2020-2021學年高三物理一輪復習考點專題14 實驗四 驗證牛頓運動定律

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1、2021年高考物理一輪復習考點 專題（14）實驗四 驗證牛頓運動定律（解析版） 考點一 　 題型1　對實驗原理和注意事項的考查 【典例1】　某實驗小組利用如圖(a)所示的裝置探究加速度與力、質量的關系． (1)下列做法正確的是________(填字母代號)． A．調節(jié)滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木板保持平行 B．在調節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上 C．實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源 D．通過增減木塊上的砝碼改變質量時，不需要重新調節(jié)木板傾斜度 (2)為使砝碼桶及桶內砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運動時受到的

2、拉力，應滿足的條件是砝碼桶及桶內砝碼的總質量________(填“遠大于”“遠小于”或“近似等于”)木塊和木塊上砝碼的總質量． (3)甲、乙兩同學在同一實驗室，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的關系，分別得到圖(b)中甲、乙兩條直線，設甲、乙用的木塊質量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動摩擦因數(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)遠小于　(3)小于　大于 【解析】(1)實驗中細繩要保持與長木板平行，

3、A項正確；平衡摩擦力時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項錯誤；實驗時應先接通電源再放開木塊，C項錯誤；平衡摩擦力后，改變木塊上的砝碼的質量后不再需要重新平衡摩擦力，D項正確． (2)只有當砝碼桶及桶內砝碼的總質量m遠小于木塊和木塊上砝碼的總質量M時，砝碼桶及桶內砝碼的總重力才近似等于木塊運動時受到的拉力． (3)不平衡摩擦力，則F－μmg＝ma，a＝－μg，圖象的斜率大的木塊的質量小，縱軸截距絕對值大的動摩擦因數(shù)大，因此m甲μ乙． 【提 分 筆 記】 (1)在本實驗中，必須平衡摩擦力，在平衡摩擦力時，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的紙帶運動． (2)改變小車的質量或拉力的大小時，改變量可適當大一些，但應滿足盤和重物的總質量遠小于小車和車上砝碼的總質量，盤和重物的總質量不超過小車和車上砝碼總質量的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系．圖中，置于實驗臺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．本實驗中可用的鉤碼共有N＝5個，每個質量均為0.010 kg.實驗步驟如下： 圖(a) (1)將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適

5、當厚度的小物塊，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)個鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個鉤碼仍留在小車內；用手按住小車并使輕繩與木板平行．釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制st圖象，經數(shù)據(jù)處理后可得到相應的加速度a. (3)對應于不同的n的a值見下表．n＝2時的st圖象如圖(b)所示；由圖(b)求出此時小車的加速度(保留2位有效數(shù)字)，將結果填入下表. 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)中補齊數(shù)據(jù)點，并作出an

6、圖象．從圖象可以看出：當物體質量一定時，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________(填入正確選項前的字母)． A．an圖線不再是直線 B．an圖線仍是直線，但該直線不過原點 C．an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)實驗中小車做勻加速直線運動，由于小車初速度為

7、零，結合勻變速直線運動規(guī)律有s＝at2，結合圖(b)得加速度a＝0.39 m/s2. (4)如圖所示． (5)由(4)知，當n＝4時，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有所變大，B、C項正確． 【提 分 筆 記】 利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實驗中常用的重要方法 在實驗中如果

8、發(fā)現(xiàn)一個量x與另一個量y成反比，那么，x就應與成正比．因為在處理數(shù)據(jù)時，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)的曲線轉化為正比例函數(shù)的直線進行處理 考點二 　 1．實驗方案的改進 (1)如圖，兩個小車，同時運動、同時停止，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系，通過增減小車中的砝碼探究加速度與質量的關系． (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，使系統(tǒng)總質量不變，探究加速度與力的關系．此方案不必保證小車質量遠大于小盤砝碼總質量． 2．實驗

9、器材的改進 (1)氣墊導軌：不用平衡摩擦力． (2)力傳感器或彈簧測力計：可直接測繩的拉力，不必保證小車質量遠大于小盤砝碼總質量． (3)速度傳感器、位移傳感器、光電門． 3．數(shù)據(jù)測量的改進 (1)光電門：a＝. (2)位移傳感器：a＝. (3)速度傳感器：a＝. 4．實驗的拓展延伸 以“探究加速度與力、質量的關系”為背景測量物塊與木板間的動摩擦因數(shù)． 【典例3】　(2018年全國卷Ⅱ)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)．跨過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

10、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．某次實驗所得數(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fm圖線． (3)f與m、木塊質量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之間的關系式為f＝________，fm圖線(直線)的斜率的表達式為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 ①描點要準確． ②連線盡可能通過更多的點，個別偏差大的點可舍去． ③在直線上選取間隔較大的兩個點求斜率． (2)計算動摩擦

