2020版高考物理一轮复习 全程训练计划 课练10 实验：验证牛顿第二定律（含解析）.doc

实验：验证牛顿第二定律小题狂练⑩ 小题是基础　练小题　提分快1.[2019·宁夏长庆高级中学检测]在“验证牛顿第二定律”的实验中，采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，砂和砂桶的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带计算出．(1)实验中，为了使细线对小车的拉力大小等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行．接下来还需要进行的一项操作是________．A．将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电．改变砂桶中砂子的多少，使小车在砂和砂桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B．将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和砂桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动C．将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动(2)实验中要进行质量m和M的选取，以下最合理的一组是________．A．M＝200 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 gB．M＝200 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gC．M＝400 g，m＝10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 gD．M＝400 g，m＝20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g(3)已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，每相邻两个计数点间还有4个点未画出，利用图给数据可求出小车运动的加速度a＝________ m/s2.(结果保留三位有效数字)答案：(1)B　(2)C　(3)1.58解析：(1)为了使细线对小车的拉力大小等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行．接下来还需要进行的一项操作是将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和砂桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动，即平衡摩擦力，B正确．(2)当m远远小于M时，即当砂和砂桶总质量远远小于小车和砝码的总质量，细线的拉力大小近似等于砂和砂桶的总重力．因此最合理的一组是C.(3)相邻的两个计数点之间还有四个点未画出，两相邻的计数点时间间隔为T＝0.1 s，利用匀变速直线运动的推论Δx＝aT2，得xDE－xAB＝3a1T2、xEF－xBC＝3a2T2，xCD－xOA＝3a3T2，则加速度应为a＝＝ m/s2＝1.58 m/s2.2．[2019·陕西省西安市长安一中模拟]如图所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置．他在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放．已知遮光条的宽度d＝2.25 mm.(1)下列不必要的一项实验要求是________．(请填写选项前对应的字母)A．应使A位置与光电门间的距离适当大些B．应将气垫导轨调节水平C．应使细线与气垫导轨平行D．应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量(2)实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是__________________________．(写出物理量名称及表示符号)(3)改变钩码质量，测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图象，研究滑块的加速度与力的关系，处理数据时应作出______图象．答案：(1)D　(2)A位置到光电门的距离L　(3)F－解析：(1)应使A位置与光电门间的距离适当大些，有利于减小误差，故A是必要的；应将气垫导轨调节水平，使拉力等于合力，故B是必要的；要保持细线方向与气垫导轨平行，故C是必要的；拉力是直接通过力传感器测量的，故与滑块质量和钩码质量大小关系无关，故D是不必要的；(2)根据匀变速直线运动的位移速度公式得v2＝2aL，又因为v＝，解得a＝，故要测加速度还需要测出A位置到光电门的距离L；(3)根据牛顿第二定律得：a＝，解得：F＝·，所以处理数据时应作出F－的图象．3．[2019·重庆市重庆一中考试]某实验小组设计如图甲所示实验装置“探究加速度与力的关系”．已知小车的质量M，砝码盘的质量m0，打点计时器使用的交流电频率f＝50 Hz.(1)探究方案的实验步骤A．按图甲安装好实验装置；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，记录砝码盘中砝码的质量m；D．将小车紧靠打点计时器，接通电源后放开小车，得到一条点迹清晰的纸带，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m，重复多次步骤B～D，得到多组m、a.(2)记录数据及数据分析①实验中打出的其中一条纸带如图乙所示，由该纸带可求得小车的加速度a＝________ m/s2.②实验小组认为小车受到的合外力F＝mg，根据记录数据和纸带，将计算得到的合外力和加速度填入设计的表中(表略)．③建立a－F坐标系，利用②中得到的表中数据描点得到如图丙所示的图线．根据图线，“小车加速度a与外力F成正比”的结论是________(选填“成立”或“不成立”)的；已知图线延长线与横轴的交点A的坐标是(－0.08 N,0)，由此可知，砝码盘的质量m0＝________ kg.(已知数据测量是准确的，重力加速度g取10 m/s2)(3)方案评估：若认为小车受到的合外力等于砝码盘和砝码的总重力，即F＝(m0＋m)g，实验中随着F的增大，不再满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量要求，实验图应为________．