【物理】2020届二轮复习牛顿运动定律实验作业

【物理】2020届二轮复习牛顿运动定律实验作业

‎1.(2019全国Ⅱ·22)如图(a),某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验.所用器材有:铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50 Hz的交流电源、纸带等.回答下列问题:‎ 图(a)‎ ‎(1)铁块与木板间动摩擦因数μ=　　　　　(用木板与水平面的夹角θ、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示). ‎ ‎(2)某次实验时,调整木板与水平面的夹角使θ=30°.接通电源,开启打点计时器,释放铁块,铁块从静止开始沿木板滑下.多次重复后选择点迹清晰的一条纸带,如图(b)所示.图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出).重力加速度为9.80 m/s2.可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为　　　　　(结果保留2位小数). ‎ 图(b)‎ 答案(1)gsinθ-agcosθ　(2)0.35‎ 解析(1)对铁块受力分析得mgsin θ-μmgcos θ=ma 所以μ=gsinθ-agcosθ.‎ ‎(2)根据逐差法求加速度 a=‎[76.39-31.83-(31.83-5)]×1‎‎0‎‎-2‎‎9‎T‎2‎ m/s2‎ ‎=‎17.73×1‎‎0‎‎-2‎‎9×0.‎‎1‎‎2‎ m/s2=1.97 m/s2,‎ μ=gsinθ-agcosθ‎=‎‎9.80×0.5-1.97‎‎9.80×0.866‎≈0.35.‎ ‎2.某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮:轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下:‎ 图(a)‎ ‎(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑.‎ ‎(2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移x,绘制x-t图象,经数据处理后可得到相应的加速度a.‎ ‎(3)对应于不同的n的a值见下表.n=2时的x-t图象如图(b)所示:由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表.‎ n ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ a/m·s-2‎ ‎0.20‎ ‎0.58‎ ‎0.78‎ ‎1.00‎ ‎(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图象.从图象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比.‎ 图(b)‎ 图(c)‎ ‎(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为　　　　 kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8 m·s-2). ‎ ‎(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是　　　　　(填入正确选项前的标号) ‎ A.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大 答案(3)0.40(0.37~0.49均对)　(4)a-n图线见解析 ‎(5)0.45(在0.43和0.47均对)　(6)BC 解析(3)小滑车释放后做初速度为零的匀加速直线运动满足x=‎1‎‎2‎at2①‎ 由图(b)知,当x=0.8 m时,t=2.00 s,代入①式解得a=0.40 m/s2‎ ‎(5)描点作图a-n图线如图:‎ 对钩码与小滑车组成的系统有 nmg=(m'+5m)a 代入数据解得a=mgm'+5mn=‎0.1Nm'+0.05kgn 由图象知k=‎1‎‎5‎,‎ 故‎0.1‎m'+0.05‎‎=‎‎1‎‎5‎,‎ 解得m'=0.45 kg.‎ ‎(6)若木板保持水平,则对系统由牛顿第二定律得 nmg-μ[m'+(N-n)m]g=(m'+Nm)a a=‎(1+μ)mgm'+Nmn-μg=‎(1+μ)mgm'+5mn-μg.‎ 由此知图线不过原点,且斜率增大,故B、C选项正确.‎ ‎3.如图甲所示是研究小车加速度与力关系的实验装置.木板置于水平桌面上,一端系有沙桶的细绳通过滑轮与拉力传感器相连,拉力传感器可显示所受的拉力大小F,改变桶中沙的质量多次实验.完成下列问题:‎ 甲 ‎(1)实验中需要　　　　　. ‎ A.测量沙和沙桶的总质量 B.保持细线与长木板平行 C.保持小车的质量不变 D.满足沙和沙桶的总质量远小于小车的质量 ‎(2)实验中得到一条纸带,相邻计数点间有四个点未标出,各计数点到A点的距离如图乙所示.