專題(14)實驗四-驗證牛頓運(yùn)動定律(原卷版)

2021年高考物理一輪復(fù)習(xí)必?zé)峥键c(diǎn)整合回扣練專題（14）實驗四驗證牛頓運(yùn)動定律（原卷版）考點(diǎn)一eq\a\vs4\al(基礎(chǔ)實驗考查)題型1對實驗原理和注意事項的考查【典例1】某實驗小組利用如圖(a)所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系．(1)下列做法正確的是________(填字母代號)．A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行B．在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上C．實驗時，先放開木塊再接通打點(diǎn)計時器的電源D．通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度(2)為使砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動時受到的拉力，應(yīng)滿足的條件是砝碼桶及桶內(nèi)砝碼的總質(zhì)量________(填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量．(3)甲、乙兩同學(xué)在同一實驗室，各取一套圖(a)的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力F的關(guān)系，分別得到圖(b)中甲、乙兩條直線，設(shè)甲、乙用的木塊質(zhì)量分別為m甲、m乙，甲、乙用的木塊與木板間的動摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙，由圖(b)可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙．(均填“大于”“小于”或“等于”)【提分筆記】(1)在本實驗中，必須平衡摩擦力，在平衡摩擦力時，不要把盤和重物系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點(diǎn)的紙帶運(yùn)動．(2)改變小車的質(zhì)量或拉力的大小時，改變量可適當(dāng)大一些，但應(yīng)滿足盤和重物的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量，盤和重物的總質(zhì)量不超過小車和車上砝碼總質(zhì)量的10%.題型2對數(shù)據(jù)處理和誤差的考查【典例2】某物理課外小組利用圖(a)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系．圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼．本實驗中可用的鉤碼共有N＝5個，每個質(zhì)量均為0.010kg.實驗步驟如下：圖(a)(1)將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑．(2)將n(依次取n＝1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行．釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a.(3)對應(yīng)于不同的n的a值見下表．n＝2時的s-t圖象如圖(b)所示；由圖(b)求出此時小車的加速度(保留2位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表.n12345a/(m·s－2)0.200.580.781.00(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(c)中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出a-n圖象．從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比．(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為________kg(保留2位有效數(shù)字，重力加速度取g＝9.8m/s2)．(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是________(填入正確選項前的字母)．A．a(chǎn)-n圖線不再是直線B．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn)C．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大【提分筆記】利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實驗中常用的重要方法在實驗中如果發(fā)現(xiàn)一個量x與另一個量y成反比，那么，x就應(yīng)與eq\f(1,y)成正比．因為在處理數(shù)據(jù)時，判斷一條圖線是否為正比例函數(shù)圖象比判斷其是否為反比例函數(shù)圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)的直線進(jìn)行處理考點(diǎn)二eq\a\vs4\al(創(chuàng)新實驗考查)1．實驗方案的改進(jìn)(1)如圖，兩個小車，同時運(yùn)動、同時停止，位移之比等于加速度之比．可以通過增減小盤中砝碼探究加速度與力的關(guān)系，通過增減小車中的砝碼探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系．(2)將小車與小盤、砝碼看做整體，小盤和砝碼的重力即系統(tǒng)所受合力，通過小盤中和小車中砝碼的變動，使系統(tǒng)總質(zhì)量不變，探究加速度與力的關(guān)系．此方案不必保證小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤砝碼總質(zhì)量．2．實驗器材的改進(jìn)(1)氣墊導(dǎo)軌：不用平衡摩擦力．(2)力傳感器或彈簧測力計：可直接測繩的拉力，不必保證小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤砝碼總質(zhì)量．(3)速度傳感器、位移傳感器、光電門．3．?dāng)?shù)據(jù)測量的改進(jìn)(1)光電門：a＝eq\f(1,2x)eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t2)))2－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t1)))2)).