2020屆高考物理 精準培優(yōu)專練五 與牛頓運動定律有關(guān)的實驗（含解析）

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1、與牛頓運動定律有關(guān)的實驗 1．本考點命題多集中在打點計時器使用、平衡摩擦力、紙帶處理上，尤其是瞬時速度、加速度的計算及數(shù)據(jù)處理、實驗改進與創(chuàng)新等。 2．常用思想方法： (1)控制變量法研究物理問題；(2)用列表法、圖象法處理實驗數(shù)據(jù)。 二、考題再現(xiàn) 典例1.(2019·全國II卷·22)如圖（a），某同學設計了測量鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)的實驗。所用器材有：鐵架臺、長木板、鐵塊、米尺、電磁打點計時器、頻率50 Hz的交流電源，紙帶等?；卮鹣铝袉栴}： (1)鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)μ＝。（用木板與水平面的夾角θ、重力加速度g和鐵塊下滑的加速度a表示） (2)某次實驗時，調(diào)整木板

2、與水平面的夾角θ＝30°。接通電源，開啟打點計時器，釋放鐵塊，鐵塊從靜止開始沿木板滑下。多次重復后選擇點跡清晰的一條紙帶，如圖(b)所示。圖中的點為計數(shù)點(每兩個相鄰的計數(shù)點間還有4個點未畫出)，重力加速度為9.8 m/s2?？梢杂嬎愠鲨F塊與木板間的動摩擦因數(shù)為。(結(jié)果保留2位小數(shù)) 典例2.(2018·全國II卷·23)某同學用圖(a)所示的裝置測量木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)?？邕^光滑定滑輪的細線兩端分別與木塊和彈簧秤相連，滑輪和木塊間的細線保持水平，在木塊上方放置砝碼。緩慢向左拉動水平放置的木板，當木塊和砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動時，彈簧秤的示數(shù)即為木塊受到的滑動摩擦力的大小。某

3、次實驗所得數(shù)據(jù)在表中給出，其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數(shù)讀出。 砝碼的質(zhì)量m/kg 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 滑動摩擦力f/N 2.15 2.36 2.55 f4 2.93 回答下列問題： (1)f4＝________N； (2)在圖(c)的坐標紙上補齊未畫出的數(shù)據(jù)點并繪出f－m圖線； (3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動摩擦因數(shù)μ及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f＝________，f－m圖線(直線)的斜率的表達式為k＝________； (4)取g＝9.80 m/s2，由繪出的f－m圖線求得μ＝________。

4、(保留2位有效數(shù)字) 三、對點速練 1．用圖甲的裝置測量木塊與水平木板間的動摩擦因數(shù)μ時，所用木塊的質(zhì)量與重物的質(zhì)量相等。若測得木塊的加速度為a，用g表示重力加速度的值，則： (1)計算動摩擦因數(shù)的表達式為μ＝________。（用題中物理量的符號表示） (2)實驗中得到一條紙帶如圖乙所示A、B、C、D、E為5個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間有4個點未畫出，各計數(shù)點距離如圖。已知打點計時器使用的電源頻率為50 Hz，可求得：打下D點時木塊的速度vD＝____m/s；運動過程中木塊的加速度a＝________m/s2。（計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字） 2．為了探究質(zhì)量一定時加速度與力的關(guān)系，

5、一同學設計了如圖所示的實驗裝置，其中M為帶滑輪的小車的質(zhì)量，m為砂和砂桶的質(zhì)量。（滑輪質(zhì)量不計） (1)實驗時，一定要進行的操作是____________。 A．用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量 B．將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力 C．小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄彈簧測力計的示數(shù) D．改變砂和砂桶的質(zhì)量，打出幾條紙帶 E．為減小誤差，實驗中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M (2)該同學在實驗中得到如圖所示的一條紙帶（相鄰兩計數(shù)點間還有兩個點沒有畫出），已知打點計時器采用的是頻率為50 Hz的交流電，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度為

6、m/s2。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (3)以彈簧測力計的示數(shù)F為橫坐標，加速度為縱坐標，畫出的a－F圖象是一條直線，圖線與橫坐標的夾角為θ，求得圖線的斜率為k，則帶滑輪的小車的質(zhì)量為。 A．2tan θ B． C．k D． 3．某實驗小組設計了如圖甲所示實驗裝置“探究加速度與物體受力的關(guān)系”。圖中A為滑塊，B為裝有砝碼的小盤，C為放置在水平桌面上一端帶有定滑輪的長木板，滑塊通過紙帶與電磁打點計時器(未畫出)相連。 (1)小組成員先用彈簧測力計測量滑塊的重力，如圖乙，由圖可知滑塊的重力GA＝_______N。（保留2位有效數(shù)字）

