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2019-2020年高考物理大一輪復習 第三章 牛頓運動定律 第4講 實驗四 驗證牛頓運動定律 1．某研究性學習小組用如圖1所示的裝置探究牛頓第二定律． 該小組在實驗中確定的研究對象是小車，而且認為細線對小車的拉力等于砂桶和砂的總重力，也是小車所受的合外力．則對該實驗，以下說法中不正確的是________． 圖1 A．在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一木塊，反復移動木塊的位置，直到小車在砂桶和砂的拉動下帶動紙帶做勻速直線運動，以平衡小車運動中受到的摩擦力 B．實驗中必須使砂桶和砂的總質量遠小于小車的質量 C．細線對小車的真實拉力一定略小于砂桶和砂的總重力 D．該實驗是應用“控制變量法”來探究牛頓第二定律的 解析　把長木板一端墊高是為了平衡摩擦力，但不能在砂桶的拉力下做勻速運動，而應該在不掛砂桶的情況下，拖動紙帶做勻速運動． 答案　A 2．如圖2所示，一端帶有定滑輪的長木板上固定有甲、乙兩個光電門，與之相連的計時器可以顯示帶有遮光片的小車在其間的運動時間，與跨過定滑輪的輕質細繩相連的輕質測力計能顯示掛鉤處所受的拉力．不計空氣阻力及一切摩擦． 圖2 (1)在探究“合外力一定時，加速度與質量的關系”時，要使測力計的示數(shù)等于小車所受合外力，操作中必須滿足________________；要使小車所受合外力一定，操作中必須滿足________________________． 實驗時，先測出小車質量m，再讓小車從靠近光電門甲處由靜止開始運動，讀出小車在兩光電門之間的運動時間t.改變小車質量m，測得多組m、t的值，建立坐標系描點作出圖線．下列能直觀得出“合外力一定時，加速度與質量成反比”的圖線是________． (2)如圖3抬高長木板的左端，使小車從靠近光電門乙處由靜止開始運動，讀出測力計的示數(shù)F和小車在兩光電門之間的運動時間t0，改變木板傾角，測得多組數(shù)據(jù)，得到的F－的圖線如圖4所示． 圖3　　　　　　　圖4 實驗中測得兩光電門的距離L＝0.80 m，砂和砂桶的總質量m1＝0.34 kg，重力加速度g取9.8 m/s2，則圖線的斜率為________(結果保留兩位有效數(shù)字)；若小車與長木板間的摩擦不能忽略，測得的圖線斜率將________(填“變大”、“變小”或“不變”)． 答案　(1)小車與滑輪間的細繩與長木板平行　砂和砂桶的總質量遠小于小車的質量　C (2)0.54 kgm或0.54 Ns2　不變 3．某同學將力傳感器固定在小車上，然后把繩的一端固定在傳感器拉鉤上，用來測量繩對小車的拉力，探究在小車及傳感器總質量不變時加速度跟它們所受拉力的關系，根據(jù)所測數(shù)據(jù)在坐標系中作出了如圖5所示的aF圖象． 圖5 (1)圖線不過坐標原點的原因是__________________________________________________________________ _________________________________________________________________； (2)本實驗中是否仍需要砂和桶的總質量遠小于小車和傳感器的總質量________(填“是”或“否”)； (3)由圖象求出小車和傳感器的總質量為________ kg. 解析　(1)aF圖象與橫軸交點為(0.1,0)，說明施加外力在0.1 N之內小車和傳感器沒有加速度，說明實驗前沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足． (2)因傳感器可直接測出小車和傳感器受到的拉力，因此不需要保證砂和桶的質量遠小于小車和傳感器的總質量． (3)aF圖象斜率為，由圖知圖象斜率k＝1，則小車和傳感器的總質量為1 kg. 答案　(1)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足　(2)否　(3)1 4．圖6為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖．砂和砂桶的總質量為m，小車和砝碼的總質量為M.實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小． (1)實驗中，為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力，先調節(jié)長木板一端滑輪的高度，使細線與長木板平行．接下來還需要進行的一項操作是 (　　)． 圖6 A．將長木板水平放置，讓小車連著已經穿過打點計時器的紙帶，給打點計時器通電，調節(jié)m的大小，使小車在砂和砂桶的牽引下運動，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 B．