2020屆高考物理總復(fù)習(xí) 作業(yè)15 實(shí)驗(yàn)四 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（含解析）

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1、 作業(yè)15　實(shí)驗(yàn)四　探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 6 一、選擇題 1．關(guān)于“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證“作用力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比”的實(shí)驗(yàn)過程，以下做法中正確的是(　　) A．平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將裝砂的小桶用細(xì)繩通過定滑輪系在小車上 B．每次改變小車的質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力 C．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開小車，再接通電源 D．可以利用天平測(cè)出砂桶和砂的質(zhì)量m和小車的質(zhì)量M，直接用公式a＝求出加速度 解析：平衡摩擦力時(shí)，使小車的重力沿斜面向下的分力與小車運(yùn)動(dòng)所受摩擦力平衡，所以不能將小桶系在小車上，A錯(cuò)誤；平衡摩擦力后，小車和板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝tan α，與小車的質(zhì)量無關(guān)，

2、所以改變小車的質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力，B正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后，再放開小車，C錯(cuò)誤；本實(shí)驗(yàn)是探究作用力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比，不能直接用公式a＝求加速度，D錯(cuò)誤． 答案：B 二、非選擇題 2．(2019年汕頭質(zhì)檢)如圖15－1為驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖． (1)平衡小車所受阻力的操作：取下________，把木板不帶滑輪的一端墊高；接通電火花計(jì)時(shí)器電源，輕推小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)．如果打出的紙帶如圖15－2所示，則應(yīng)________(選填“減小”或“增大”)木板的傾角，反復(fù)調(diào)節(jié)，直到紙帶上打出的點(diǎn)跡________為止． 圖15－1

3、 圖15－2 圖15－3 (2)圖15－3為研究“在外力一定的條件下，物體的加速度與其質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)所得的實(shí)驗(yàn)圖象，橫坐標(biāo)m為小車上砝碼的質(zhì)量．設(shè)圖中直線的斜率為k，在縱軸上的截距為b，若牛頓第二定律成立，則小車受到的拉力為________，小車的質(zhì)量為________． 解析：(1)平衡小車所受阻力時(shí)，需要將砝碼取下；題圖紙帶反映了小車在做加速運(yùn)動(dòng)，即墊木墊高了，應(yīng)減小木板的傾角，直到紙帶打出的點(diǎn)跡均勻?yàn)橹梗? (2)當(dāng)小車上的砝碼為零時(shí)，小車加速度為a0＝，設(shè)小車的質(zhì)量為M，則小車受到的拉力為F＝Ma0＝；圖中直線的函數(shù)關(guān)系式為＝km＋b，根據(jù)牛頓第二定律F＝(m＋M)a，可解得

4、：M＝，F(xiàn)＝. 答案：(1)砝碼　減小　間隔相等(均勻)　(2)　 3．如圖15－4所示，為某同學(xué)安裝的“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)裝置，在小車的前端固定一個(gè)傳感器，和砂桶連接的細(xì)線接在傳感器上，通過傳感器可顯示出細(xì)線的拉力．在圖示狀態(tài)下開始做實(shí)驗(yàn)． 圖15－4 (1)從圖上可以看出，該同學(xué)在裝置和操作中的主要錯(cuò)誤是____________________________． (2)若砂和砂桶的質(zhì)量為m，小車和傳感器的總重量為M，做好此實(shí)驗(yàn)________(填“需要”或“不需要”)M?m的條件． 解析：不加傳感器時(shí)將砂和砂桶的重力作為細(xì)線的拉力，而接了傳感器后細(xì)線的拉力可以直接讀出

5、． 答案：(1)未平衡摩擦力；細(xì)線與木板不平行；開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn)　(2)不需要 4．(2019年云南十一校調(diào)研)如圖15－5甲所示，力傳感器A與計(jì)算機(jī)相連接，可獲得力隨時(shí)間變化的規(guī)律，將力傳感器固定在水平桌面上，測(cè)力端通過輕質(zhì)細(xì)繩與一滑塊相連，調(diào)節(jié)傳感器高度使細(xì)繩水平，滑塊放在較長的小車上，滑塊的質(zhì)量m＝1.5 kg，小車的質(zhì)量為M＝1.65 kg.一根輕質(zhì)細(xì)繩跨過光滑的輕質(zhì)滑輪，其一端連接小車，另一端系一只空砂桶，調(diào)節(jié)滑輪使桌面上部細(xì)繩水平，整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)．現(xiàn)打開傳感器，同時(shí)緩慢向砂桶里倒入砂，當(dāng)小車剛好開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，立即停止倒砂．若力傳感器采集的F－t圖象如圖15－

