2021版高考物理一輪復(fù)習實驗四驗證牛頓運動定律典型例題含解析

PAGE6-驗證牛頓運動定律典型例題熱點一實驗原理與操作【典例1】(2019·煙臺模擬)探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系的實驗中,某同學(xué)用如圖甲所示裝置進行實驗,打點計時器所用電源的頻率為50Hz,重物通過跨過滑輪的細線與小車相連。(1)該同學(xué)在實驗中打出了一條紙帶,紙帶上A、B、C、D、E這些點的間距如圖乙所示,其中每相鄰兩點間還有4個計時點未畫出。根據(jù)測量結(jié)果計算:①打C點時紙帶的速度大小為__________m/s;

②紙帶運動的加速度大小為__________m/s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

(2)若該同學(xué)平衡好摩擦力后,將5個相同的砝碼都放在小車上,然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中,測量小車的加速度,根據(jù)小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數(shù)據(jù)作出的a-F圖線來探究加速度與合外力的關(guān)系,此實驗操作__________(選填“能”或“不能”)探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。

【解析】(1)每相鄰兩點間還有4個點(圖中未畫),所以相鄰的計數(shù)點間的時間間隔T=0.1s,根據(jù)勻變速直線運動中時間中點的速度等于該過程中的平均速度,得:vC=xBDtBD=(根據(jù)勻變速直線運動的推論公式Δx=aT2可以求出加速度的大小,為了更加準確地求解加速度,a=xCE-xAC4T2=(2)要探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,必須保證合外力一定,即盤中砝碼的重力不變,所以此操作不能探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。答案:(1)①0.479②0.810(2)不能熱點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析【典例2】某組同學(xué)設(shè)計了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實驗。圖甲為實驗裝置簡圖,A為小車,B為電火花計時器,C為裝有細砂的小桶,D為一端帶有定滑輪的長方形木板,實驗中認為細繩對小車的拉力F等于細砂和小桶的總重力,小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得。(1)圖乙為某次實驗得到的紙帶,已知實驗所用電源的頻率為50Hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計時器打B點時的速度為__________m/s,小車的加速度大小為__________m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)

(2)在“探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系”時,某同學(xué)按照自己的方案將實驗數(shù)據(jù)在坐標系中進行了標注,但尚未完成圖像(如圖丙所示)。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標系中的圖像。(3)在“探究加速度a與合力F的關(guān)系”時,該同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丁,該圖線不通過坐標原點,試分析圖線不通過坐標原點的原因。答:_________________________________________________。

【解析】(1)AC這段位移的平均速度等于AC這段時間中間時刻的瞬時速度,即B點的瞬時速度,故vB=AB+BC4T=(6由逐差法求解小車的加速度,a=(=(7.21+7=3.2m/s(2)將坐標系中各點連成一條直線,連線時應(yīng)使直線過盡可能多的點,不在直線上的點應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè),離直線較遠的點應(yīng)視為錯誤數(shù)據(jù),不予考慮,連線如圖所示:(3)圖線與橫軸有截距,說明實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠。答案:(1)1.63.2(2)見解析(3)實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠【補償訓(xùn)練】如圖甲所示是某同學(xué)探究加速度與力的關(guān)系的實驗裝置。他在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個光電門B,在滑塊上固定一遮光條,滑塊用細線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連(力傳感器可測得細線上的拉力大小),力傳感器下方懸掛鉤碼,每次滑塊都從A處由靜止釋放。(1)該同學(xué)用游標卡尺測量遮光條的寬度d,如圖乙所示,則d=__________mm。

(2)下列不必要的一項實驗要求是__________。

A.將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平B.使A位置與光電門間的距離適當大些C.使細線與氣墊導(dǎo)軌平行D.使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量(3)實驗時,將滑塊從A位置由靜止釋放,由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門B的時間t,測量出滑塊在A位置時遮光條到光電門的距離L,則滑塊的加速度a=__________。

(4)為探究滑塊的加速度與力的關(guān)系,改變鉤碼質(zhì)量,測出對應(yīng)的力傳感器的示數(shù)F和遮光條通過光電門的時間t,通過描點要作出它們的線性關(guān)系圖像,處理數(shù)據(jù)時縱軸為F,橫軸應(yīng)為__________。

A.tB.t2C.1t【解析】(1)遮光條的寬度d=2.25mm。(2)因有拉力傳感器,則不需要使滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量,選D。(3)滑塊通過光電門的速度為v=dt,由v2=2aL,得a=v22(4)由F=ma可知F=mdt22L,縱軸為F,橫軸應(yīng)為1答案:(1)2.25(2)D(3)d2熱點三實驗器材和實驗原理的創(chuàng)新【典例3】(2019·全國卷Ⅱ)如圖(a),某同學(xué)設(shè)計了測量鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)的實驗。所用器材有:鐵架臺、長木板、鐵塊、米尺、電磁打點計時器、頻率50Hz的交流電源,紙帶等?；卮鹣铝袉栴}:(1)鐵塊與木板間動摩擦因數(shù)μ=__________(用木板與水平面的夾角θ、重力加速度g和鐵塊下滑的加速度a表示)。

(2)某次實驗時,調(diào)整木板與水平面的夾角θ=30°。接通電源。開啟打點計時器,釋放鐵塊,鐵塊從靜止開始沿木板滑下。多次重復(fù)后選擇點跡清晰的一條紙帶,如圖(b)所示。圖中的點為計數(shù)點(每兩個相鄰的計數(shù)點間還有4個點未畫出)。重力加速度為9.8m/s2。可以計算出鐵塊與木板間的動摩擦因數(shù)為_______________(結(jié)果保留2位小數(shù))【解析】(1)以鐵塊為研究對象,受力分析如圖所示由牛頓第二定律得mgsinθ-μmgcosθ=ma,