7、(2)小組成員接著將滑塊與砝碼盤用細繩連接，將細繩掛在滑輪上，使滑輪和滑塊間的細繩處于水平然后在砝碼盤中添加砝碼。在規(guī)范操作的情況下，得到了滑塊加速度與砝碼盤及砝碼總重力F的關(guān)系，將實驗數(shù)據(jù)描繪在a－F圖象中，得到一條實驗圖線如圖丙所示，該圖線與橫軸的交點數(shù)值F0＝0.87 N，據(jù)此可計算出滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ＝_______。（保留2位有效數(shù)字） (3)該圖線在a較小（a＜l m/s2）時基本上是一直線，該直線段的斜率_______。（填選項前面的代號） A．只跟GA有關(guān) B．只跟F0有關(guān) C．跟GA和F0之和有關(guān)

8、 D．只跟μ有關(guān) 4．木－木間動摩擦因數(shù)大致在0.3左右，現(xiàn)測量實驗室中某木塊與木板間動摩擦因數(shù)μ。 (1)采用圖甲所示實驗裝置，正確進行實驗操作，得到圖乙所示的一條紙帶。 ①從某個清晰的打點開始依次標注0、1、2、3、4、5、6，分別測出0點到各點的距離d1、d2、d3、d4、d5、d6。己知打點周期T，求得各點木塊運動速度vi，其中第4點木塊的速度v4＝__________；取0點時刻為零時刻，作v－t圖得到木塊加速度為a，己知木塊的質(zhì)量M、鉤碼的質(zhì)量m及當?shù)刂亓铀俣萭，則木塊與木板間動摩擦因數(shù)μ＝_______。 ②關(guān)于上述實驗操作過程：長木板必須保持______

9、____（選填“傾斜”或“水平”）；鉤碼質(zhì)量__________（選填“必須”或“不必”）遠小于木塊質(zhì)量。 ③對實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)μ則量值偏大，請列出一條產(chǎn)生誤差的原因：______________。 (2)只有一把刻度尺，己知懸掛重物和木塊質(zhì)量分別是m＝0.3 kg、M＝0.5 kg，而當?shù)刂亓铀俣萭未知，某同學用圖丙裝置測量木塊與長木板間動摩擦因數(shù)μ，細線跨過水平長木板左端定滑輪一端懸掛重物，另一端連接靜止在水平長木板上A點的木塊，懸掛重物離地高度 h。釋放木塊、重物開始運動，重物著地后不再反彈，木塊最終停在B點，刻度尺測量AB間距離為s，保持木塊釋放點位置不變，多次改變重物下落

10、高度h，測得對應s，作s－h(huán)圖如圖丁，圖線斜率為k＝1.5，則木塊與木板間動摩擦因數(shù)μ＝_______。 5．某研究性學習小組使用如圖所示的實驗裝置測定小木塊與傾斜軌道間的動摩擦因數(shù)．傾斜軌道的頂端有一個固定的擋板，軌道上有兩個位置可調(diào)節(jié)的光電門A和光電B。他們將一個遮光條安裝在小木塊上，并用游標卡尺測量遮光條的寬度d。已知軌道的傾角為θ，當?shù)氐闹亓铀俣葹間。實驗操作如下： ①將光電門B固定在離擋板較遠的位置，使小木塊從緊靠擋板的位置由靜止釋放； ②記錄遮光條通過光電門A的時間Δt1，遮光條通過光電門B的時間Δt2以及兩個光電門之間的距離x； ③改變光電門A的位置，重復以上操作，

11、記錄多組Δt1、Δt2和x的值。請回答以下問題： (1)用游標卡尺測量遮光條的寬度如圖所示，則d＝________cm。 (2)利用圖象來處理實驗數(shù)據(jù)，作出的圖象應是_________。 (3)用圖象斜率的絕對值 k 來計算小木塊與傾斜軌道間的動摩擦因數(shù)，在不計空氣阻力的情況下，他們用來計算動摩擦因數(shù)的表達式為___________（用題目中所給物理量的字母表示）。若考慮空氣阻力，則他們利用如上表達式求出的動摩擦因數(shù)____________（填“偏大”“偏小”或“沒有影響”）。 6．某實驗小組的同學利用如圖1所示的裝置“探究物體速度和位移的關(guān)系”，并測量物塊和桌面間的動摩擦因數(shù)。已

12、知彈簧處于原長時，物塊位于光電門左側(cè)。 (1)按如圖1所示安裝實驗器材，物塊上方裝有較窄的遮光條，用游標卡尺測量其寬度如圖2所示，則遮光條的寬度為________mm。 (2)實驗步驟如下： ①讓物塊壓縮彈簧并鎖定； ②釋放物塊，讀出物塊通過光電門時的遮光時間Δt； ③測量出物塊停止運動時遮光條的位置到光電門之間的位移x； ④重復②③步驟，測出多組遮光時間Δt和位移x的值； ⑤計算出物塊通過光電門時對應的速度v。 (3)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)在如圖3所示的坐標紙上做出v2－x圖象，由圖象可知，物塊在桌面上運動的加速度大小為_______m/s2。已知重力加速度g取10 m/s2，則

