2023高考物理全復(fù)習(xí)(統(tǒng)考版)實(shí)驗(yàn)四-驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律必備知識(shí)·自主排查一、基本思路與操作裝置圖和思路操作要領(lǐng)思路：(1)保持小車質(zhì)量不變→測(cè)得不同拉力下小車運(yùn)動(dòng)的加速度→分析二者之間的定量關(guān)系．(2)保持小車所受的拉力不變→測(cè)得不同質(zhì)量的小車運(yùn)動(dòng)的加速度→分析二者的定量關(guān)系(1)測(cè)量：用天平測(cè)出小車和槽碼的質(zhì)量分別為M0、m0，并把數(shù)值記錄下來．(2)安裝實(shí)驗(yàn)器材：將小車置于帶有定滑輪的木板上，將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器后掛在小車尾部．(3)平衡摩擦力：用薄墊塊將一端墊高，平衡摩擦力(改變小車的質(zhì)量或槽碼的數(shù)量，無(wú)須重新平衡摩擦力)．(4)懸掛槽碼：在細(xì)線一端掛上槽碼，另一端系在小車前端．(5)收集紙帶數(shù)據(jù)：先開啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，再釋放小車．在紙帶上打出一系列點(diǎn)．(6)改變小車受力：保持小車的質(zhì)量不變，通過增加槽碼的數(shù)量改變小車受力．(7)改變小車質(zhì)量：保持槽碼的數(shù)量(小車所受的拉力)不變，通過增加或減少小車上的砝碼的方式，改變小車的質(zhì)量．二、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)論1．利用Δx＝aT2及逐差法求a.2．以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點(diǎn)，如果這些點(diǎn)在一條過原點(diǎn)的直線上，如圖甲所示，說明a與F成正比．3．以a為縱坐標(biāo)，1M為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、連線，如果連線為過原點(diǎn)的直線，如圖乙所示，就能判定a與M成反●注意事項(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法．(2)必須使槽碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車總質(zhì)量，其目的是用槽碼重力替代小車所受的拉力．(3)平衡摩擦力應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①不系槽碼．②連好紙帶接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，反復(fù)調(diào)節(jié)傾角，紙帶上打出的點(diǎn)跡均勻分布時(shí)，說明已經(jīng)平衡了摩擦力．(4)三問平衡摩擦力摩擦力如何被平衡墊高長(zhǎng)木板遠(yuǎn)離滑輪的一端平衡摩擦力的目的用小車所受的拉力替代合力平衡摩擦力的原理mgsinθ＝Ff，改變小車的質(zhì)量時(shí)，不需重新平衡摩擦力●誤差分析(1)質(zhì)量的測(cè)量、紙帶上計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離的測(cè)量、細(xì)繩或紙帶不與木板平行等都會(huì)造成誤差．(2)實(shí)驗(yàn)原理不完善引起誤差．(3)平衡摩擦力不準(zhǔn)確會(huì)造成誤差．關(guān)鍵能力·分層突破考點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)例1.在“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，做如下探究：(1)為猜想加速度與質(zhì)量的關(guān)系，可利用圖1所示裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)．兩小車放在水平板上，前端通過鉤碼牽引，后端各系一條細(xì)線，用板擦把兩條細(xì)線按在桌上，使小車靜止．抬起板擦，小車同時(shí)運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間后按下板擦，小車同時(shí)停下．對(duì)比兩小車的位移，可知加速度與質(zhì)量大致成反比．關(guān)于實(shí)驗(yàn)條件，下列正確的是：________(選填選項(xiàng)前的字母)．A．小車質(zhì)量相同，鉤碼質(zhì)量不同B．小車質(zhì)量不同，鉤碼質(zhì)量相同C．小車質(zhì)量不同，鉤碼質(zhì)量不同(2)某同學(xué)為了定量驗(yàn)證(1)中得到的初步關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并得到小車加速度a與質(zhì)量M的7組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表所示．在圖2所示的坐標(biāo)紙上已經(jīng)描好了6組數(shù)據(jù)點(diǎn)，請(qǐng)將余下的一組數(shù)據(jù)描在坐標(biāo)紙上，并作出a-1M次數(shù)1234567a/(m·s－2)0.620.560.480.400.320.240.15M/kg0.250.290.330.400.500.711.00(3)在探究加速度與力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)之前，需要思考如何測(cè)“力”．請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出小車受力的示意圖．為了簡(jiǎn)化“力”的測(cè)量，下列說法正確的是：________(選填選項(xiàng)前的字母)．