(2)位移傳感器：a＝eq\f(2x,t2).(3)速度傳感器：a＝eq\f(v\o\al(2,2)－v\o\al(2,1),2x).4．實驗的拓展延伸以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為背景測量物塊與木板間的動摩擦因數(shù)．【典例3】(2018年全國卷Ⅱ)某同學(xué)用圖(a)所示的裝置測量木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)．跨過光滑定滑輪的細(xì)線兩端分別與木塊和彈簧秤相連，滑輪和木塊間的細(xì)線保持水平，在木塊上方放置砝碼．緩慢向左拉動水平放置的木板，當(dāng)木塊和砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動時，彈簧秤的示數(shù)即為木塊受到的滑動摩擦力的大?。炒螌嶒炈脭?shù)據(jù)在下表中給出，其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數(shù)讀出．砝碼的質(zhì)量m/kg0.050.100.150.200.25滑動摩擦力f/N2.152.362.55f42.93回答下列問題：(1)f4＝________N.(2)在圖(c)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊未畫出的數(shù)據(jù)點(diǎn)并繪出f-m圖線．(3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動摩擦因數(shù)μ及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f＝________，f-m圖線(直線)的斜率的表達(dá)式為k＝________.(4)取g＝9.80m/s2，由繪出的f-m圖線求得μ＝____________.(保留2位有效數(shù)字)【提分筆記】(1)求斜率的注意事項①描點(diǎn)要準(zhǔn)確．②連線盡可能通過更多的點(diǎn)，個別偏差大的點(diǎn)可舍去．③在直線上選取間隔較大的兩個點(diǎn)求斜率．(2)計算動摩擦因數(shù)：由于未給出木塊質(zhì)量，所以用k＝eq\f(Δf,Δm)＝μg計算．【變式1】某同學(xué)用如圖甲所示的氣墊導(dǎo)軌裝置“探究加速度與力的關(guān)系”，圖中兩個光電門G1、G2之間的距離為x，它們與數(shù)字計時器相連，滑行器連同上面固定的條形擋光片的總質(zhì)量為M，擋光片的寬度為d，牽引砝碼的質(zhì)量為m.實驗前他先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)軌水平．充氣后讓滑行器先后通過光電門G1、G2，并記錄下?lián)豕馄膿豕鈺r間t1、t2，請回答下列問題：(1)該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量擋光片的寬度如圖乙所示，則擋光片的寬度d＝________cm.(2)若M＝0.4kg，為進(jìn)行多次實驗，需改變m的值，下列不合適的一項是________(填序號)．A．m1＝5g B．m2＝15gC．m3＝20g D．m4＝400g(3)寫出計算滑行器加速度大小的表達(dá)式________(用t1、t2、d、x表示)．【變式2】在研究加速度和力的關(guān)系時，同學(xué)們設(shè)計了如圖所示實驗裝置，M為滑塊的質(zhì)量，m為沙桶和沙子的質(zhì)量，輕滑輪不計摩擦，該實驗已經(jīng)平衡摩擦力．(1)實驗中，一定要進(jìn)行的操作是________．A．用天平測出m的大小B．滑塊靠近打點(diǎn)計時器(圖中未畫出)，先接通電源，后釋放滑塊C．改變沙桶和沙子的質(zhì)量，打出幾條紙帶D．為減小誤差，要保證m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M(2)以力傳感器的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，通過紙帶計算出的加速度為縱坐標(biāo)，畫出的a-F圖象是一條直線，求得圖線的斜率為k，則滑塊的質(zhì)量M＝________.【變式3】某物理興趣小組利用如圖甲所示的裝置來測量物體間的動摩擦因數(shù)，實驗步驟如下：①把“”形木塊放在光滑水平面上，木塊表面AB、BC粗糙程度相同；②木塊右側(cè)與豎直墻壁之間連接著一個力傳感器(當(dāng)力傳感器受水平壓力時，其示數(shù)為正值；當(dāng)力傳感器受到水平拉力時，其示數(shù)為負(fù)值)；③一個可視為質(zhì)點(diǎn)的滑塊從C點(diǎn)由靜止開始下滑，運(yùn)動過程中，傳感器記錄到的力與時間的關(guān)系如圖乙所示(滑塊經(jīng)過B時的速率不變)。回答下列問題：(1)為了測出滑塊與“”形木塊的動摩擦因數(shù)，需要測量或已知哪些物理量_________；

A.BC的長度 B.斜面BC的傾角θC.圖乙中F1的大小 D.圖乙中F2的大小E.AB的長度(2)若已經(jīng)由實驗得到(1)中所需要物理量，滑塊與“”形木塊間的動摩擦因數(shù)μ=_________。

【變式4】如圖為“用DIS(位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī))研究加速度和力的關(guān)系”的實驗裝置。 (1)在該實驗中必須采用控制變量法，應(yīng)保持_________不變，用鉤碼所受的重力作為___________，用DIS測小車的加速度。

(2)改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復(fù)測量。在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a-F關(guān)系圖線(如圖所示)。此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是 ()A.小車與軌道之間存在摩擦B.導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài)C.所掛鉤碼的總質(zhì)量太大D.所用小車的質(zhì)量太大【變式5】某實驗小組利用拉力傳感器和打點(diǎn)計時器“探究加速度與力的關(guān)系”。他們將拉力傳感器固定在小車上記錄小車受到拉力的大小，按照甲圖進(jìn)行實驗，釋放紙帶時，小車處于甲圖所示的位置。(1)指出甲圖中的一處錯誤：__________。

(2)下列說法正