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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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
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)線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連(力傳感器可測得細(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?zhí)顚戇x項(xiàng)前對應(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)器讀出遮光條通過光電門B的時(shí)間t,若要得到滑塊的加速度,還需要測量的物理量是____________________________________________.
(4)為探究滑塊的加速度與力的關(guān)系,改變鉤碼質(zhì)量,測出對應(yīng)的力傳感器的示數(shù)F和遮光條通過光電門的時(shí)間t,通過描點(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(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木板水平放置,長木板上安裝兩個(gè)相距為d的光電門;放在長木板上的滑塊通過繞過定滑輪的細(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)長木板的傾角,輕推小車后,使小車能沿長木板向下做勻速運(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).造成圖線不過坐標(biāo)原點(diǎn)的最主要原因是________________________________,從該圖線延長線與橫軸的交點(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;拉力是直接通過力傳感器測量的,故與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小無關(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)器讀出遮光條通過光電門B的時(shí)間t,滑塊經(jīng)過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過光電門的平均速度.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;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)讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù),C對;為了多測幾組數(shù)據(jù),需改變砂和砂桶的質(zhì)量多做幾次實(shí)驗(yàn),D對.
(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.
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,測得的圖像與真實(shí)圖像相比沿F軸左移m0g,圖像將不過原點(diǎn).由圖像及上述分析可知,m0g=0.08 N.