13、物塊和桌面間的動摩擦因數(shù)為________。(結(jié)果均保留兩位 有效數(shù)字) 7．某實驗小組應用如圖所示裝置“探究加速度與物體所受合力的關(guān)系”，已知小車的質(zhì)量為M，砝碼及砝碼盤的總質(zhì)量為m，打點計時器所接的交流電的頻率為50 Hz。實驗步驟如下： A．按圖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； B．調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下勻速運動； C．掛上砝碼盤，接通電源后，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求出小車的加速度； D．改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復步驟C，求得小車在不同合力作用下的加速度。 根據(jù)以上實驗過程，回答以下問題： (1

14、)對于上述實驗，下列說法正確的是_________。 A．小車的加速度與砝碼盤的加速度大小相等 B．與小車相連的輕繩與長木板一定要平行 C．彈簧測力計的讀數(shù)應為砝碼和砝碼盤總重力的一半 D．砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量不需要遠小于小車的質(zhì)量 (2)實驗中打出的其中一條紙帶如圖所示，由該紙帶可求得小車的加速度a＝_______m/s2。(結(jié)果保留2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a與彈簧測力計的示數(shù)F的關(guān)系圖象，與本實驗相符合的是________。 8．圖甲所示為某實驗小組測量A、B兩個箱子質(zhì)量的裝置圖，其中D為鐵架臺，E為固定在鐵架臺上的輕質(zhì)定滑輪(質(zhì)量和摩擦

15、可忽略)，F(xiàn)為光電門，C為固定在A上、寬度為d的細遮光條(質(zhì)量不計)。此外該實驗小組還準備了砝碼一套(總質(zhì)量m0＝1 kg)和刻度尺等，請在以下實驗步驟中按要求作答。 (1)在鐵架臺上標記一位置O，并測得該位置與光電門之間的高度差h。 (2)取出質(zhì)量為m的砝碼放在A中，剩余砝碼都放在B中，讓A從位置O由靜止開始下降。 (3)記錄下遮光條通過光電門的時間t，根據(jù)所測數(shù)據(jù)計算出A下落到F處的速率v＝______；下落過程中的加速度大小a＝______。 (4)改變m，重復(2)(3)步驟，得到多組m及a的數(shù)據(jù)，作出______ (填“a－m”或“a－”)圖象如圖乙所示(圖中橫、縱坐標物理量

16、的單位均采用國際制單位) (5)由圖象可得，A的質(zhì)量mA＝______kg，B的質(zhì)量mB＝______kg。(保留兩位有效數(shù)字，重力加速度大小g取10 m/s2) 答案 二、考題再現(xiàn) 典例1.【解析】(1)由mgsinθ－μmgcosθ＝ma，解得：μ＝。 (1) SII＝(76.39－31.83)×10－2 m，SI＝(31.83－5.00)×10－2 m，T＝0.1 s，故a＝m/s2＝1.97 m/s2，由于θ＝30°，g＝9.80 m/s2，則μ＝0.35。 【答案】(1) (2)

17、0.35 典例2.【解析】(1)對彈簧秤進行讀數(shù)得2.75 N。 (2)在圖象上添加(0.05 kg，2.15 N)、(0.20 kg，2.75 N)這兩個點，畫一條直線，使盡可能多的點落在這條直線上，不在直線上的點大致均勻分布在直線兩側(cè)，如答案圖所示。 (3)由實驗原理可得f＝μ(M＋m)g，f－m圖線的斜率為k＝μg。 (4)根據(jù)圖象求出k＝3.9 N/kg，代入數(shù)據(jù)得μ＝0.40。 【答案】(1)2.75　(2)如圖所示　(3)μ(M＋m)g　μg　(4)0.40 三、對點速練 1．【答案】(1) (2)0.975 3.15(3.14～3.16) 【解析】

18、(1)設木塊質(zhì)量和重物質(zhì)量為m，對重物根據(jù)牛頓第二定律：mg－T＝ma，對木塊有：T－μmg＝ma，聯(lián)立解得：。 (2)紙帶上某點的瞬時速度等于該點前后相鄰兩個點的平均速度，故m/s＝0.975m/s，根據(jù)位移差公式Δx＝aT2得：m/s2。 2．【答案】(1)BCD (2)1.3 (3)D 【解析】(1)本題拉力可以由彈簧測力計測出，不需要用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量，也就不需要使小桶(包括砂)的質(zhì)量遠小于車的總質(zhì)量，故A錯誤，E錯誤；彈簧測力計測出拉力表示小車受到的合外力，故需要將 帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力，故B正確；打點計時器運用時，都是先接通電源，待打點