A.使小車沿傾角合適的斜面運(yùn)動(dòng)，小車受力可等效為只受繩的拉力B.若斜面傾角過大，小車所受合力將小于繩的拉力C.無(wú)論小車運(yùn)動(dòng)的加速度多大，砂和桶的重力都等于繩的拉力D.讓小車的運(yùn)動(dòng)趨近于勻速運(yùn)動(dòng)，砂和桶的重力才近似等于繩的拉力跟進(jìn)訓(xùn)練1.某實(shí)驗(yàn)小組利用下圖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(hào))A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長(zhǎng)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(dòng)摩擦力時(shí)，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上C．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開木塊再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源D．通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時(shí)，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(dòng)時(shí)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________(選填“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(shí)驗(yàn)室，各取一套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，分別得到如圖中甲、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(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ甲、μ乙，由圖可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙(選填“大于”“小于”或“等于”)．考點(diǎn)二拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)例2.[2021·湖南卷，11]某實(shí)驗(yàn)小組利用圖(a)所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關(guān)系．主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量墊塊厚度h，示數(shù)如圖(b)所示，h＝________cm；(2)接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌至水平；(3)在右支點(diǎn)下放一墊塊，改變氣墊導(dǎo)軌的傾斜角度；(4)在氣墊導(dǎo)軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個(gè)數(shù)n和滑塊對(duì)應(yīng)的加速度a；(5)在右支點(diǎn)下增加墊塊個(gè)數(shù)(墊塊完全相同)，重復(fù)步驟(4)，記錄數(shù)據(jù)如下表：n123456a/(m·s－2)0.0870.1800.2600.4250.519根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點(diǎn)，繪制圖線．如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應(yīng)該是________m/s2(保留三位有效數(shù)字)．跟進(jìn)訓(xùn)練2.某學(xué)習(xí)小組利用如圖所示的裝置探究“合力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量的關(guān)系”，圖中A為小車(車上有槽，可放入砝碼)，B為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，C為彈簧測(cè)力計(jì)，P為小桶(可裝砂)，Q是一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板，主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：①正確平衡摩擦力后，按圖中位置釋放小車，在小車向右運(yùn)動(dòng)的過程中，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為4.20N；②小車槽內(nèi)增加砝碼，多次增減桶中砂的質(zhì)量，直至按圖中位置釋放小車后測(cè)力計(jì)的示數(shù)為4.20N，得到點(diǎn)跡清晰的紙帶，根據(jù)紙帶算出小車運(yùn)動(dòng)的加速度a，測(cè)出動(dòng)滑輪和桶及桶中砂的總質(zhì)量m、小車及砝碼的總質(zhì)量M；③小車槽內(nèi)再增加砝碼，重復(fù)步驟②，可獲得加速度a、總質(zhì)量m和總質(zhì)量M的多組數(shù)據(jù)，用描點(diǎn)法畫出圖象．請(qǐng)回答下列問題．(1)在平衡小車受到的摩擦力時(shí)，下列做法正確的是________．(填正確答案標(biāo)號(hào))A．小車不要連接紙帶B．水平桌面上加墊塊將木板左端墊高C．小車前端系細(xì)繩，并增減小桶P中的砂子，使小車做勻速運(yùn)動(dòng)(2)在步驟②中，小車槽內(nèi)增加砝碼，________(選填“必須”或“不必”)重新平衡摩擦力．