2020-2021學(xué)年高三物理一輪復(fù)習(xí)考點(diǎn)專題14 實(shí)驗(yàn)四 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

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1、2021年高考物理一輪復(fù)習(xí)考點(diǎn) 專題（14）實(shí)驗(yàn)四 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律（解析版） 考點(diǎn)一 　 題型1　對實(shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)的考查 【典例1】　某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖(a)所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系． (1)下列做法正確的是________(填字母代號(hào))． A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行 B．在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動(dòng)摩擦力時(shí)，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上 C．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 D．通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí)，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度 (2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的

2、拉力，應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量________(填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量． (3)甲、乙兩同學(xué)在同一實(shí)驗(yàn)室，各取一套圖(a)的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關(guān)系，分別得到圖(b)中甲、乙兩條直線，設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙，由圖(b)可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙．(均填“大于”“小于”或“等于”) 【答案】(1)AD　(2)遠(yuǎn)小于　(3)小于　大于 【解析】(1)實(shí)驗(yàn)中細(xì)繩要保持與長木板平行，

3、A項(xiàng)正確；平衡摩擦力時(shí)不能將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上，這樣無法平衡摩擦力，B項(xiàng)錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源再放開木塊，C項(xiàng)錯(cuò)誤；平衡摩擦力后，改變木塊上的砝碼的質(zhì)量后不再需要重新平衡摩擦力，D項(xiàng)正確． (2)只有當(dāng)砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量M時(shí)，砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力才近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力． (3)不平衡摩擦力，則F－μmg＝ma，a＝－μg，圖象的斜率大的木塊的質(zhì)量小，縱軸截距絕對值大的動(dòng)摩擦因數(shù)大，因此m甲μ乙． 【提 分 筆 記】 (1)在本實(shí)驗(yàn)中，必須平衡摩擦力，在平衡摩擦力時(shí)，不要把盤和重物系在小車上，即不要給小車

4、加任何牽引力，并要讓小車拖著打點(diǎn)的紙帶運(yùn)動(dòng)． (2)改變小車的質(zhì)量或拉力的大小時(shí)，改變量可適當(dāng)大一些，但應(yīng)滿足盤和重物的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量，盤和重物的總質(zhì)量不超過小車和車上砝碼總質(zhì)量的10%. 題型2　對數(shù)據(jù)處理和誤差的考查 【典例2】 某物理課外小組利用圖(a)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系．圖中，置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼．本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N＝5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010 kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下： 圖(a) (1)將5個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適

5、當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑． (2)將n(依次取n＝1,2,3,4,5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個(gè)鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行．釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對于其起始位置的位移s，繪制st圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a. (3)對應(yīng)于不同的n的a值見下表．n＝2時(shí)的st圖象如圖(b)所示；由圖(b)求出此時(shí)小車的加速度(保留2位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表. n 1 2 3 4 5 a/(ms－2) 0.20 0.58 0.78 1.00 (4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(c)中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出an

6、圖象．從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí)，物體的加速度與其所受的合外力成正比． (5)利用an圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為________kg(保留2位有效數(shù)字，重力加速度取g＝9.8 m/s2)． (6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是________(填入正確選項(xiàng)前的字母)． A．a(chǎn)n圖線不再是直線 B．a(chǎn)n圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn) C．a(chǎn)n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大 【答案】(3)0.39(0.37～0.41均可)(4)圖見解析(5)0.45(0.43～0.47均可)　(6)BC 【解析】(3)實(shí)驗(yàn)中小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由于小車初速度為

