1.【科学探究】某实验小组用如图1所示的装置来测量物块甲与水平桌面间的动摩擦因数.物块甲、乙通过轻质细线连接,轻质细线跨过水平桌面右边缘的定滑轮,甲被控制在桌面上,乙吊在定滑轮的下方,在乙的下方固定一光电门,乙与光电门间的高度差为 $ ℎ $ ,甲、乙的质量相等,乙的上下表面高度差为 $ d(d $ 远小于 $ ℎ) $ .现松开甲,乙向下运动通过光电门的挡光时间为 $ \mathrm{\Delta }t $ ,改变释放时乙与光电门间的高度差 $ ℎ $ ,测出乙通过光电门相应的挡光时间 $ \mathrm{\Delta }t $ ,用测得的数据描绘出 $ \dfrac{1}{{\left(\mathrm{\Delta }t\right) ^ {2}}} $ 与 $ ℎ $ 的关系图像如图2所示,重力加速度为 $ g $ ,回答下列问题:

(1) 桌面上方细线与桌面 (填“可以不平行”或“必须平行”),乙通过光电门时的速度大小为 .(用题中所给字母表示)
(2) 细线的拉力 乙的重力,乙的加速度 $ \dfrac{g}{2} $ (均填“大于”“小于”或“等于”).
(3) 若图2的斜率为 $ k $ ,则甲与桌面间的动摩擦因数为 .
(1) 必须平行; $ \dfrac{d}{\mathrm{\Delta }t} $
(2) 小于;小于
(3) $ 1-\dfrac{k{d}^{2}}{g} $
(1) 对甲分析时,需要用细线的拉力减去甲所受摩擦力来表示所受合力,若桌面上方细线与桌面不平行,需要把细线的拉力沿着水平方向和竖直方向分解,因为细线与水平方向的夹角未知,会导致加速度无法求解,则桌面上方细线与桌面必须平行,短时间内可以用平均速度替代瞬时速度,则乙通过光电门的速度为 $ v=\dfrac{d}{\mathrm{\Delta }t} $ .
(2) 甲、乙做匀加速直线运动,乙向下加速,处于失重状态,则细线的拉力小于乙的重力,对甲、乙组成的整体进行受力分析,由牛顿第二定律,可得 $ mg-\mu mg=2ma $ ,可得 $ a=\dfrac{g}{2}-\dfrac{\mu g}{2} < \dfrac{g}{2} $ .
(3) 对乙,由速度—位移关系可得 $ 2aℎ={\left(\dfrac{d}{\mathrm{\Delta }t}\right) ^ {2}} $ ,有 $ \dfrac{1}{(\mathrm{\Delta }t)^{2}}=\dfrac{2a}{{d}^{2}}ℎ $ ,若 $ \dfrac{1}{(\mathrm{\Delta }t)^{2}}-ℎ $ 关系图像的斜率为 $ k $ ,有 $ \dfrac{2a}{{d}^{2}}=k $ ,结合 $ a=\dfrac{g}{2}-\dfrac{\mu g}{2} $ ,联立可得 $ \mu =1-\dfrac{k{d}^{2}}{g} $ .
2.【科学探究】某兴趣小组利用轻弹簧与刻度尺设计了一款加速度测量仪,如图甲所示.轻弹簧的右端固定,左端与一小车固定,小车与测量仪底板之间的摩擦阻力可忽略不计.在小车上固定一指针,装置静止时,小车的指针恰好指在刻度尺正中间,图中刻度尺每一小格的长度为 $ 1\mathrm{c}\mathrm{m} $ .测定弹簧弹力与形变量的关系图线如图乙所示,用弹簧测力计测定小车的质量,读数如图丙所示.重力加速度 $ g $ 取 $ 10\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{2} $ .