(3)在步驟②中，小車槽內(nèi)增加砝碼，不改變桶中砂的質(zhì)量，仍按圖中位置釋放小車后發(fā)現(xiàn)：彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)________(選填“大于”“等于”或“小于”)4.20N．(4)在本實(shí)驗(yàn)中，下列圖象正確的有________．3．某同學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的裝置如圖甲所示．(1)輕質(zhì)細(xì)繩一端系在小車上，繞過滑輪后另一端掛總質(zhì)量m＝0.5kg的沙和沙桶．多次調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角θ，使小車沿斜面向下做勻速直線運(yùn)動(dòng)．通過計(jì)算機(jī)將兩光電門的遮光時(shí)間自動(dòng)描繪在顯示屏上，得到三次調(diào)節(jié)的圖象如圖乙所示，其中符合要求的是________．(2)保持長(zhǎng)木板的傾角不變，取下細(xì)繩、沙和沙桶，然后讓小車沿長(zhǎng)木板滑下，計(jì)算機(jī)得到圖象如圖丙所示．測(cè)得小車上遮光條的寬度為d＝2.3mm，則小車加速度a＝________m/s2.(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)(3)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.8m/s2，則小車的質(zhì)量M＝________kg.(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)溫馨提示：請(qǐng)完成單元質(zhì)量評(píng)估實(shí)驗(yàn)四驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律關(guān)鍵能力·分層突破例1解析：(1)為了探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，必須控制小車所受拉力相同，而讓小車的質(zhì)量不同，所以鉤碼質(zhì)量相同，故B正確．(2)數(shù)據(jù)描點(diǎn)和a-1M(3)使小車沿傾角合適的斜面運(yùn)動(dòng)，小車所受重力沿斜面的分力剛好等于小車所受的摩擦力，則小車受力可等效為只受繩的拉力，故A正確；若斜面傾角過大，重力沿斜面的分力大于摩擦力，小車所受合力將大于繩的拉力，不利于簡(jiǎn)化“力”的測(cè)量，故B錯(cuò)誤；由牛頓第二定律可知，無(wú)論小車運(yùn)動(dòng)的加速度多大，砂和桶的重力都大于繩的拉力，故C錯(cuò)誤；當(dāng)小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和桶的質(zhì)量時(shí)，砂和桶的重力近似等于繩的拉力，故D錯(cuò)誤．故選A.答案：(1)B(2)如解析圖(3)見解析圖A1．解析：(1)在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，平衡摩擦力時(shí)木板不通過定滑輪掛砝碼桶，而要掛紙帶，并且改變質(zhì)量時(shí)不需要重新平衡摩擦力；在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源再放開木塊，故選項(xiàng)A、D正確，B、C錯(cuò)誤．(2)選木塊(M)、砝碼桶及桶內(nèi)的砝碼(m)為研究對(duì)象，則mg＝(M＋m)a①選砝碼桶及桶內(nèi)的砝碼為研究對(duì)象則mg－FT＝ma②聯(lián)立①②得：FT＝mg－m要使FT＝mg，需要m2gM+m接近于0，即(3)對(duì)木塊，由牛頓第二定律得：F－μmg＝ma即a＝1mF－μg由上式與題圖結(jié)合可知：1m甲＞1m乙，μ甲g＞即：m甲<m乙，μ甲>μ乙答案：(1)AD(2)遠(yuǎn)小于(3)小于大于例2解析：(1)根據(jù)游標(biāo)卡尺讀數(shù)規(guī)則可知h＝10mm＋2×0.1mm＝1.02cm.(5)根據(jù)題表中數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線，繪制圖線如圖所示，由圖可知第4組數(shù)據(jù)中的加速度a為0.345m/s2.答案：(1)1.02(5)如解析圖所示0.3452．解析：(1)在平衡摩擦力時(shí)，小車要連接紙帶，既平衡掉紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦，又能根據(jù)紙帶上的點(diǎn)跡情況判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；木板左端墊高，才能讓小車所受重力沿木板方向的分力G1與摩擦力平衡，選項(xiàng)B正確；在平衡摩擦力時(shí)，小車不能受額外的拉力，應(yīng)僅靠分力G1與摩擦力平衡，使小車做勻速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．(2)由Mgsinθ＝μMgcosθ知，當(dāng)分力G1與摩擦力平衡后，只要木板的傾角θ不變，Mgsinθ＝μMgcosθ的成立與M無(wú)關(guān)，所以小車槽內(nèi)增加砝碼，不必重新平衡摩擦力．(3)設(shè)細(xì)繩的拉力大小為F，根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)小車有F＝Ma，對(duì)動(dòng)滑輪和桶及桶中砂整體有mg－2F＝m·12a，解得F＝mg2+m2M，可見當(dāng)M(4)由F＝Ma得a＝F·1M，則F不變時(shí)a與1M成正比，選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；由mg－2F＝m·12a得a＝－4F·1m＋2g，則a與1m答案：(1)B(2)不必(3)大于(4)BD3．解析：(1)小