12、因數(shù)：由于未給出木塊質量，所以用k＝＝μg計算． 【變式1】某同學用如圖甲所示的氣墊導軌裝置“探究加速度與力的關系”，圖中兩個光電門G1、G2之間的距離為x，它們與數(shù)字計時器相連，滑行器連同上面固定的條形擋光片的總質量為M，擋光片的寬度為d，牽引砝碼的質量為m.實驗前他先調節(jié)氣墊導軌下面的螺釘，使氣墊導軌水平．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間t1、t2，請回答下列問題： (1)該同學用游標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，為進行多次實驗，需改變m的值，下列不合適的一項是________

13、(填序號)． A．m1＝5 g　　　　　　　 B．m2＝15 g C．m3＝20 g D．m4＝400 g (3)寫出計算滑行器加速度大小的表達式________(用t1、t2、d、x表示)． 【答案】(1)1.24　(2)D　(3)a＝ 解析：(1)由圖乙游標卡尺可知，其示數(shù)為12 mm＋40.1 mm＝1.24 cm. (2)在實驗中，認為m的重力等于滑塊所受的合力，所以m的質量應遠小于M的質量，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間很短，所以可以認為擋光片通過光電門的瞬時速度等于擋光片通過光電門的平均速度，即滑塊經過光電門的速度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系時，同學們設計了如圖所示實驗裝置，M為滑塊的質量，m為沙桶和沙子的質量，輕滑輪不計摩擦，該實驗已經平衡摩擦力． (1)實驗中，一定要進行的操作是________． A．用天平測出m的大小 B．滑塊靠近打點計時器(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量，打出幾條紙帶 D．為減小誤差，要保證m遠遠小于M (2)以力傳感器的示數(shù)F為橫坐標，通過紙帶計算出的加速度為縱坐標，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A、D錯誤；滑塊靠近打點計時器，先接通電源，后釋放滑塊，選項B正確；改變沙桶和沙子質量，即改變拉力的大小，打出幾條紙帶，研究加速度隨F變化關系，選項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摩擦因數(shù)，實驗步驟如下： 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木塊右側與豎直墻壁之間連接著一個力傳感器(當力傳感器受水平壓力時，其示數(shù)為正值；當力傳感器受到水平拉

16、力時，其示數(shù)為負值)； ③一個可視為質點的滑塊從C點由靜止開始下滑，運動過程中，傳感器記錄到的力與時間的關系如圖乙所示(滑塊經過B時的速率不變)。 回答下列問題： (1)為了測出滑塊與“”形木塊的動摩擦因數(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)若已經由實驗得到(1)中所需要物理量，滑塊與“”形木塊間的動摩擦因數(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，應選B、C、D； (2)滑塊在斜面上時，由牛頓第二定律知F1+μmgcos2θ=mgcosθsinθ，滑塊在平面上時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、計算機)研究加速度和力的關系”的實驗裝置。 (1)在該實驗中必須采用控制變量法，應保持_________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，多次重復測量。在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a -F關系圖線(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.導軌保持了水平狀態(tài) C.所掛鉤碼的總質量太大 D.所用小車的質量太大 【答案】(1)小車的總質量　小車所受外力　(2)C 【解析】(1)探究加速度與力的關系，應保持小車的質量不變，用鉤碼所受的重力作為小車受到的合外力；(2)本實驗要探索“加速度和力的關系”所以應保持小車的總質量不變，鉤碼所受的重力作為小車所受合外力；由于OA段a -F關系為一傾斜的直線，所以在質量不變的條件下，加速度與外力成正比；設小車的質量為M，鉤碼的質量為m，由實驗原理得： mg=Ma得a=mgM=FM，而實際上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】某實驗小組利用拉力傳感器和打點計時器“探究加速度與力的關系”。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，按照甲圖進行實驗，釋放紙帶時，小車處于甲圖所示的位置。 (1)指出甲圖中的一處錯誤：　__________。 (2)下列說法正確的是 (　　) A.實驗之前，要先平衡摩擦力 B.小車的質量要遠小于所掛鉤碼的質量 C.應調節(jié)滑輪的高度使細線與木板平行 D.實驗時應先釋放紙帶，再接通電源 (3)圖乙是實驗中獲得的一條紙帶的某部分，選取A、B、C、D、E計數(shù)點(每兩個計數(shù)點間還有4個點未畫出)，AC間的距離為_________。

20、 (4)若打點計時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)打點計時器的電源接了直流電；小車釋放時離打點計時器太遠；實驗前未平衡摩擦阻力(任選一個)　(2)A、C　(3)3.10 cm(3.09 cm、3.11 cm均正確) (4)0.98 【解析】(1)打點計時器的電源應接交流電，而圖中接了直流電；小車釋放時未靠近打點計時器；實驗前未平衡摩擦力。 (2)為使合力等于繩子的拉力，實驗前需要平衡摩擦力且應調節(jié)滑輪的高度使細線與木板平行，故A、C正確； 在鉤碼的質量遠小于小車的質量時，小車受到的拉力近似等于鉤碼受到的重力，故B錯誤；實驗時應先接通電源，然后再釋放小車，故D錯誤；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。