2018届高考物理训练-实验4 验证牛顿运动定律（含解析）

实验四1．(双选)在利用打点计时器和小车做“验证牛顿运动定律”的实验时，下列说法中正确的是()A．平衡摩擦力时，应将砝码盘及盘内砝码通过定滑轮拴在小车上B．连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板保持平行C．平衡摩擦力后，长木板的位置不能移动D．小车释放前应靠近打点计时器，且应先释放小车再接通电源【解析】本题考查实验过程中应注意的事项，选项A中平衡摩擦力时，不能将砝码盘及盘内砝码(或小桶)通过细绳栓在小车上，A错；选项B、C符合正确的操作方法，B、C对；选项D中应选接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放小车，D错．【答案】BC2．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，在研究加速度a与小车的质量M的关系时，由于没有注意始终满足M≫m的条件，结果得到的图象应是图中的()【解析】小车加速度a＝mgM＋m，实验时若保持小车质量不变，横轴为1M＋m，则a­1M＋m图象必为过原点的直线．当满足M≫m时，m可忽略，a≈mgM，a­1M图象还可以满足图象是过原点的直线．当小车质量较小，不满足M≫m时，图象会向下弯曲，故D正确．【答案】D图3－4－53．(2010·山东高考)某同学设计了如图3－4－5所示的装置来探究加速度与力的关系．弹簧秤固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧秤的挂钩和矿泉水瓶连接．在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d.开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧秤的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小．再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧秤的示数F1，然后释放木板，并用秒表记下木板运动到PQ处的时间t.(1)木板的加速度可以用d、t表示为a＝__________；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是(一种即可)________．(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧秤示数F1的关系．下列图象能表示该同学实验结果的是________．(3)(双选)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是________．a．可以改变滑动摩擦力的大小b．可以更方便地获取多组实验数据c．可以比较精确地测出摩擦力的大小d．可以获得更大的加速度以提高实验精度【解析】(1)木板在绳子拉力的作用下做初速度为零的匀加速直线运动，由d＝12at2可知：a＝2dt2.为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是保持F1不变，重复实验多次测量d、t，取平均值．(2)该实验原理与教材实验原理类似，同样需要满足木板的质量M远大于矿泉水瓶的质量m，此时可认为绳上的拉力FT近似等于弹簧秤示数F1.本实验中没有平衡摩擦力，但通过题意可知木板受到的摩擦力为F0，木板受到的合外力为(F1－F0)图象反映的是a与F1的关系，而不是a与(F1－F0)的关系，所以图象不过原点．当F1增大时，即矿泉水瓶的质量m增大时，实验的前提条件不再满足，此时a越大，绳上的拉力FT就越小于弹簧秤示数F1，加速度增加得就越慢，图线向下弯曲，c正确．(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是可以更方便地获取多组实验数据和比较精确地测出摩擦力的大小，b、c说法是正确的．两种实验方法都不能改变滑动摩擦力的大小，a错误；通过(2)中分析可以知道当加速度增大时，实验条件便不再满足，此时实验误差变大，d说法错误．【答案】(1)2d/t2保持F1不变，重复实验多次测量，求平均值(2)c(3)b、c4．现要验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律．给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面(如图3－4－6)、小车、计时器一个、米尺．图3－4－6(1)填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响)：①让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑到斜面底端A2，记下所用的时间t.②用米尺测量A1与A2之间的距离s，则小车的加速度a＝________.③用米尺测量A1相对于A2的高度h.设小车所受重力为mg，则小车所受的合外力F＝________.④改变________，重复上述测量．⑤以h为横坐标，1/t2为纵坐标，根据实验数据作图．如能得到一条过原点的直线，则可以验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律．(2)在“验证牛顿第二定律”的实验中，实验装置如图3－4－7甲所示，有一位同学通过实验测量作出了图乙中的A图线．试分析图3－4－7①A图线不通过坐标原点的原因是________________________________；②A图线上部弯曲的原因是______________________________________．【解析】(1)②由s＝12at2得：a＝2st2；③小车在斜面上受重力和支持力作用，其合力F＝mgsinα＝mghs；④改变小车所受外力来研究加速度与力的关系，改变受力又是通过改变斜面倾角或斜面高度h来实现的．(2)①没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够；②未满足拉车的钩码质量远小于小车质量．【答案】(1)②2st2③mghs④斜面倾角(或h的数值)(2)①没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够②未满足钩码质量远小于小车质量5．某同学设计了如图3－4－8所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块，托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数μ.滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m′，托盘和盘中砝码的总质量为m.实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，重力加速度g取10m/s2.图3－4－8(1)为测量滑块的加速度a，须测出它在A、B间运动的________与________，计算a的运动学公式是________；(2)根据牛顿运动定律得到a与m的关系为：a＝1＋μgM＋m′＋mm－μg他想通过多次改变m，测出相应的a值，并利用上式来计算μ.若要求a是m的一次函数，必须使上式中的________保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于________；(3)实验得到a与m的关系图3－4－9所示，由此可知μ＝________(取两位有效数字)．图3－4－9【解析】(1)滑块从A到B做匀加速直线运动，故s＝12at2，即a＝2st2，需测位移s和时间t，计算a的运动学公式是a＝2st2.(2)由数学知识知若a是m的一次函数，必须满足1＋μgM＋m′＋m不变，即(m′＋m)不变，方法就是将从托盘中取出的砝码置于滑块上，以保证m′＋m保持不变．(3)从图象中取两点的坐标值代入a与m的关系式联立方程求解，可得μ.如0.35＝1＋μgM＋m′＋m×67×10－3－μg0.23＝1＋μgM＋m′＋m×64×10－3－μg解得μ≈0.23.【答案】(1)位移s时间ta＝2st2(2)m′＋m滑块上(3)0.23(在0.21～0.25之间均可)6．用如图3－4－10所示的实验装置可以探究加速度与力、质量的关系．小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子，小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子)记为M，沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子)记为m.图3－4－10(1)验证“在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比”．从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打点纸带中计算得到．多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度．以合外力F为横轴、加速度a为纵轴画出a－F图象，图象是一条过原点的直线．①a－F图象斜率的物理意义是__________________．②你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理？答：________(填“合理”或“不合理”)．(2)验证“在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比”．本次实验中，保持桶内的沙子质量不变，故系统所受的合外力不变．用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，以______为横轴，才能保证图象是一条过原点的直线．【解析】(1)本题是对教材中已有的“验证牛顿第二定律实验”方案的创新．本题中“从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中”说明小车的质量是变化的，而此项操作是要求验证“在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比”，显然研究对象不再是小车，仔细审题后不难发现，研究对象应该是小车与沙桶所组成的系统，是系统的总质量(m＋M)保持不变．a－F图象的斜率表示1m＋M，故把沙桶的总重力mg当作(系统所受的)合外力F是合理的．(2)此项操作中明确说明了“系统所受的合外力不变”，因此，应以系统总质量的倒数即1m＋M为横轴，以加速度a为纵轴，画出a­1m＋M图象，图象才是一条过原点的直线．【答案】(1)①1m＋M；②合理(2)1m＋M