(1) 根据弹簧弹力与形变量的关系图线可知,弹簧的劲度系数 $ k=\_ \mathrm{ }\_ \mathrm{ }\_ \mathrm{ }\_ \mathrm{N}/\mathrm{m} $ .
(2) 某次测量小车所在位置如图丁所示,则小车的加速度方向为水平向(填“左”或“右”)、大小为 $ \mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{2} $ .
(3) 若将小车换为一个质量更小的小车,其他条件均不变,那么该加速度测量仪的量程将 (填“不变”“增大”或“减小”).
(4) 加速度测量仪制作完成后,将刻度尺不同刻度对应的加速度大小标在尺上.在测量某次运动的过程中,该同学观察到指针由读数较大的位置逐渐变小到读数几乎为0.下列图中可能表示该装置在这段时间内运动的 $ v-t $ 图像的是 .
A.
B.
C.
D.
(1) 20
(2) 左;5
(3) 增大
(4) BD
(1) 由胡克定律 $ F=kx $ ,可知弹簧的劲度系数 $ k=\dfrac{F}{x}=\dfrac{4}{20×{10}^{-2}}\mathrm{N}/\mathrm{m}=20\mathrm{N}/\mathrm{m} $ .
(2) 由题图丙可得弹簧测力计的示数为 $ {F}_{测}=2.0\mathrm{N} $ ,由二力平衡得 $ {F}_{测}=mg $ ,解得小车的质量 $ m=\dfrac{{F}_{测}}{g}=\dfrac{2.0}{10}\mathrm{k}\mathrm{g}=0.20\mathrm{k}\mathrm{g} $ ,由题图丁可知弹簧处于压缩状态,弹簧弹力向左,设压缩量为 $ {x}_{1} $ ,根据牛顿第二定律有 $ {F}_{1}=m{a}_{1} $ ,又 $ {F}_{1}=k{x}_{1} $ ,其中 $ {x}_{1}=5\mathrm{c}\mathrm{m} $ ,解得 $ a=5\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{2} $ ,故小车的加速度方向为水平向左,大小为 $ 5\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{2} $ .
(3) 设弹簧的最大形变量为 $ {x}_{\mathrm{m}} $ ,根据牛顿第二定律有 $ k{x}_{\mathrm{m}}=m{a}_{\mathrm{m}} $ ,解得可测量的最大加速度 $ {a}_{\mathrm{m}}=\dfrac{k{x}_{\mathrm{m}}}{m} $ ,可知若将小车换为一个质量更小的小车,其他条件均不变,则该加速度测量仪的量程将增大.
(4) 指针由读数较大的位置逐渐变小到读数几乎为0,说明小车的加速度逐渐减小到几乎为0,即小车可能做加速度逐渐减小的加速运动,最后做匀速运动,也可能做加速度逐渐减小的减速运动,最后静止或匀速运动, $ v-t $ 图像的切线斜率绝对值表示加速度大小,故该装置在这段时间内运动的 $ v-t $ 图像可能为图像 $ \mathrm{B} $ 、 $ \mathrm{D} $ .故 $ \mathrm{B} $ 、 $ \mathrm{D} $ 正确.
3.【科学探究】一同学利用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”.一木板被铁架台竖直固定,其上固定一张白纸.甲、乙两个力传感器分别固定在木板上的 $ A $ 、 $ B $ 两点, $ A $ 、 $ B $ 两点可在木板上移动.