(填正确答案标号)答案：(2)①0.88　③不成立　0.008　(3)A解析：(2)①根据Δx＝aT2，运用逐差法得a＝ m/s2＝0.88 m/s2；③由题图丙可知，图象是不过原点的倾斜直线，a与 F不成正比；由图象可知，当F＝0时，小车有加速度，这说明在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力，由图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是砝码盘的重力大小，砝码盘的重力大小为0.08 N，则砝码盘的质量m0＝0.008 kg；(3)当小车匀速下滑时有：Mgsinθ＝f＋(m＋m0)g，当取下细绳和砝码盘后，由于重力沿斜面向下的分力Mgsinθ和摩擦力f不变，因此其合外力为(m＋m0)g，由此可知该实验中不需要砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量，故a－F图线是过原点的倾斜直线，A正确．4．[2019·河北省衡水中学一调]为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图甲所示的实验装置．其中带滑轮的小车的质量为M，砂和砂桶的质量为m.(滑轮质量不计)(1)实验时，一定要进行的操作是________．A．用天平测出砂和砂桶的质量B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数D．改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带E．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M(2)该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带(两相邻计数点间还有四个点)，测得：x1＝1.40 cm，x2＝1.90 cm，x3＝2.38 cm，x4＝2.88 cm，x5＝3.39 cm，x6＝3.87 cm.那么打下3点时小车的瞬时速度的大小是________ m/s，小车加速度的大小是________ m/s2.已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交流电(结果保留两位有效数字)．(3)以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，作出的a－F图象是一条直线，如图丙所示，图线与横轴的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为________．A．2tanθ B.C．k D.答案：(1)BCD　(2)0.26　0.50　(3)D解析：(1)本实验中拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使砂和砂桶的质量远小于小车的质量，A、E错误；弹簧测力计测出拉力，从而得到小车受到的合外力，故需要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力，B正确；打点计时器使用时，先接通电源，再释放小车，该实验探究质量一定时加速度与力的关系，要记录弹簧测力计的示数，C正确；改变砂和砂桶质量，即改变拉力的大小，打出几条纸带，研究加速度随力的变化关系，D正确．(2)两相邻计数点间还有四个点，则相邻两计数点间的时间间隔T＝0.02×5 s＝0.1 s；打下3点时小车的瞬时速度的大小v＝＝ m/s≈0.26 m/s；由匀变速直线运动的推论可知，小车加速度的大小a＝，代入数据可解得a＝0.50 m/s2.(3)以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，故k＝，由牛顿第二定律F合＝Ma得，小车的质量为M＝＝＝，故选D.5．[2019·湖北省宜昌市部分高中联考]某同学做“探究加速度与力、质量关系”的实验．如图甲所示是该实验的装置，他将光电门固定在水平轨道上的B点，用不同重物通过细线拉同一小车，每次小车都从同一位置A由静止释放．(1)实验中可近似认为细线对小车的拉力与重物重力大小相等，则重物的质量m与小车的质量M间应满足的关系为________．(2)若用游标卡尺测出遮光条的宽度d如图乙所示，则d＝________ cm；实验时将小车从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt，就可以计算出小车经过光电门时的速度v.(3)测出多组重物的质量m和对应遮光条通过光电门的时间Δt，并算出相应的小车经过光电门时的速度v，通过描点作出v2－m线性图象(如图丙所示)，从图线得到的结论是：在小车质量一定时，______________________.如果小车的质量M＝5 kg，图象的斜率k＝1 m2·s－2·kg－1，则A、B间的距离s＝________ m．(g取10 m/s2)(4)另一实验小组设计了如图(a)所示的实验装置，通过改变重物的质量，利用计算机可得滑块运动的加速度a和所受拉力F的关系图象．他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图(b)所示．滑块和位移传感器发射部分的总质量m′＝________kg；滑块和轨道间的动摩擦因数μ＝________.(重力加速度g取10 m/s2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力)答案：(1)m≪M　(2)1.050　(3)加速度与合外力成正比　0.25　(4)0.5　0.2解析：(1)该实验的研究对象是小车，采用控制变量法研究．当质量一定时，研究小车的加速度和小车所受合力的关系．为消除摩擦力对实验的影响，可以把木板的右端适当垫高，以使小车的重力沿斜面的分力和摩擦力相抵消，那么小车所受的合力就是细线的拉力．根据牛顿第二定律：对重物，mg－F＝ma，对小车，F＝Ma，解得F＝＝，当m远小于M，即当重物重力远小于小车的重力时，细线的拉力近似等于重物的总重力．(2)游标卡尺的主尺读数为10 mm，游标尺读数为0.05×10 mm＝0.50 mm，所以最终读数为：10 mm＋0.50 mm＝10.50 mm＝1.050 cm；数字计时器记录通过光电门的时间，由位移公式计算出小车通过光电门的平均速度，用该平均速度代替小车的瞬时速度，故在遮光条经过光电门时小车的瞬间速度为：v＝.(3)由题意可知，该实验中保持小车质量M不变，因此有：v2＝2as＝m，由题意可知，M、s不变，因v2－m图象为过原点的直线，则说明加速度与合外力成正比．如果小车的质量M＝5 kg，图象的斜率k＝1 m2·s－2·kg－1，则＝1 m2·s－2·。