將長木板的一端墊起適當?shù)母叨龋屝≤囘B著已經穿過打點計時器的紙帶，撤去砂和砂桶，給打點計時器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動 C．將長木板的一端墊起適當?shù)母叨龋啡ゼ垘б约吧昂蜕巴?，輕推小車，觀察判斷小車是否做勻速運動 (2)實驗中要進行質量m和M的選取，以下最合理的一組是(　　)． A．M＝200 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g B．M＝200 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g C．M＝400 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g D．M＝400 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g (3)圖7是實驗中得到的一條紙帶，A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數(shù)點，相鄰的兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出，量出相鄰的計數(shù)點之間的距離分別為：sAB＝4.22 cm、sBC＝4.65 cm、sCD＝5.08 cm、sDE＝5.49 cm，sEF＝5.91 cm，sFG＝6.34 cm.已知打點計時器的工作頻率為50 Hz，則小車的加速度大小a＝________m/s2.(結果保留兩位有效數(shù)字)． 圖7 解析　(1)在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，為了使細線對小車的拉力大小等于小車所受的合外力，則需要平衡摩擦力，并使細線與長木板平行．平衡摩擦力的方法是只讓小車牽引紙帶(撤去砂及砂桶)，紙帶穿過打點計時器，并墊高長木板不帶滑輪的一端，打點計時器接通電源工作．如果打出紙帶上的點跡分布均勻，則說明小車做勻速運動．故選項B正確，選項A、C錯誤． (2)在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，為使細線對小車的拉力等于砂及砂桶的總重力，則M?m，且盡可能地多做幾組．故選項C最合理． (3)根據(jù)題意，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T＝0.1 s， 根據(jù)Δs＝aT2，得， sDE－sAB＝3a1T2　sEF－sBC＝3a2T2　sFG－sCD＝3a3T2 所以小車的加速度 a＝＝＝0.42 m/s2. 答案　(1)B　(2)C　(3)0.42 5．如圖8為用拉力傳感器和速度傳感器探究“加速度與物體受力的關系”實驗裝置．用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小，在長木板上相距L＝48.0 cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，分別記錄小車到達A、B時的速率． 圖8 (1)實驗主要步驟如下： ①將拉力傳感器固定在小車上； ②平衡摩擦力，讓小車做________運動； 序號 F(N) v－v(m2/s2) a(m/s2) 1 0.60 0.77 0.80 2 1.04 1.61 1.68 3 1.42 2.31 4 2.62 4.65 4.84 5 3.00 5.49 5.72 ③把細線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連； ④接通電源后自C點釋放小車，小車在細線拉動下運動，記錄細線拉力F的大小及小車分別到達A、B時的速率vA、vB； ⑤改變所掛鉤碼的數(shù)量，重復④的操作． (2)下表中記錄了實驗測得的幾組數(shù)據(jù)，v－v是兩個速度傳感器記錄速率的平方差，則加速度的表達式a＝________.請將表中第3次的實驗數(shù)據(jù)填寫完整． (3)由表中數(shù)據(jù)，在圖8中的坐標紙上作出aF關系圖線． 圖16 (4)對比實驗結果與理論計算得到的關系圖線(圖中已畫出理論圖線)，造成上述偏差的原因是______________________． 解析　(1)判斷摩擦力是否平衡，要根據(jù)小車不受拉力作用時，沿長木板能否做勻速直線運動．(2)小車在拉力作用下做勻變速直線運動，由勻變速直線運動的規(guī)律可得：a＝.小車在不同拉力作用下均做勻變速直線運動，由v－v與a成正比可得：a＝2.40 m/s2. (3)根據(jù)表中a與F的數(shù)據(jù)描點，發(fā)現(xiàn)各點基本處于同一條直線上，通過各點作直線即可． (4)沒有完全平衡摩擦力．當沒有完全平衡摩擦力時，由F－f＝ma得：a＝F－，aF圖線交于F軸的正半軸． 答案　(1)②勻速直線　(2)　2.40　(3)如解析圖所示　(4)沒有完全平衡摩擦力