7、零，結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律有s＝at2，結(jié)合圖(b)得加速度a＝0.39 m/s2. (4)如圖所示． (5)由(4)知，當(dāng)n＝4時(shí)，加速為0.78 m/s2，由牛頓第二定律可知：40.019.8＝(M＋50.01)0.78，解得M＝0.45 kg. (6)若未平衡摩擦力，則下端所掛鉤碼的總重力與小車所受摩擦力的合力提供小車和5個(gè)鉤碼的加速度，即nm0g－μ[M＋(N－n)m0]g＝(M＋Nm0)a，解得a＝n－μg，可見圖線截距不為零，其圖線仍是直線，圖線斜率相對平衡摩擦力時(shí)有所變大，B、C項(xiàng)正確． 【提 分 筆 記】 利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)中常用的重要方法 在實(shí)驗(yàn)中如果

8、發(fā)現(xiàn)一個(gè)量x與另一個(gè)量y成反比，那么，x就應(yīng)與成正比．因?yàn)樵谔幚頂?shù)據(jù)時(shí)，判斷一條圖線是否為正比例函數(shù)圖象比判斷其是否為反比例函數(shù)圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)的直線進(jìn)行處理 考點(diǎn)二 　 1．實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn) (1)如圖，兩個(gè)小車，同時(shí)運(yùn)動(dòng)、同時(shí)停止，位移之比等于加速度之比．可以通過增減小盤中砝碼探究加速度與力的關(guān)系，通過增減小車中的砝碼探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系． (2)將小車與小盤、砝碼看做整體，小盤和砝碼的重力即系統(tǒng)所受合力，通過小盤中和小車中砝碼的變動(dòng)，使系統(tǒng)總質(zhì)量不變，探究加速度與力的關(guān)系．此方案不必保證小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤砝碼總質(zhì)量． 2．實(shí)驗(yàn)

9、器材的改進(jìn) (1)氣墊導(dǎo)軌：不用平衡摩擦力． (2)力傳感器或彈簧測力計(jì)：可直接測繩的拉力，不必保證小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤砝碼總質(zhì)量． (3)速度傳感器、位移傳感器、光電門． 3．?dāng)?shù)據(jù)測量的改進(jìn) (1)光電門：a＝. (2)位移傳感器：a＝. (3)速度傳感器：a＝. 4．實(shí)驗(yàn)的拓展延伸 以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為背景測量物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)． 【典例3】　(2018年全國卷Ⅱ)某同學(xué)用圖(a)所示的裝置測量木塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)．跨過光滑定滑輪的細(xì)線兩端分別與木塊和彈簧秤相連，滑輪和木塊間的細(xì)線保持水平，在木塊上方放置砝碼．緩慢向左拉動(dòng)水平放置的木板，當(dāng)木塊和

10、砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，彈簧秤的示數(shù)即為木塊受到的滑動(dòng)摩擦力的大?。炒螌?shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)在下表中給出，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(dòng)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(biāo)紙上補(bǔ)齊未畫出的數(shù)據(jù)點(diǎn)并繪出fm圖線． (3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f＝________，fm圖線(直線)的斜率的表達(dá)式為k＝_______

11、_. (4)取g＝9.80 m/s2，由繪出的fm圖線求得μ＝____________.(保留2位有效數(shù)字) 【答案】(1)2.75　(2)如圖所示　(3)μ(M＋m)g　μg　(4)0.40 【解析】(1)由圖(b)可讀出彈簧秤的示數(shù)f4＝2.75 N. (2)fm圖線如答案圖所示． (3)摩擦力表達(dá)式f＝μ(M＋m)g，其斜率k＝μg. (4)圖線的斜率k＝＝＝3.9 N/kg，解得μ＝0.40. 【提 分 筆 記】 (1)求斜率的注意事項(xiàng) ①描點(diǎn)要準(zhǔn)確． ②連線盡可能通過更多的點(diǎn)，個(gè)別偏差大的點(diǎn)可舍去． ③在直線上選取間隔較大的兩個(gè)點(diǎn)求斜率． (2)計(jì)算動(dòng)摩擦

