2019届高三物理专题训练之验证牛顿运动定律

这是一份2019届高三物理专题训练之验证牛顿运动定律，共10页。试卷主要包含了8 m·s－2)，6 g，砝码盘质量m0＝8，0,0，1mg，可知F1＜2F2，64＋7等内容，欢迎下载使用。
(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图象如图所示；由图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。

(4)利用表中的数据在图中补齐数据点，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，重力加速度取g＝9.8 m·s－2)
(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
二、对点速练
1．某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。
(1)下列做法正确的是________(填字母代号)。
A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行
B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上
C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源
D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度
(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________(填“远大于”“远小于”或“近似等于”)木块和木块上砝码的总质量。
(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙。(填“大于”“小于”或“等于”)
2．如图甲所示，质量为m的滑块A放在气垫导轨B上，C为位移传感器，它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的速率—时间(v－t)图象。整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为L、高度为h。(取重力加速度g＝9.8 m/s2，结果保留两位有效数字)
(1)现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度，A的v－t图线如图乙所示。从图线可得滑块A下滑时的加速度a＝________m/s2，摩擦力对滑块A运动的影响________。(填“明显，不可忽略”或“不明显，可忽略”)
(2)此装置还可用来验证牛顿第二定律。实验时通过改变________可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；通过________________________________________可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。
3．为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图甲所示的实验装置：

(1)以下实验操作正确的是________。
A．将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动
B．调节滑轮的高度，使细线与木板平行
C．先接通电源后释放小车
D．实验中小车的加速度越大越好
(2)在实验中，得到一条如图乙所示的纸带，已知相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1 s，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分别为3.09 cm、3.43 cm、3.77 cm、4.10 cm、4.44 cm、4.77 cm，则小车的加速度a＝____
m/s2(结果保留两位有效数字)。
(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力F的关系，他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图丙所示，图线________是在轨道倾斜情况下得到的(填“①”或“②”)；小车及车中砝码的总质量m＝________ kg。
4．如图甲所示，一端带有定滑轮的长木板放置在水平桌面上，靠近长木板的左端固定有一光电门，右端放置一带有挡光片的小车，小车和挡光片的总质量为M，细线绕过定滑轮，一端与小车相连，另一端挂有6个钩码，已知每个钩码的质量为m，且M＝4m。

