2022年高一物理 寒假作業(yè) 第12天 驗證牛頓運(yùn)動定律 新人教版
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1、2022年高一物理 寒假作業(yè) 第12天 驗證牛頓運(yùn)動定律 新人教版 考綱要求:II 難易程度:★★★☆☆ 某同學(xué)設(shè)計了一個探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m關(guān)系的實驗,如圖甲所示為實驗裝置簡圖。(交流電的頻率為50 Hz) (1)這個實驗_______________(填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力。 (2)砂桶和砂的質(zhì)量m_______小車的質(zhì)量M。 (3)圖乙所示為某次實驗得到的紙帶,根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為________ m/s2; (4)保持小盤及盤中砝碼的質(zhì)量不變,改變小車質(zhì)量m,分別得到小車的加速度a與小車質(zhì)量m及對應(yīng)的的數(shù)據(jù)如下表: a
2、/(m·s-2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg-1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 請在下圖所示的坐標(biāo)紙中畫出a—的圖象,并由圖象求出小車的加速度a與質(zhì)量的倒數(shù)之間的關(guān)系式是________。 【參考答案】(1)需要 (2)<< (3)3.19 (1)如圖所示 【試題解析】(1)根據(jù)實驗原理可以知道只有平衡摩擦力后才可以將砂和
3、桶的總重力看作小車的拉力,所以需要平衡摩擦力; (2)根據(jù)實驗原理可以知道砂和桶的總質(zhì)量m要遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量M時,可將砂和桶的總重力看作小車的拉力; (3)由交流電的頻率為50 Hz可得,題圖乙中兩相鄰點(diǎn)間的時間間隔T=0.02 s。由,t=2T得, (4)如圖所示,由圖象求出小車的加速度a與質(zhì)量的倒數(shù)之間的關(guān)系式是。 【知識補(bǔ)給】 注意事項失分探秘 (1)平衡摩擦力時中的“不重復(fù)”:平衡了摩擦力后,不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量都不需要平衡摩擦力。 (2)操作中的“一先一后一按”:改變拉力和小車質(zhì)量后,每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計時器,并先
4、接通電源,后放開小車,且應(yīng)在小車碰到滑輪之前按住小車。 (3)作圖中的“擬合與舍棄”:要使盡可能多的點(diǎn)在一條直線上,不在直線上的點(diǎn)也要盡可能均勻的分布在直線的兩側(cè),遇到個別偏差較大的點(diǎn)應(yīng)舍去。 (4)改變小車質(zhì)量或拉力大小時,改變量應(yīng)盡可能大一些,但應(yīng)滿足小盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量。 常見誤差及分析 特征 產(chǎn)生原因 圖線上部彎曲 當(dāng)小車受力F較大時,不滿足“小盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量”的條件 圖線與a軸有截距 平衡摩擦力時長木板的傾角過大,F(xiàn)=0時(不掛小盤和加放砝碼),小車就具有加速度 圖象與F軸有截距 平衡摩擦力時長木板
5、的傾角過小,或未平衡摩擦力。只有當(dāng)F增加到一定值,小車才獲得加速度 如圖是某些同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的圖形,下列說法中正確的是 A.形成圖(甲)的原因是平衡摩擦力時長木板傾角過小 B.形成圖(乙)的原因是平衡摩擦力時長木板傾角過大 C.形成圖(丙)的原因是平衡摩擦力時長木板傾角過大 D.形成圖(?。┑脑蚴瞧胶饽Σ亮r長木板傾角過小 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中,某同學(xué)使用了如圖1所示的裝置,打點(diǎn)計時器使用的交流電頻率為50 Hz。 (1)該同學(xué)得到一條紙帶,在紙帶上取連續(xù)的六個點(diǎn),如圖2所示,自A點(diǎn)起,相鄰兩點(diǎn)的距離分別為10.1 mm、12.0 mm、14.1
6、 mm、16.0 mm、18.0 mm,則打E點(diǎn)時小車速度為______m/s,小車的加速度為______ m/s2(結(jié)果保留一位小數(shù))。 (2)該同學(xué)要探究小車的加速度a和質(zhì)量M的關(guān)系,應(yīng)該保持______;若該同學(xué)要探究加速度a和拉力F關(guān)系,應(yīng)該保持______不變; (3)該同學(xué)通過數(shù)據(jù)的處理作出了a?F圖象,如圖3所示,則圖中直線不過原點(diǎn)的原因可能是______。 某同學(xué)用如圖所示的裝置做“探究加速度與力的關(guān)系”的實驗:小車擱置在水平放置的長木板上,紙帶連接車尾并穿過打點(diǎn)計時器,用來測定小車的加速度a,小桶通過細(xì)線對小車施拉力F。在保持小車質(zhì)量不變的情況下,改變對小車?yán)的