19、穩(wěn)定后再釋放紙帶，該實驗探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，要記錄彈簧測力計的示數(shù)，故C正確；改變砂和砂桶質(zhì)量，即改變拉力的大小，打出幾條紙帶，研究加速度隨F變化關(guān)系，故D正確。 (2)由于兩計數(shù)點間還有二個點沒有畫出，故相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.06 s，由Δx＝aT2可得：m/s2＝1.3 m/s2。 (3)對a－F圖來說，圖象的斜率表示小車質(zhì)量的倒數(shù)，此題，彈簧測力計的示數(shù)，故小車的質(zhì)量，故D正確。 3．【答案】(1)2.80 (2)0.31 (3)C 【解析】(1)由圖乙知，測力計的分度值為0.1 N，所以其示數(shù)為2.80 N； (2) 對滑塊A由牛頓第二定律有：T－μm

20、g＝ma，同理對砝碼盤由牛頓第二定律有：mg－T＝ma，聯(lián)立解得： ，即為，結(jié)合圖丙可知，當加速度為0時，則，解得F0＝μMG，所μ＝0.31。 (3)由(2)分析可得：直線段的斜率只跟小車的質(zhì)量和砝碼盤的質(zhì)量有關(guān)，故C正確。 4．【答案】(1)水平不必細線與滑輪、紙帶與打點器的阻力 (2)0.33 【解析】(1)①根據(jù)木塊運動第4點的瞬時速度等于3、5兩個計數(shù)點間的平均速度，即可得； 對木塊與鉤碼為對象，根據(jù)牛頓第二定理可得，解得；②由于該實驗需要測量木塊與木板間動摩擦因數(shù)，不需要平衡摩擦力，所以長木板必須保持水平；根據(jù)牛頓第二定律可知鉤碼的重力mg與細繩對木塊的拉力T＝m

21、g－ma不相等，所以碼質(zhì)量不必遠小于木塊質(zhì)量；③對實驗結(jié)果分析，產(chǎn)生誤差的原因是細線與滑輪、紙帶與打點器的阻力。 (3) 懸掛重物和木塊先一起做勻加直線運動，當懸掛重物著地后，木塊做減速直線運動，根據(jù)動能定理可得，，聯(lián)立解得，即，代入 數(shù)值可得。 5．【答案】(1)1.015 (2)C (3)偏大 【解析】(1)用游標卡尺測量遮光條的寬度d＝1cm+0.05mm×3＝1.015cm。 (2)木塊運動到A處的速度大小，，當木塊運動到B處時的速度大小，；v22＝v12+2ax可得，即，因光電門B固定，則?t2為定值，可知圖象C正確。 (3)由圖象可知，，則；又，解得；若

22、考慮空氣阻力，則測得的加速度偏小，則k值偏小，求出的動摩擦因數(shù)偏大。 6．【答案】(1)6.75 (3)5.0(4.7～5.1均可) 0.50(0.47～0.51均可) 【解析】(1)游標卡尺的讀數(shù)為6 mm＋0.05×15 mm＝6.75 mm。 (3)由勻變速直線運動規(guī)律有v2＝2ax，圖象的斜率k＝2a，所以a＝。根據(jù)圖象求得斜率k＝10.0 m/s2，所以物塊在桌面上運動的加速度大小a＝5.0 m/s2；根據(jù)牛頓第二定律有μmg＝ma，所以μ＝0.50。 7．【答案】(1)BD (2)0.88 (3)A 【解析】(1)由圖可知，小車的加速度是砝碼盤的加速度

23、大小的2倍，故A錯誤；小車相連的輕繩與長木板一定要平行，保證拉力沿著木板方向，故B正確；實驗過程中，砝碼向下加速運動，處于失重狀態(tài)，故彈簧測力計的讀數(shù)小于砝碼和砝碼盤總重力的一半，故C錯誤；由于小車的拉力等于彈簧測力計的示數(shù)F，不等于砝碼的重力，故不需要砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量應遠小于小車的質(zhì)量的條件，故D正確。 (2)相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔T＝5×0.02＝0.1s，則m/s2。 (3)由題意可知，小車的加速度a與彈簧測力計的示數(shù)F的關(guān)系應該是成正比，即為過原點的一條傾斜直線，故A符合。 8．【答案】(3) (4) a－m (5)3.0 1.0 【解析】(3)由很短時間內(nèi)的平均速度近似等于瞬時速度可知，；由勻變速直線運動的速度位移公式得： ，解得：。 (4)由牛頓第二定律得：，解得：，所以應作出a－m的圖象。 (5)圖象斜率為：，截距為：，聯(lián)立解得：mA＝3.0 kg，mB＝1.0 kg。 11