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1、实验四 验证牛顿运动定律跟踪演练强化提升【基础题组】1.如图所示为“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置图。图中A为小车,质量为m1,连接在小车后面的纸带穿过电火花打点计时器B,它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上,P的质量为m2,C为弹簧测力计,实验时改变P的质量,读出测力计不同读数F,不计绳与滑轮的摩擦。导学号42722072(1)下列说法正确的是()A.一端带有定滑轮的长木板必须保持水平B.实验时应先接通电源后释放小车C.实验中m2应远小于m1D.测力计的读数始终为(2)如图为某次实验得到的纸带,纸带上标出了所选的四个计数点之间的距离,相邻计数点间还有四个点没有画出。由此
2、可求得小车的加速度的大小是m/s2(交流电的频率为50 Hz,结果保留两位有效数字)。(3)实验时,某同学由于疏忽,遗漏了平衡摩擦力这一步骤,他测量得到的a -F图象可能是图中的图线()【解析】(1)一端带有定滑轮的长木板必须稍微倾斜,以平衡摩擦力,选项A错误。实验时应先接通电源后释放小车,选项B正确。实验中m2不必远小于m1,选项C错误。由于P向下加速运动,测力计的读数始终小于,选项D错误。(2)由x=aT2解得小车的加速度的大小是0.50m/s2。(3)遗漏了平衡摩擦力这一步骤,他测量得到的a -F图象,应该是当F从某一值开始增大,加速度a才开始增大,所以可能是图线C。答案:(1)B(2)
3、0.50(3)C2.(2017保定模拟)某同学利用图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图,如图乙所示。实验中小车(含发射器)的质量为200g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻质定滑轮,小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题:(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成(选填“线性”或“非线性”)关系。(2)由图乙可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是_。(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是_,钩码的质
4、量应满足的条件是_。【解析】本题考查了验证牛顿第二定律。(1)根据图中描出的各点,作出的图象不是一条直线,即小车的加速度与钩码的重力成非线性关系。(2)图线不过原点,有拉力但没有加速度,原因是存在摩擦力。(3)平衡摩擦力之后,在满足钩码质量远小于小车质量的条件下,可以得出小车质量不变情况下加速度与拉力成正比的结论。答案:(1)非线性(2)存在摩擦力(3)调整轨道倾斜度以平衡摩擦力远小于小车质量3.(1)探究加速度和力的关系的实验数据描绘出的a-F图象如图所示,下列说法正确的是(填正确答案标号)。A.三条倾斜的直线所对应的小车的质量相等B.三条倾斜的直线所对应的小车的质量不同C.直线1所对应的小
5、车的质量最大D.直线3所对应的小车的质量最大(2)由于没有始终满足小车的质量M远大于钩码的质量m的关系,结果得到的图象应是图中的(填正确答案标号)。【解析】(1)a-F关系图线的斜率表示质量的倒数,三条图线的斜率不等,表明三条倾斜的直线所对应的小车的质量不同,直线3的斜率最小,对应的小车的质量最大。(2)a-关系图线的斜率表示小车受到的外力,当较小时,即M较大,可以认为小车的质量远大于钩码的质量,可认为细线的拉力等于钩码的重力,而钩码的重力一定,所以图线的斜率不变,图线是直线;当较大即M较小时,不再满足小车的质量远大于钩码的质量,a-关系图线为向下弯曲的曲线,故A、C错误,D正确;在没有始终满
6、足小车的质量M远大于钩码的质量m的前提下研究a-F的关系,所画图线也应是一条向下弯曲的曲线,故B错误。答案:(1)B、D(2)D能力题组4.某同学在做验证牛顿第二定律的实验中,实验装置如图所示,打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz,开始实验时,细线上挂适当的钩码,释放小车后,小车做匀加速运动,与小车相连的纸带上被打出一系列小点。导学号42722073(1)如图是实验中获取的一条纸带的一部分,1、2、3、4是计数点,每相邻两计数点间还有4个打点,计数点间的距离如图所示,根据图中数据计算的加速度a=m/s2(保留两位有效数字),计数点2对应的速度大小v2=m/s(保留两位有效数字)。(2)实验
7、中,该同学测出拉力F(钩码重力)和小车质量M,根据a=计算出加速度,发现绝大多数情况下,根据公式计算出的加速度要比利用纸带测出的加速度大,若该同学实验操作过程没有错误,试分析其原因。_(至少写两点)。(3)另一同学在完成同样的实验时,每次实验在吊挂之处逐次增加一个质量为50 g的钩码,利用纸带测出每次小车的加速度,如果小车质量为100 g,细绳质量可忽略,则下列曲线最适合描述小车加速度随着吊挂钩码个数变化的是()【解析】(1)a=,x=(3.83-3.52)cm=0.31 cmt=5T=s=0.1 s,则a=0.16m/s2v2=m/s=0.36 m/s(2)从小车的受力情况及其合力与F的关系
8、思考,可能存在摩擦阻力或绳的拉力小于钩码的重力。(3)根据牛顿第二定律,对钩码有:mg-FT=ma,对小车有FT=Ma,则a=,当Mm时,amgN(钩码数)。实验中,随着钩码个数的增多,Mm已不成立,由a=mg可知图象的斜率随着m(或N)的增大而减小,选项D正确。答案:(1)0.160.36(2)存在摩擦阻力;绳的拉力小于钩码的重力(3)D5.(2016全国卷)某物理课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.
9、010kg。实验步骤如下:(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。(2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图象,经数据处理后可得到相应的加速度a。(3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图乙所示;由图乙求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。n12345a/(ms-2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点,
10、并作出a-n图象。从图象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8m/s2)。(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是(填入正确选项前的标号)。A.a-n图线不再是直线B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大【解析】(3)由于小车做的是匀加速直线运动,由s=at2,将特殊点(2,0.80)代入得a=0.40m/s2。(4)利用描点法可得如图所示图线(5)根据牛顿第二定律可得nmg=(M+Nm)a。代入m=0.010kg,n=1、2、3、4、5以及相应的加速度可求得M=0.44kg。(6)若不平衡摩擦力,则有nmg-M+(N-n)mg=(M+Nm)a,解得a=n-g,故图线不过原点,但仍然是直线,且斜率增大,A错误,B、C正确。答案:(3)0.40(4)见解析图(5)0.44(6)B、C