12、因數(shù)：由于未給出木塊質(zhì)量，所以用k＝＝μg計(jì)算． 【變式1】某同學(xué)用如圖甲所示的氣墊導(dǎo)軌裝置“探究加速度與力的關(guān)系”，圖中兩個(gè)光電門G1、G2之間的距離為x，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連，滑行器連同上面固定的條形擋光片的總質(zhì)量為M，擋光片的寬度為d，牽引砝碼的質(zhì)量為m.實(shí)驗(yàn)前他先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)軌水平．充氣后讓滑行器先后通過光電門G1、G2，并記錄下?lián)豕馄膿豕鈺r(shí)間t1、t2，請回答下列問題： (1)該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量擋光片的寬度如圖乙所示，則擋光片的寬度d＝________ cm. (2)若M＝0.4 kg，為進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，需改變m的值，下列不合適的一項(xiàng)是________

13、(填序號(hào))． A．m1＝5 g　　　　　　　 B．m2＝15 g C．m3＝20 g D．m4＝400 g (3)寫出計(jì)算滑行器加速度大小的表達(dá)式________(用t1、t2、d、x表示)． 【答案】(1)1.24　(2)D　(3)a＝ 解析：(1)由圖乙游標(biāo)卡尺可知，其示數(shù)為12 mm＋40.1 mm＝1.24 cm. (2)在實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為m的重力等于滑塊所受的合力，所以m的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于M的質(zhì)量，M＝0.4 kg＝400 g，所以D不合適． (3)由于擋光片通過光電門的時(shí)間很短，所以可以認(rèn)為擋光片通過光電門的瞬時(shí)速度等于擋光片通過光電門的平均速度，即滑塊經(jīng)過光電門的速度v1＝

14、，v2＝，根據(jù)位移速度公式2ax＝v－v，整理得a＝. 【變式2】在研究加速度和力的關(guān)系時(shí)，同學(xué)們設(shè)計(jì)了如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，M為滑塊的質(zhì)量，m為沙桶和沙子的質(zhì)量，輕滑輪不計(jì)摩擦，該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)平衡摩擦力． (1)實(shí)驗(yàn)中，一定要進(jìn)行的操作是________． A．用天平測出m的大小 B．滑塊靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)，先接通電源，后釋放滑塊 C．改變沙桶和沙子的質(zhì)量，打出幾條紙帶 D．為減小誤差，要保證m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M (2)以力傳感器的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，通過紙帶計(jì)算出的加速度為縱坐標(biāo)，畫出的aF圖象是一條直線，求得圖線的斜率為k，則滑塊的質(zhì)量M＝________. 【答案】(1)BC

15、　(2) 解析：(1)本題拉力通過力傳感器測出，不需要用天平測出m的大小，也就不需要保證m?M，選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤；滑塊靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，后釋放滑塊，選項(xiàng)B正確；改變沙桶和沙子質(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，選項(xiàng)C正確． (2)由牛頓第二定律得2F＝Ma，解得a＝F，則k＝，所以滑塊質(zhì)量M＝. 【變式3】某物理興趣小組利用如圖甲所示的裝置來測量物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)，實(shí)驗(yàn)步驟如下： ①把“”形木塊放在光滑水平面上，木塊表面AB、BC粗糙程度相同； ②木塊右側(cè)與豎直墻壁之間連接著一個(gè)力傳感器(當(dāng)力傳感器受水平壓力時(shí)，其示數(shù)為正值；當(dāng)力傳感器受到水平拉

16、力時(shí)，其示數(shù)為負(fù)值)； ③一個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的滑塊從C點(diǎn)由靜止開始下滑，運(yùn)動(dòng)過程中，傳感器記錄到的力與時(shí)間的關(guān)系如圖乙所示(滑塊經(jīng)過B時(shí)的速率不變)。 回答下列問題： (1)為了測出滑塊與“”形木塊的動(dòng)摩擦因數(shù)，需要測量或已知哪些物理量_________； A.BC的長度　　　　 B.斜面BC的傾角θ C.圖乙中F1的大小 D.圖乙中F2的大小 E.AB的長度 (2)若已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)得到(1)中所需要物理量，滑塊與“”形木塊間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=_________。 【答案】(1)B、C、D　(2) 【解析】(1)為了測量出滑塊與“”形木塊的動(dòng)摩擦因數(shù)，需要測量或已知的物理量是斜面BC