6、5乙所示，重力加速度取g＝10 m/s2，則： 圖15－5 (1)滑塊與小車間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝________；若忽略小車與水平桌面間的摩擦，小車穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度大小a＝________m/s2. (2)若實(shí)驗(yàn)中傳感器測(cè)力端與滑塊間的細(xì)繩不水平，左端略低一些，由此而引起的動(dòng)摩擦因數(shù)μ的測(cè)量結(jié)果________(填“偏大”或“偏小”)． 解析：(1)根據(jù)題圖乙所示的圖象可知，滑塊所受的滑動(dòng)摩擦力為Ff＝3.0 N，滑塊與小車之間的正壓力FN＝mg＝1.5×10 N＝15 N．由Ff＝μFN，解得μ＝0.2.根據(jù)題圖乙可知小車所受拉力等于砂桶和砂的重力m′g＝3.5 N，砂桶和砂的質(zhì)量

7、m′＝0.35 kg.若忽略小車與水平桌面間的摩擦，對(duì)小車和砂桶、砂整體，由牛頓第二定律得m′g－Ff＝(m′＋M)a，解得小車穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度大小a＝0.25 m/s2.(2)若實(shí)驗(yàn)中傳感器測(cè)力端與滑塊間的細(xì)繩不水平，左端略低一些，滑塊與小車之間的正壓力FN大于重力mg，由此而引起的動(dòng)摩擦因數(shù)μ的測(cè)量結(jié)果偏大． 答案：(1)0.2　0.25　(2)偏大 5．(2019年唐山模擬)用圖15－6(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓第二定律： (1)某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)得到如下圖15－6(b)所示的a－F圖象，造成這一結(jié)果的原因是：在平衡摩擦力時(shí)木板與水平桌面間的傾角________(填“偏大”或“偏小”

8、)． 圖15－6 (2)該同學(xué)在平衡摩擦力后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際小車在運(yùn)動(dòng)過程中所受的拉力________砝碼和盤的總重力(填“大于”“小于”或“等于”)，為了便于探究、減小誤差，應(yīng)使小車質(zhì)量M與砝碼和盤的總質(zhì)量m滿足________的條件． (3)某同學(xué)得到如圖15－7所示的紙帶．已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50 Hz.A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個(gè)連續(xù)的點(diǎn)．Δx＝xDG－xAD＝________cm.由此可算出小車的加速度a＝________m/s2(保留兩位有效數(shù)字)． 圖15－7 解析：(1)根據(jù)所給的題a－F圖象可知，當(dāng)F＝0時(shí)，小車已經(jīng)有了加速度a0，所以肯定是在平

9、衡摩擦力時(shí)木板與水平桌面間的傾角偏大造成的． (2)根據(jù)牛頓定律，對(duì)小車F＝Ma，對(duì)砝碼和盤mg－F＝ma，解得F＝＜mg，只有當(dāng)M?m時(shí)，小車受到的拉力才近似等于mg，從而減少誤差． (3)由題圖讀出xAD＝2.10 cm，xDG＝3.90 cm，所以Δx＝xDG－xAD＝1.80 cm，根據(jù)Δx＝aΔt2，解得a＝5.0 m/s2. 答案：(1)偏大　(2)小于　M?m　(3)1.80　5.0 6．(2019年江西八校聯(lián)考)為了探究質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系，一同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖15－8所示的實(shí)驗(yàn)裝置．其中M為帶滑輪的小車的質(zhì)量，m為砂和砂桶的質(zhì)量．(滑輪質(zhì)量不計(jì)) 圖15－8

10、 (1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要進(jìn)行的操作是________． A．用天平測(cè)出砂和砂桶的質(zhì)量 B．將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力 C．小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時(shí)記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù) D．改變砂和砂桶的質(zhì)量，打出幾條紙帶 E．為減小誤差，實(shí)驗(yàn)中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M (2)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中得到如圖15－9所示的一條紙帶(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有兩個(gè)點(diǎn)沒有畫出)，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器采用的是頻率為50 Hz的交流電，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度為________m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)． 圖15－9 圖15－10 (3)以彈簧測(cè)

11、力計(jì)的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，加速度為縱坐標(biāo)，畫出的a－F圖象是一條直線，圖線與橫坐標(biāo)的夾角為θ，求得圖線的斜率為k，則小車的質(zhì)量為________． A．2tanθ B. C．k D. 解析：(1)由題實(shí)驗(yàn)原理圖可以看出，由彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)可得到小車所受的合外力的大小，故不需要測(cè)砂和砂桶的質(zhì)量，也不需要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M，A、E錯(cuò)；為保證繩上拉力提供合外力，必須平衡摩擦力，B對(duì)；小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放小車，同時(shí)讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，C對(duì)；為了多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，需改變砂和砂桶的質(zhì)量多做幾次實(shí)驗(yàn)，D對(duì)． (2)由逐差法可得：小車的加速度 a＝， 將T＝×

