高考物理一輪復(fù)習(xí) 第三章 微專題24 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

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實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律 1．考點(diǎn)及要求：(1)實(shí)驗(yàn)原理與操作；(2)數(shù)據(jù)處理與誤差分析.2.方法與技巧：(1)控制變量法；(2)圖像法． 1．(實(shí)驗(yàn)原理與操作)如圖1所示是某同學(xué)探究加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置．他在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個(gè)光電門B，在滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連(力傳感器可測(cè)得細(xì)線上的拉力大小)，力傳感器下方懸掛鉤碼，每次滑塊都從A處由靜止釋放． 圖1 (1)該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光條的寬度d，如圖2所示，則d＝________mm. 圖2 (2)下列不必要的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求是________．(請(qǐng)?zhí)顚戇x項(xiàng)前對(duì)應(yīng)的字母) A．應(yīng)使A位置與光電門間的距離適當(dāng)大些 B．應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平 C．應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行 D．應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量 (3)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從A位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過(guò)光電門B的時(shí)間t，若要得到滑塊的加速度，還需要測(cè)量的物理量是____________________________________________． (4)為探究滑塊的加速度與力的關(guān)系，改變鉤碼質(zhì)量，測(cè)出對(duì)應(yīng)的力傳感器的示數(shù)F和遮光條通過(guò)光電門的時(shí)間t，通過(guò)描點(diǎn)要作出它們的線性關(guān)系圖像，處理數(shù)據(jù)時(shí)縱軸為F，橫軸應(yīng)為________． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．t B．t2 C. D. 2．(數(shù)據(jù)處理)用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)． 圖3 小車放在木板上，小車前端系一條細(xì)繩，繩的一端跨過(guò)定滑輪掛一個(gè)小盤，盤中可放重物，在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為小盤和重物所受的重力等于小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的拉力． (1)實(shí)驗(yàn)中把木板一側(cè)墊高的目的是__________________________________________，為達(dá)到上述目的需調(diào)節(jié)木板傾斜度，使小車在不受牽引時(shí)能拖動(dòng)紙帶沿木板做________________________________運(yùn)動(dòng)． (2)在探究加速度與力的關(guān)系時(shí)，圖4為某次實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率為50 Hz，則加速度a＝________ m/s2. 圖4 (3)在探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，某同學(xué)把實(shí)驗(yàn)得到的幾組數(shù)據(jù)描點(diǎn)并畫出如圖5所示曲線．為了更直觀描述物體的加速度跟其質(zhì)量的關(guān)系，請(qǐng)你根據(jù)圖中數(shù)據(jù)在圖6中建立合理坐標(biāo)，并描點(diǎn)畫線． 圖5 圖6 3．(創(chuàng)新實(shí)驗(yàn))為了探究質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系，一同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖7所示的實(shí)驗(yàn)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(jì)) 圖7 (1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要進(jìn)行的操作是________． A．用天平測(cè)出砂和砂桶的質(zhì)量 B．將帶滑輪的長(zhǎng)木板右端墊高，以平衡摩擦力 C．小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時(shí)記錄彈簧測(cè)力計(jì)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(shí)驗(yàn)中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M (2)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中得到如圖8所示的一條紙帶(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有兩個(gè)點(diǎn)沒(méi)有畫出)，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)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________m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)． 圖8 (3)以彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，加速度為縱坐標(biāo)，畫出的a－F圖像是一條直線，如圖9所示，圖線與橫坐標(biāo)的夾角為θ，求得圖線的斜率為k，則小車的質(zhì)量為(　　) 圖9 A．2tan θ B. C．k D. 4．為了探究加速度與力的關(guān)系，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖10所示的實(shí)驗(yàn)裝置，一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板水平放置，長(zhǎng)木板上安裝兩個(gè)相距為d的光電門；放在長(zhǎng)木板上的滑塊通過(guò)繞過(guò)定滑輪的細(xì)線與力傳感器相連，力傳感器下掛一重物．拉滑塊的細(xì)線的拉力大小F等于力傳感器的示數(shù)．讓滑塊從光電門1處由靜止釋放，運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間t后，經(jīng)過(guò)光電門2.改變重物質(zhì)量，重復(fù)以上操作，得到下表中的5組數(shù)據(jù). 圖10 次數(shù) a/(ms－2) F/N 1 1.0 0.76 2 2.0 0.99 3 3.0 1.23 4 4.0 1.50 5 5.0 1.76 (1)若測(cè)得兩光電門之間距離d＝0.5 m，運(yùn)動(dòng)時(shí)間t＝0.5 s，則滑塊的加速度a＝________m/s2. (2)依據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖11中畫出a－F圖像． 圖11 (3)根據(jù)圖像可得滑塊的質(zhì)量m＝________kg，滑塊和長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝________(取g＝10 m/s2)． 5．某實(shí)驗(yàn)小組在“探究加速度與物體受力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)出如下的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示．