使小球仍從斜槽上緊靠擋板處由靜止?jié)L下，再在白紙上得到痕跡C。該同學對上述實驗過程進行了深入的研究，并得出如下的結(jié)論，其中正確的是________(單選)。A．小球打在B點時的動量與打在A點時的動量的差值為Δp1，小球打在C點時的動量與打在B點時動量的差值為Δp2，則應(yīng)有Δp1∶Δp2＝1∶1B．小球打在B點時的動量與打在A點時的動量的差值為Δp1，小球打在C點時的動量與打在B點時動量的差值為Δp2，則應(yīng)有Δp1∶Δp2＝1∶2C．小球打在B點時的動能與打在A點時的動能的差值為ΔEk1，小球打在C點時的動能與打在B點時動能的差值為ΔEk2，則應(yīng)有ΔEk1∶ΔEk2＝1∶1D．小球打在B點時的動能與打在A點時的動能的差值為ΔEk1，小球打在C點時的動能與打在B點時動能的差值為ΔEk2，則應(yīng)有ΔEk1∶ΔEk2＝1∶3A解析(3)根據(jù)動量定理，有mv2－mv1＝mgt，由于留下痕跡A時與留下痕跡B時小球的水平位移，與留下痕跡B時與留下痕跡C時小球的水平位移相