7、大小,測得小車所受拉力F和加速度a的數(shù)據(jù)如下表: (1)根據(jù)測得的數(shù)據(jù),在上圖中作出a-F圖象。 (2)由圖象可知,小車與長木板之間的最大靜摩擦力大小為_________N。 (3)若要使作出的a-F圖線過坐標(biāo)原點(diǎn),需要調(diào)整實驗裝置,可采取以下措施中的_______。 A.增加小車的質(zhì)量 B.減小小車的質(zhì)量 C.適當(dāng)墊高長木板的右端 D.適當(dāng)增加小桶內(nèi)砝碼質(zhì)量 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(xì)線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與
8、力傳感器相連(力傳感器可測得細(xì)線上的拉力大?。鞲衅飨路綉覓煦^碼,每次滑塊都從A處由靜止釋放。 (1)該同學(xué)用游標(biāo)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(dāng)大些 C.使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行 D.使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)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x,則滑塊的加速度a=__________。 為了測量兩個質(zhì)量不等的沙袋的質(zhì)量,由于沒有直接
9、測量工具,某實驗小組應(yīng)用下列器材測量:輕質(zhì)定滑輪(質(zhì)量和摩擦可忽略)、砝碼一套(總質(zhì)量為m=0.5 kg)、細(xì)線、米尺、秒表,他們根據(jù)已學(xué)過的物理學(xué)知識,改變實驗條件進(jìn)行多次測量,選擇合適的變量得到線性關(guān)系,作出圖線并根據(jù)圖線的斜率和截距求出沙袋的質(zhì)量。操作如下:g=10 m/s2。 (1)實驗裝置如圖,設(shè)左右兩邊沙袋的質(zhì)量分別為m1、m2; (2)從m中取出質(zhì)量為m′的砝碼放在右邊沙袋中,剩余砝碼都放在左邊沙袋中,發(fā)現(xiàn)m1下降m2上升; (3)用米尺測出沙袋m1從靜止下降的距離h,用秒表測出沙袋m1下降時間t,則可知沙袋的加速度大小為a=________。 (4)改變m′,測量相應(yīng)的
10、加速度a,得到多組m′及a的數(shù)據(jù),作出___________(選填“a~m′”或“a~1/m′”)圖線; (5)若求得圖線的斜率k=4 m/kg·s2,截距b=2 m/s2,沙袋的質(zhì)量m1=________kg,m2=________kg。 某同學(xué)設(shè)計了如圖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,并測出間距d。開始時讓木板置于MN處,現(xiàn)緩慢向瓶中加水,直到木板剛剛開始運(yùn)動為止,記下彈簧秤的示數(shù),以此表示滑動摩擦力的大小。再將木板放回原處并按
11、住,繼續(xù)向瓶中加水后,記下彈簧秤的示數(shù),然后釋放木板,并用秒表記下木板運(yùn)動到PQ處的時間t。 (1)木板的加速度可以用d、t表示為a=________; (2)改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實驗,確定加速度a與彈簧秤示數(shù)的關(guān)系。下列圖象能表示該同學(xué)實驗結(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.可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) B.可以改變滑動摩擦力的大小 C.可以比較精確地測出滑動摩擦力的大小 D.可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 如圖所示,為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖。砂和砂桶的總質(zhì)量為m,小車
12、和砝碼的總質(zhì)量為M,實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細(xì)線對小車?yán)Φ拇笮 ? (1)實驗中,為了使細(xì)線對小車的拉力等于小車所受的合外力,先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細(xì)線與長木板平行。接下來還需要進(jìn)行的一項操作是________。 A.將長木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計時器的紙帶,給打點(diǎn)計時器通電,調(diào)節(jié)m的大小,使小車在砂和砂桶的牽引下運(yùn)動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動 B.將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?,讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計時器的紙帶,撤去砂和砂桶,給打點(diǎn)計時器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動 C.將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?,撤去紙帶以及砂和砂?/p>