已知小車質(zhì)量M＝214.6 g，砝碼盤質(zhì)量m0＝7.8 g，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所使用的交流電頻率f＝50 Hz.其實(shí)驗(yàn)步驟是： 圖12 A．按圖中所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置； B．調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長(zhǎng)木板向下做勻速運(yùn)動(dòng)； C．取下細(xì)繩和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m； D．將小車置于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器旁，先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a； E．重新掛上細(xì)繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)B—D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度． 回答下列問(wèn)題： (1)按上述方案做實(shí)驗(yàn)，是否要求砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？________(填“是”或“否”)． (2)實(shí)驗(yàn)中打出的其中一條紙帶如圖13所示，由該紙帶可求得小車的加速度a＝________m/s2. 圖13 (3)某同學(xué)將有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)填入他所設(shè)計(jì)的表格中，如下表： 次數(shù) 1 2 3 4 5 砝碼盤中砝碼的重力F/N 0.10 0.20 0.29 0.39 0.49 小車的加速度a/(ms－2) 0.88 1.44 1.84 2.38 2.89 他根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出a－F圖像(如圖14)．造成圖線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的最主要原因是________________________________，從該圖線延長(zhǎng)線與橫軸的交點(diǎn)可求出的物理量是__________________，其大小為________． 圖14 答案解析 1．(1)2.25　(2)D　(3)滑塊在A位置時(shí)遮光條到光電門的距離　(4)D 解析　(1)游標(biāo)卡尺讀數(shù)等于固定刻度讀數(shù)加上可動(dòng)刻度讀數(shù)，由題圖知第5條刻度線與主尺對(duì)齊，d＝2 mm＋50.05 mm＝2.25 mm. (2)應(yīng)使A位置與光電門間的距離適當(dāng)大些，有利于減小誤差，選項(xiàng)A正確；應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，且保持細(xì)線方向與木板平面平行，此時(shí)細(xì)線上的拉力等于合力，選項(xiàng)B、C正確；拉力是直接通過(guò)力傳感器測(cè)量的，故與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小無(wú)關(guān)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．故選D. (3)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從A位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過(guò)光電門B的時(shí)間t，滑塊經(jīng)過(guò)光電門時(shí)的瞬時(shí)速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過(guò)光電門的平均速度．根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知，若要得到滑塊的加速度，還需要測(cè)量的物理量是滑塊在A位置時(shí)遮光條到光電門的距離L. (4)由題意可知，該實(shí)驗(yàn)中保持小車質(zhì)量M不變，因此有v2＝2aL，v＝，a＝則＝2L.所以研究滑塊的加速度與力的關(guān)系，處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)作出F－圖像，選項(xiàng)D正確． 2．(1)平衡打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)小車的阻力及其他阻力(答“平衡阻力”等也正確)　勻速直線　(2)0.79　(3)如圖所示 解析　(1)實(shí)驗(yàn)中將木板的一端墊高是為了使小車受到的重力的分力等于摩擦阻力，以使繩子的另一端不掛小盤時(shí)，小車受到的合力等于0，這樣小車拖著紙帶就可以做勻速直線運(yùn)動(dòng)了． (2)由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移特點(diǎn)可得2.63 cm－1.05 cm＝2aT2，T＝代入解得a＝0.79 m/s2. (3)加速度與質(zhì)量的關(guān)系曲線是雙曲線的一支，沒(méi)法確定加速度與質(zhì)量的具體關(guān)系，加速度與質(zhì)量成反比，故加速度與質(zhì)量的倒數(shù)成正比，因此應(yīng)作加速度與質(zhì)量倒數(shù)的關(guān)系圖線． 3．(1)BCD　(2)1.3　(3)D 解析　(1)由實(shí)驗(yàn)原理圖可以看出，由彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)可得到小車所受的合外力的大小，故不需要測(cè)砂和砂桶的質(zhì)量，也不需要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M，A、E錯(cuò)；為保證繩上拉力提供合外力，必須平衡摩擦力，B對(duì)；小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放小車，同時(shí)讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，C對(duì)；為了多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，需改變砂和砂桶的質(zhì)量多做幾次實(shí)驗(yàn)，D對(duì)． (2)由逐差法可得：小車的加速度 a＝， 將T＝3 s＝0.06 s，代入可得a≈1.3 m/s2 (3)由題圖結(jié)合牛頓第二定律，有 2F＝Ma， 得a＝F 則圖像斜率k＝，得小車的質(zhì)量M＝，故A、B、C錯(cuò)，D對(duì)． 4．(1)4.0　(2)見解析圖　(3)0.25　0.2 解析　(1)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式d＝at2得， a＝＝ m/s2＝4.0 m/s2. (2)如圖所示 (3)根據(jù)F－μmg＝ma得a＝－μg，所以滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度a和所受拉力F的關(guān)系圖像的斜率等于滑塊質(zhì)量的倒數(shù)． 由圖像得加速度a和所受拉力F的關(guān)系圖像的斜率k＝4，所以滑塊的質(zhì)量m＝0.25 kg. 由圖像得，當(dāng)F＝0.5 N時(shí)，滑塊剛要開始滑動(dòng)，所以滑塊與軌道間的最大靜摩擦力等于0.5 N. 而最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力， 即μmg＝0.5 N， 解得μ＝0.2. 5．(1)否　(2)0.88　(3)在計(jì)算小車所受的合外力時(shí)未計(jì)入砝碼盤的重力(只要涉及“未考慮砝碼質(zhì)量的因素”就算正確)　砝碼盤的重力　0.08 N 解析　(1)取下砝碼盤后，小車加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的合外力即為砝碼和砝碼盤的總重力，而實(shí)驗(yàn)中的研究對(duì)象是小車，因此，實(shí)驗(yàn)中不必使砝碼及砝碼盤的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量． (2)a＝10－2 m/s2＝0.88 m/s2 (3)實(shí)驗(yàn)中本應(yīng)有(m0＋m)g＝Ma，由于實(shí)驗(yàn)中未計(jì)入砝碼盤的質(zhì)量m0，測(cè)得的圖像與真實(shí)圖像相比沿F軸左移m0g，圖像將不過(guò)原點(diǎn)．由圖像及上述分析可知，m0g＝0.08 N.