(1)如图(a)所示,将质量未知的重物用细绳竖直悬挂在甲力传感器上,重物静止时,记录甲力传感器的示数 $ {F}_{1} $ .
(2) 如图(b)所示,三根细绳通过结点 $ O $ 连接在一起,另一端分别与力传感器或重物相连,调节 $ A $ 、 $ B $ 两点的位置,重物静止时,记录结点 $ O $ 的位置、竖直细绳方向、甲、乙力传感器的示数 $ {F}_{2} $ 、 $ {F}_{3} $ 和 .
(3)在 $ O $ 点根据 $ {F}_{1} $ 、 $ {F}_{2} $ 、 $ {F}_{3} $ 的大小和方向作力的图示.
(4) 改变 $ A $ 、 $ B $ 两点的位置重复步骤(2)、(3),此过程 (填“需要”或“不需要”)保持结点 $ O $ 的位置不变.
(5) 初始时三根细绳互成 $ {120}^{\circ } $ ,若保持结点 $ O $ 和甲力传感器的位置不变,乙力传感器绕 $ O $ 点顺时针缓慢转动 $ {30}^{\circ } $ 的过程中,乙力传感器的示数会 (填“变大”“变小”“先变大后变小”或“先变小后变大”).
(2) 连接甲、乙力传感器细绳的方向
(4) 不需要
(5) 变大
(2) 该实验的目的为验证“力的平行四边形定则”,所以不仅需要知道力的大小,还需要知道力的方向,所以需要记录连接甲、乙力传感器细绳的方向.
(4) 改变 $ A $ 、 $ B $ 两点的位置重复步骤(2)、(3)的过程中可以改变 $ O $ 点的位置.
(5) 初始时三根细绳互成 $ {120}^{\circ } $ ,若保持结点 $ O $ 和甲力传感器的位置不变,乙力传感器绕 $ O $ 点顺时针缓慢转动 $ {30}^{\circ } $ 的过程中,如图所示,可知乙力传感器的示数会变大.

4.【科学探究】某实验小组用光电计时器测量重力加速度,实验装置如图所示.实验步骤如下:

①测量小钢球的直径 $ D $ ;
②让钢球吸附器通电吸附小钢球,用刻度尺测量小钢球球心到光电门的高度 $ ℎ $ ;
③断开钢球吸附器的开关,让小钢球由静止释放,记录小钢球通过光电门所用的时间 $ t $ ;
④改变光电门的位置,重复步骤②和③,记录多组关于 $ ℎ $ 、 $ t $ 的数据.
请回答下列问题:
(1) 根据步骤①②③可知,小钢球通过光电门时的速度大小为 (结果用题中所给的字母表示);
(2) 以 $ ℎ $ 为纵坐标,以 $ {t}^{n}(n=±1,±2) $ 为横坐标,根据实验测得的数据在坐标纸上描点,拟合图线,得到的图像最合理的是 ;
A.
B.
C.
D.
(3) 根据上述最合理的图像计算出图线的斜率 $ k $ ,则重力加速度的表达式为 $ g= $ (结果用题中所给的字母表示);
(4) 一小组成员经过分析发现,由于小钢球的直径不是足够小,由此推断:用上述实验方法得到的重力加速度值 (填“大于”“等于”或“小于”)它的真实值.
(1) $ \dfrac{D}{t} $
(2) D
(3) $ \dfrac{{D}^{2}}{2k} $
(4) 小于
(1) 根据题意可知,小钢球通过光电门时的速度大小为 $ v=\dfrac{D}{t} $ .
(2) 根据自由落体运动可得小钢球到达光电门时的速度大小 $ v=\sqrt{2gℎ} $ ,又 $ v=\dfrac{D}{t} $ ,整理可得 $ ℎ=\dfrac{{D}^{2}}{2g}\cdot \dfrac{1}{{t}^{2}} $ ,可知 $ ℎ-\dfrac{1}{{t}^{2}} $ 的图像为过原点的直线.故选 $ \mathrm{D} $ .
(3) 由(2)中分析结合图像可得 $ \dfrac{{D}^{2}}{2g}=k $ ,解得 $ g=\dfrac{{D}^{2}}{2k} $ .
(4) 利用光电门求得的速度实际上是小钢球通过光电门的平均速度,根据平均速度推论知,某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,而匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度小于中间位置的速度,则小钢球通过光电门的瞬时速度小于小钢球球心通过光电门的瞬时速度,用上述实验方法得到的重力加速度值小于它的真实值.