13、,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動 (2)實驗中要進(jìn)行質(zhì)量m和M的選取,以下最合理的一組是________。 A.M=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g B.M=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g C.M=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g D.M=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g (3)如圖是實驗中得到的一條紙帶,A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數(shù)點(diǎn),相鄰的兩個計數(shù)點(diǎn)之間還有四個點(diǎn)未畫出。量出相鄰的計
14、數(shù)點(diǎn)之間的距離分別為:xAB=4.22 cm、xBC=4.65 cm、xCD=5.08 cm、xDE=5.49 cm,xEF=5.91 cm,xFG=6.34 cm。已知打點(diǎn)計時器的工作頻率為50 Hz,則打D點(diǎn)小車的速度_______,小車的加速度a=___m/s2。(結(jié)果保留二位有效數(shù)字) 【參考答案】 【點(diǎn)睛】a–F圖象時縱軸有截距是平衡摩擦力時長木板傾角過大,橫軸有截距是平衡摩擦力時長木板傾角過?。籥?1/M圖象縱軸有截距是平衡摩擦力時長木板傾角過大,橫軸有截距是平衡摩擦力時長木板傾角過小。 (3)圖中當(dāng)時,,也就是說當(dāng)繩子上沒有拉力時,小車的加速度不為0,說明小車的
15、摩擦力小于重力的分力,所以原因是平衡摩擦力過度即木板傾斜過度。 【點(diǎn)睛】實驗問題需要結(jié)合物理規(guī)律去解決,對于實驗我們要清楚每一項操作存在的理由。其中平衡摩擦力的原因以及做法在實驗中應(yīng)當(dāng)清楚,數(shù)據(jù)處理時注意單位的換算。 (1)如圖所示 (2)0.10 (3)C (1)在圖象中根據(jù)所給的數(shù)據(jù)描點(diǎn),然后用一條直線連接這些點(diǎn)(連接時要讓盡可能多得點(diǎn)落在直線上,讓其他的點(diǎn)盡可能分布在直線的兩側(cè)); (2)當(dāng)拉力大于等于最大靜摩擦?xí)r,物體開始運(yùn)動,由(1)問所得圖象可知,當(dāng)拉力等于時物體開始運(yùn)動,故最大靜摩擦力為; (3)若要使作出的圖線過坐標(biāo)原點(diǎn),即繩子的拉力就等于小車所受的合外力,故
16、需要平衡摩擦力,其方法是適當(dāng)墊高長木板的右端,故C正確。 【點(diǎn)睛】只要真正掌握了實驗原理就能順利解決此類實驗題目,而實驗步驟,實驗數(shù)據(jù)的處理都與實驗原理有關(guān),故要加強(qiáng)對實驗原理的學(xué)習(xí)和掌握。 (1)2.25 (2)D (3) (1)游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為2 mm,游標(biāo)讀數(shù)為0.05×5 mm=0.25 mm,所以最終讀數(shù)d=2 mm+0.25 mm=2.25 mm; (2)A.應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平,使拉力才等于合力,故A必要;B.應(yīng)使A位置與光電門間的距離適當(dāng)大些,有利于減小誤差,故B必要;C.要保持拉線方向與木板平面平行,拉力才等于合力,故C必要;D.拉力是直接通過傳感器測量的,故
17、與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無關(guān),故D不需要;故選D。 (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,滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過光電門的平均速度,,根據(jù)v2=2ax得,滑塊的加速度。 【點(diǎn)睛】游標(biāo)卡尺讀數(shù)結(jié)果等于固定刻度讀數(shù)加上可動刻度讀數(shù),不需要估讀;拉力是直接通過傳感器測量的,與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無關(guān)?;瑝K經(jīng)過光電門時的瞬時速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過光電門的平均速度,根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式求解加速度。 得知:作出a~m′圖線;圖線斜率,截距,將m=0.5 kg,g=10 m/s2,k=4 m/kg·s2,b=2 m/s2,代入解
18、得:。 (1) (2)C (3)AC (1)根據(jù)運(yùn)動學(xué)位移與時間關(guān)系可得:,解得:; (2)由題意可知,木板受到的滑動摩擦力為:,把木板和礦泉水瓶看成一個系統(tǒng),令m為礦泉水瓶的質(zhì)量,M為木板的質(zhì)量。根據(jù)牛頓第二定律可得:,聯(lián)立解得:,根據(jù)函數(shù)斜率和截距的概念可知,隨著礦泉水質(zhì)量m增大,圖象的斜率逐漸減小,故C圖正確。 (3)由于水與砝碼相比能任意改變,所以它的優(yōu)點(diǎn)是可以更方便地獲取多組數(shù)據(jù),故A正確;由于木板受到的摩擦力與礦泉水的質(zhì)量無關(guān),故B錯誤;由于水的多少可以任意變化,可以比較精確地測出木板所受摩擦力的大小,故C正確;由于加速度越大需要水的質(zhì)量越大,而水的質(zhì)量越大時圖象的斜率越小,實驗的精確度會越小,故D錯誤。所以AC正確,BD錯誤。 (3)相鄰的兩個計數(shù)點(diǎn)之間還有四個點(diǎn)未畫出,相鄰的計數(shù)點(diǎn)時間間隔為,根據(jù)勻變速直線運(yùn)動的中間時刻推論可得;利用勻變速直線運(yùn)動的推論,得:,為了更加準(zhǔn)確地求解加速度,我們對三個加速度取平均值得:。
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