12、3 s＝0.06 s代入可得a＝1.3 m/s2. (3)由題圖結(jié)合牛頓第二定律，有2F＝Ma，得a＝F 則圖象斜率k＝，得小車的質(zhì)量M＝，故A、B、C錯(cuò)，D對(duì)． 答案：(1)BCD　(2)1.3　(3)D 7. 圖15－11 某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖15－11所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系．彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細(xì)繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接．在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測(cè)出間距d.開始時(shí)將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運(yùn)動(dòng)為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動(dòng)摩擦力的大小，再將木板放回

13、原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運(yùn)動(dòng)到PQ處的時(shí)間t. (1)木塊的加速度可以用d、t表示為a＝________；為了減小測(cè)量加速度的偶然誤差可以采用的方法是________(一種即可)． (2)改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系．下列圖象能表示該同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的是________。 (3)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點(diǎn)是________。 A．可以改變滑動(dòng)摩擦力的大小 B．可以更方便地獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) C．可以比較精確地測(cè)出摩擦力的大小 D．可以獲得更大的加速度以提高實(shí)驗(yàn)精度

14、 解析：(1)木板在繩子拉力的作用下做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由d＝at2可知：a＝.為了減小測(cè)量加速度的偶然誤差可以采用的方法是保持F1不變，重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次測(cè)量d、t取平均值． (2)該實(shí)驗(yàn)原理與教材實(shí)驗(yàn)原理類似，同樣需要滿足木板的質(zhì)量M遠(yuǎn)大于礦泉水瓶的質(zhì)量m，此時(shí)可認(rèn)為繩上的拉力FT近似等于彈簧秤示數(shù)F1.本實(shí)驗(yàn)中沒有平衡摩擦力，但通過題意可知木板受到的摩擦力為F0，木板受到的合外力為(F1－F0)．圖象反映的是a與F1的關(guān)系，而不是a與(F1－F0)的關(guān)系，所以圖象不過原點(diǎn)．當(dāng)F1增大時(shí)，即礦泉水瓶的質(zhì)量m增大時(shí)，實(shí)驗(yàn)的前提條件不再滿足，此時(shí)a越大，繩上的拉力FT就越小于彈簧秤示數(shù)F

15、1，加速度增加得就越慢，圖線向下彎曲，C正確． (3)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點(diǎn)是可以更方便地獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和比較精確地測(cè)出摩擦力的大小，B、C說法是正確的，兩種實(shí)驗(yàn)方法都不能改變滑動(dòng)摩擦力的大小，A錯(cuò)誤；通過(2)中分析可以知道當(dāng)加速度增大時(shí)，實(shí)驗(yàn)條件便不再滿足，此時(shí)實(shí)驗(yàn)誤差變大，D說法錯(cuò)誤． 答案：(1)　保持F1不變，重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次測(cè)量，求平均值　(2)C　(3)BC 8．某實(shí)驗(yàn)小組利用圖15－12所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系． 圖15－12 (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

16、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(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________木塊和木塊上砝碼的總質(zhì)量．(填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”) (3)甲、乙兩同學(xué)在同一實(shí)驗(yàn)室，各取一套圖示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15－13中甲、乙兩條直線．設(shè)甲、乙

17、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．(填“大于”“小于”或“等于”) 圖15－13 解析：(1)A選項(xiàng)正確，使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行可以保證車沿運(yùn)動(dòng)方向受到的力即繩子對(duì)車的拉力；B選項(xiàng)錯(cuò)誤，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)，不應(yīng)懸掛重物；C選項(xiàng)錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源待其平穩(wěn)工作后再釋放木塊，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)先控制木塊停下再停止打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；D選項(xiàng)正確，平衡摩擦之后，Mgsinθ＝μMgcosθ成立，改變木塊上的砝碼相當(dāng)于改變小車和砝碼總質(zhì)量M，上式依然成立．(2)按照教材上的實(shí)驗(yàn)原理以砝碼桶及砝碼作為小木塊的外力，則有F＝mg(m為砝碼桶及砝碼總質(zhì)量)，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中砝碼桶及砝碼也與小木塊一起做勻加速運(yùn)動(dòng)，即對(duì)砝碼桶及砝碼有mg－F′＝ma，對(duì)小木塊有F′＝Ma.綜上有：F′＝mg，只有當(dāng)m?M時(shí)，才能有效的保證F′更接近mg，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性．(3)當(dāng)沒有平衡摩擦力時(shí)有：F－μMg＝Ma，故a＝F－μg，即圖線斜率為，縱軸截距的大小為μg.由圖線可知m甲小于m乙，μ甲大于μ乙． 答案：(1)AD　(2)遠(yuǎn)小于　(3)小于　大于 7