(1)用游标卡尺测出小车上的挡光片的宽度，读数如图乙所示，则挡光片宽度d＝________ cm。
(2)实验时为了消除摩擦力的影响，可以把木板右端适当垫高，调节木板的倾斜度，直到使小车在________(填“受”或“不受”)细线的拉力时能沿木板做________直线运动。
(3)将小车从木板右端由静止释放，小车上的挡光片通过光电门的时间为t1，则小车通过光电门的速度为______(用题给字母表示)。
(4)开始实验时，细线另一端挂有6个钩码，由静止释放小车后细线上的拉力为F1，接着每次实验时将1个
钩码移放到小车上，当细线挂有3个钩码时细线上的拉力为F2，则F1________2F2(填“大于”“等于”或
“小于”)。
(5)若每次移动钩码后都从同一位置释放小车，设挡光片(宽度为d，且d≪L)与光电门的距离为L，细线所挂钩码的个数为n，测出每次挡光片通过光电门的时间为t，测出多组数据，并绘出n－eq \f(1,t2)图象如图所示，已知图线斜率为k，则当地重力加速度为______(用题给字母表示)。
5．某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图所示。已知小车质量M＝214.6 g，砝码盘质量m0＝8.0 g，打点计时器所使用的交流电频率f＝50 Hz。其实验步骤是：
A．按图中所示安装好实验装置；
B．调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；
C．取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；
D．将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；
E．重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复B～D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度。
回答下列问题：
(1)按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？________(填“是”或“否”)。
(2)实验中打出的其中一条纸带如图所示，由该纸带可求得小车的加速度a＝________m/s2。
(3)某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中，如下表：
他根据表中的数据画出a－F图象(如图)。造成图线不过坐标原点的最主要原因是______________________，从该图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是______________，其大小为________。
典例1.【解析】(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将图中点(2，0.78)代入s＝eq \f(1,2)at2可得，a＝0.39 m/s2。
(4)根据描点法可得如图所示图线。
(5)根据牛顿第二定律可得nmg＝(M＋5m)a，则a＝eq \f(mg,M＋5m)n，图线斜率k＝eq \f(mg,M＋5m)＝eq \f(1.00,5)，可得M＝0.44 kg。
(6)若保持木板水平，则小车运动中受到摩擦力的作用，由牛顿第二定律得nmg－μ(M＋5m－nm)g＝(M＋5m)a，解得a＝eq \f(nmg1＋μ,M＋5m)－μ g，直线的斜率变大，图象不过原点，选项B、C正确。
【答案】(3)0.39 (4)见解析图 (5)0.44 (6)BC
二、对点速练
1．【答案】(1)AD (2)远小于 (3)小于 大于
【解析】(1)实验中细绳要保持与长木板平行，A项正确；平衡摩擦力时不能将装有砝码的砝码桶通过细绳绕过滑轮拴在木块上，B项错误；实验时应先接通电源再放开木块，C项错误；平衡摩擦力后，改变木块上的砝码的质量后不再需要重新平衡摩擦力，D项正确。
(2)由整体法和隔离法得到绳的拉力F＝Ma＝Meq \f(mg,M＋m)＝eq \f(1,1＋\f(m,M))mg，可见，当砝码桶和桶内砝码的总质量m远小于木块和木块上砝码的总质量M时，可得F≈mg。
(3)不平衡摩擦力，则F－μmg＝ma，a＝eq \f(F,m)－μg，图象的斜率大的木块的质量小，纵轴截距的绝对值大的动
摩擦因数大，因此m甲μ乙。
2．【答案】(1)6.0 不明显，可忽略 (2)高度h 改变滑块质量m、斜面的高度h，但需要保证mh乘积不变
【解析】(1)速度图象中，图线的斜率表示质点的加速度，即上滑时加速度大小为a1＝eq \f(3.0,0.5) m/s2＝6.0 m/s2，下滑时加速度大小为a2＝eq \f(3.0,0.5) m/s2＝6.0 m/s2，方向均沿斜面向下；由牛顿第二定律可知，滑块加速度不变，则所受合外力不变，故滑块所受滑动摩擦力可忽略不计；
(2)验证牛顿第二定律时，需要控制变量：即滑块质量一定时，改变外力，即滑块沿斜面方向的分力Gx＝mgsinθ＝mgeq \f(h,L)，导轨长度不变，故只能通过改变斜面高度h来完成；在验证力一定时，即需要mgeq \f(h,L)一定，改变质量m时需要保持mh乘积不变，来验证加速度与质量成反比的关系。
3．【答案】(1)BC (2)0.34 (3)① 0.5
【解析】(1)平衡摩擦力就是让小车在无拉力的作用下做匀速直线运动，让小车重力沿斜面的分力等于小车受到的摩擦力。所以平衡时应为：将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不连砝码及砝码盘的情况下使小车恰好做匀速运动，故A错误；为了使绳子拉力代替小车受到的合力，需要调节滑轮的高度，使细线与木板平
行，故B正确；使用打点计时器时，先接通电源后释放小车，故C正确；实验中小车的加速度不是越大越好，加速度太大，纸带打的点太少，不利于计算，故D错误。
(2)由匀变速直线运动的规律得：x4－x1＝3aT2，x5－x2＝3aT2，x6－x3＝3aT2，联立得：(x4＋x5＋x6)－(x1＋x2＋x3)＝9aT2，带入数据解得：a≈0.34 m/s2。
(3)由题图丙可知，当F＝0时，a≠0。也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度，该同学实验操作中平衡摩擦力过大，即倾角过大，平衡摩擦力时木板的右端垫得过高。所以图线①是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的。根据F＝ma得a－F图象的斜率k＝eq \f(1,m)，由题图a－F图象得图象斜率k＝2，所以m＝0.5 kg。
4．【答案】(1)0.520 (2)不受 匀速 (3)eq \f(d,t1) (4)小于 (5)eq \f(5d2,kL)
【解析】(1)游标卡尺的主尺读数为5 mm，游标尺读数为0.05×4 mm＝0.20 mm，则最终读数为5.20 mm＝
0.520 cm。
(2)当小车不受细线的拉力时，重力沿木板向下的分力若与摩擦力平衡，小车做匀速直线运动。
(3)极短时间内的平均速度等于瞬时速度的大小，则小车通过光电门的速度为eq \f(d,t1)。
(4)当细线挂有6个钩码时，对小车和钩码整体分析，a1＝eq \f(6mg,M＋6m)＝0.6g，对小车分析，根据牛顿第二定律得F1＝Ma1＝4m×0.6g＝2.4mg，当细线挂有3个钩码时，对整体分析，a2＝eq \f(3mg,10m)＝0.3g，对小车分析，根据牛顿
第二定律得F2＝7ma2＝2.1mg，可知F1＜2F2。
(5)小车通过光电门的速度v＝eq \f(d,t)，根据v2＝2aL，得eq \f(d2,t2)＝2aL，因为a＝eq \f(nmg,10m)＝eq \f(ng,10)，代入解得n＝eq \f(5d2,gLt2)，图线的斜率k＝eq \f(5d2,gL)，解得g＝eq \f(5d2,kL)。
5．【答案】(1)否 (2)0.88 (3)在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力(只要涉及“未考虑砝码盘质量的因素”就算正确) 砝码盘的重力 0.08 N
【解析】(1)取下细绳和砝码盘后，小车加速运动时所受的合外力即为砝码和砝码盘的总重力，而实验中的研究对象是小车，因此，实验中不必使砝码及砝码盘的质量远小于小车的质量。
(2)a＝eq \f(8.64＋7.75－6.87－6.00,4×0.12)×10－2 m/s2＝0.88 m/s2。
(3)实验中本应有(m0＋m)g＝Ma，由于实验中未计入砝码盘的质
量m0，测得的图象与真实图象相比沿F轴左移m0g，图象将不过原点。由图象及上述分析可知，m0g＝0.08 N。
n
1
2
3
4
5
a/(m·s－2)
0.20
0.58
0.78
1.00
次数
1
2
3
4
5
砝码盘中砝码的重力F/N
0.10
0.20
0.29
0.39
0.49
小车的加速度a/(m·s－2)
0.88
1.44
1.84
2.38
2.89