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高考物理大一轮复习第三章第3讲实验四验证牛顿运动定律练习

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1.(2014 课标Ⅰ,22,6 分)某同学利用图(a)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(b)所示。实验中小车(含发射器)的质量为 200 g,实验时选择了不可伸长的轻质细 绳和轻定滑轮,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:

图(a)

图(b) (1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成 (填“线性”或“非线性”)关系。 (2)由图(b)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 。钩码的质量应满足的条件是 。 2.[2013 四川理综,8(2),11 分]如图 1 所示,某组同学借用“探究 a 与 F、m 之间的定量关系”的相关实验思 想、原理及操作,进行“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验:

图1

图2

1

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①为达到平衡阻力的目的,取下细绳及托盘,通过调整垫片的位置,改变长木板倾斜程度,根据打出的纸 带判断小车是否做 运动。 ②连接细绳及托盘,放入砝码,通过实验得到图 2 所示的纸带。纸带上 O 为小车运动起始时刻所打的点, 选取时间间隔为 0.1 s 的相邻计数点 A、B、C、D、E、F、G。实验时小车所受拉力为 0.2 N,小车的质量为 0.2 kg。 请计算小车所受合外力做的功 W 和小车动能的变化 Δ Ek,补填表中空格(结果保留至小数点后第四位)。 O—B W/J O—C O—D O—E O—F 0.043 2 0.057 2 0.073 4 0.09 1 5

Δ Ek/J 0.043 0 0.057 0 0.073 4 0.090 7 分析上述数据可知:在实验误差允许的范围内 W=Δ Ek,与理论推导结果一致。 -3 ③实验前已测 得托盘质量为 7.7×10 kg,实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为 kg(g 2 取 9.8 m/s ,结果保留至小数点后第三位)。 3.(2013 课标Ⅰ,22,7 分)图(a)为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图。实验步骤如下:

图(a) ①用天平测量物块和遮光片的总质量 M、重物的质量 m;用游标卡尺测量遮光片的宽度 d;用米尺测量两 光电门之间的距离 s; ②调整轻滑轮,使细线水平; ③让物块从光电门 A 的左侧由静止释放,用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门 A 和光电门 B 所用的 时间 Δ tA 和 Δ tB,求出加速度 a; ④多次重复步骤③,求 a 的平均值; ⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数 μ 。 回答下列问题:

图(b) (1)测量 d 时,某次游标卡尺(主尺的最小分度为 1 mm)的示数如图(b)所示,其读数为 cm。 (2)物块的加速度 a 可用 d、s、Δ tA 和 Δ tB 表示为 a= 。 (3)动摩擦因数 μ 可用 M、m、和重力加速度 g 表示为 μ = 。 (4)如果细线没有调整到水平,由此引起的误差属于 (填“偶然误差”或“系统误差”)。 4.(2014 山东理综,21,8 分)某实验小组利用弹簧秤和刻度尺,测量滑块在木板上运动的最大速度。 实验步骤: ①用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力,记作 G; ②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上,通过水平细绳和固定弹簧秤相连,如图甲所示。在 A 端向右拉 动木板,待弹簧秤示数稳定后,将读数记作 F;

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图甲 ③改变滑块上橡皮泥的质量,重复步骤①②; 实验数据如下表所示: G/N F/N 1.50 0.59 2.00 0.83 2.50 0.99 3.00 1.22 3.50 1.37 4.00 1.61

④如图乙所示,将木板固定在水平桌面上,滑块置于木板上左端 C 处,细绳跨过定滑轮分别与 滑块和重 物 P 连接,保持滑块静止,测量重物 P 离地面的高度 h;

图乙 ⑤滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的 D 点(未与滑轮碰撞),测量 C、D 间的距离 s。 完成下列作图和填空: (1)根据表中数据在给定坐标纸上作出 F-G 图线。

(2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数 μ = (保留 2 位有效数字)。 (3)滑块最大速度的大小 v= (用 h、s、μ 和重力加速度 g 表示)。

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1. 答案 (1)非线性 (2)存在摩擦力 (3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车的质量 解析 (1)将图(b)中各点连线,得到的是一条曲线,故 a 与 m 的关系是非线性的。 (2)由图(b)可知,当钩码质量不为零时,在一定范围内小车加速度仍为零,即钩码对小车的拉力大于某 一数值时小车才产生加速度,故可能的原因是存在摩擦力。 (3)若将钩码所受重力作为小车所受合力,则应满足三个条件,一是摩擦力被平衡,二是绳平行于轨道平 面,此二者 可保证绳对车的拉力等于车所受合力,设绳的拉力为 T,由 mg- T=ma、T=Ma 有 T=g=,可见当 m? M 时才有 T≈mg,故第三个条件为 m? M。 2. 答案 ①匀速直线(或匀速) ②0.111 5 0.110 5 ③0.015 解析 ①取下细绳与托盘后,当摩擦力恰好被平衡时,小车与纸带所受合力为零,获得初速度后应做匀速直 线运动。 ②由题图 2 可知=55.75 cm,再结合 vt/2= 可得打下计数点 F 时的瞬时速度 vF==1.051 m/s,故 W=F×=0.111 5 J,Δ Ek=M≈0.110 5 J。 2 ③根据牛顿第二定律有:对小车 F=Ma,得 a=1.0 m/s ;对托盘及砝码(m+m0)g-F=(m+m0)a,故有 m=-m0= -3 kg-7.7×10 kg=0.015 kg。 2 2 3. 答案 (1)0.960 (2)[() -() ] (3) (4)系统误差 解析 (1)游标卡尺的读数为 9 mm+12×0.05 mm=9.60 mm=0.960 cm。 (2)由-=2as,vA=,vB=联立得 a= (3)设细线的张力为 T,对 M 有 T-μ Mg=M 对 m 有 mg-T=m 联立两式得 μ = (4)细线没有调整到水平,造成张力 T 不水平,若此时以 T 水平来分析计算,会造成测量值总是偏大或偏 小,这种由于实验操作造成的误差,属于系统误差。 4. 答案 (1)如图所示

(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42 均正确) (3) 解析 (1)见答案。 (2)因弹簧秤示数稳定后滑块静止,由题意知此时滑动摩擦力 f=F,又因滑块与板间压力 N=G,故由 f=μ N 得 F=μ G,即 F-G 图线的斜率即为 μ ,由图线可得 μ =k=0.40。

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(3)设最大速度为 v,从 P 下降 h 高度到滑块运动到 D 点的过程中由动能定理得 0-mv =-μ mg·(s-h),故 有 v=。

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