17、的傾角θ、圖乙中F1的大小、圖乙中F2的大小，綜上可知，應(yīng)選B、C、D； (2)滑塊在斜面上時(shí)，由牛頓第二定律知F1+μmgcos2θ=mgcosθsinθ，滑塊在平面上時(shí)F2=μmg， 解得μ=。 【變式4】如圖為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī))研究加速度和力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。 (1)在該實(shí)驗(yàn)中必須采用控制變量法，應(yīng)保持_________不變，用鉤碼所受的重力作為___________，用DIS測小車的加速度。 (2)改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復(fù)測量。在某次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a -F關(guān)系圖線(如圖所示)。此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原

18、因是 (　　) A.小車與軌道之間存在摩擦 B.導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài) C.所掛鉤碼的總質(zhì)量太大 D.所用小車的質(zhì)量太大 【答案】(1)小車的總質(zhì)量　小車所受外力　(2)C 【解析】(1)探究加速度與力的關(guān)系，應(yīng)保持小車的質(zhì)量不變，用鉤碼所受的重力作為小車受到的合外力；(2)本實(shí)驗(yàn)要探索“加速度和力的關(guān)系”所以應(yīng)保持小車的總質(zhì)量不變，鉤碼所受的重力作為小車所受合外力；由于OA段a -F關(guān)系為一傾斜的直線，所以在質(zhì)量不變的條件下，加速度與外力成正比；設(shè)小車的質(zhì)量為M，鉤碼的質(zhì)量為m，由實(shí)驗(yàn)原理得： mg=Ma得a=mgM=FM，而實(shí)際上a′=mgM+m，可見AB段明顯偏離直線是由于

19、沒有滿足M?m造成的。 【變式5】某實(shí)驗(yàn)小組利用拉力傳感器和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器“探究加速度與力的關(guān)系”。他們將拉力傳感器固定在小車上記錄小車受到拉力的大小，按照甲圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，釋放紙帶時(shí)，小車處于甲圖所示的位置。 (1)指出甲圖中的一處錯(cuò)誤：　__________。 (2)下列說法正確的是 (　　) A.實(shí)驗(yàn)之前，要先平衡摩擦力 B.小車的質(zhì)量要遠(yuǎn)小于所掛鉤碼的質(zhì)量 C.應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪的高度使細(xì)線與木板平行 D.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先釋放紙帶，再接通電源 (3)圖乙是實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶的某部分，選取A、B、C、D、E計(jì)數(shù)點(diǎn)(每兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出)，AC間的距離為_________。

20、 (4)若打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率為50 Hz，則小車的加速度大小為___________m/s2。(保留兩位有效數(shù)字) 【答案】(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源接了直流電；小車釋放時(shí)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn)；實(shí)驗(yàn)前未平衡摩擦阻力(任選一個(gè))　(2)A、C　(3)3.10 cm(3.09 cm、3.11 cm均正確) (4)0.98 【解析】(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源應(yīng)接交流電，而圖中接了直流電；小車釋放時(shí)未靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；實(shí)驗(yàn)前未平衡摩擦力。 (2)為使合力等于繩子的拉力，實(shí)驗(yàn)前需要平衡摩擦力且應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪的高度使細(xì)線與木板平行，故A、C正確； 在鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時(shí)，小車受到的拉力近似等于鉤碼受到的重力，故B錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源，然后再釋放小車，故D錯(cuò)誤；故選A、C。 (3)由圖讀出AC的距離x=3.10 cm。 (4)根據(jù)作差法得： a==xCE-xAC4T2 =0.0700-0.031 00.04 m/s2≈0.98 m/s2。