电源的频率为50 Hz,则打B点时小车速度大小为　　　m/s,小车的加速度大小为　　　　m/s2. ‎ ‎(3)实验中描绘出a-F图象如图丙所示,图象不过坐标原点的原因是　. ‎ 答案(1)BC　(2)0.416或0.42　1.48　(3)平衡摩擦力过度 解析(1)绳子的拉力可以通过拉力传感器测出,不需要用天平测出沙和沙桶的质量,故A错误;为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力,需要平衡摩擦力,平衡摩擦力时应当将穿过打点计时器的纸带连在小车上,调整长木板的倾斜度,让小车拖着纸带做匀速直线运动,同时要调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行,所以B选项是正确的;本实验采用的是控制变量法,要研究小车加速度与力的关系,必须保持小车的质量不变,所以C选项是正确的;实验中拉力通过拉力传感器测出,不需要满足沙和沙桶的质量远小于小车的质量,故D错误.‎ ‎(2)已知打点计时器电源频率为50 Hz,则纸带上相邻计数点间的时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s.‎ B点对应的速度为:‎ vB=xAC‎2T‎=‎‎8.32‎‎0.2‎ cm/s=0.416 m/s 由图乙知x1=3.40 cm,x2=(8.32-3.40)cm=4.92 cm,x3=(14.73-8.32)cm=6.41 cm,‎ x4=(22.56-14.73)cm=7.83 cm.‎ 所以小车加速度a=‎(x‎3‎+x‎4‎)-(x‎1‎+x‎2‎)‎‎4‎T‎2‎=1.48 m/s2‎ ‎(3)由图象可以知道,a-F图象在a轴上有截距,这是因为平衡摩擦力过度造成的,即在实际操作中,平衡摩擦力时斜面倾角过大.‎ ‎4.(2019江西南昌二模)物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数.实验装置如图甲所示.一表面粗糙的木板固定在水平桌面上,一端装有定滑轮;木板上有一滑块,其一端与电磁打点计时器的纸带相连,另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接.打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz,开始实验时,在托盘中放入适量砝码,滑块开始向右运动,在纸带上打出一系列小点.‎ 甲 乙 ‎(1)图乙中给出的是实验中获取的一条纸带的一部分:0、1、2、3、4、5、6、7是计数点,每相邻两计数点间还有4个打点(图中未标出),计数点间的距离如图所示.根据图中数据计算滑块的加速度a=　　　　 m/s2(保留三位有效数字). ‎ ‎(2)为测量动摩擦因数,还需要测量的物理量有　　　　　(填入所选物理量前的字母) ‎ A.木块的长度L B.木板的质量m1‎ C.滑块的质量m2‎ D.托盘和砝码的总质量m3‎ E.滑块运动的时间t ‎(3)滑块与木板间的动摩擦因数μ=　　　　　(用上述物理量的符号表示,重力加速度为g) ‎ 答案(1)0.497　(2)CD　(3)‎m‎3‎g-(m‎2‎+m‎3‎)am‎2‎g 解析(1)每相邻两计数点间还有4个点,说明相邻计数点间的时间间隔为T=0.1 s,由逐差法可得:a=‎(4.37+3.88+3.39-2.88-2.40-1.89)×1‎‎0‎‎-2‎‎9×0.‎‎1‎‎2‎ m/s2≈0.497 m/s2;‎ ‎(2)以系统为研究对象,由牛顿第二定律得:‎ m3g-Ff=(m2+m3)a 滑动摩擦力:Ff=μm2g 解得:μ=‎m‎3‎g-(m‎2‎+m‎3‎)am‎2‎g 要测量动摩擦因数,需要测出滑块的质量m2与托盘和砝码的总质量m3,故选CD.‎ ‎(3)由(2)分析可知,滑块与板间的动摩擦因数为:μ=m‎3‎g-(m‎2‎+m‎3‎)am‎2‎g.‎ ‎5.用如图甲所示装置探究小车加速度与质量的关系.轨道CD水平,重物通过轻质细线拉着固定有遮光条的小车从A点由静止开始运动,通过B点时,与光电门相连的数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt,用天平测出小车和砝码的总质量M,用10分度的游标卡尺测出遮光条宽度d.‎ ‎(1)测遮光条宽度时游标卡尺示数如图乙所示,则d=　　　　　mm. ‎ ‎(2)要得到小车的加速度a,还需要测量的物理量是　　　　　(选填序号),计算加速度公式是a=　　　　　(用所测物理量的字母表示). ‎ A.重物质量m B.轨道CD长度L1‎ C.A、B间距离L2‎ ‎(3)增加砝码,重复多次实验,测量的数据是准确的,作出a-‎1‎M图象,则图线是图丙中的　　　　　(选填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”). ‎ 答案(1)4.7　(2)C　d‎2‎‎2LAB(Δt‎)‎‎2‎　(3)Ⅲ 解析(1)由图可知,游标尺的第7条刻度线与主尺上的1.1 cm刻度线对齐,游标尺上第7条刻度线与第0条刻度线的长度为0.9 mm×7=6.3 mm,则d=1.1 cm-6.3 mm=4.7 mm.‎ ‎(2)小车到达B点的速度vB=dΔt;根据vB‎2‎=2aLAB可得a=vB‎2‎‎2‎LAB‎=‎d‎2‎‎2LAB(Δt‎)‎‎2‎,则要得到小车的加速度,还需要测量的物理量是AB的长度,故选C.计算加速度公式a=d‎2‎‎2LAB(Δt‎)‎‎2‎.‎ ‎(3)根据牛顿定律F-μMg=Ma,即a=F·‎1‎M-μg,可知a-‎1‎M图象为Ⅲ所示.‎ ‎6.某同学设计了一个如图甲所示的装置测定滑块与木板间的动摩擦因数,其中A为滑块,B和C是质量可调的砝码,不计绳和滑轮的质量及它们之间的摩擦,装置水平放置.实验中该同学在砝码总质量(m+m'=m0)保持不变的条件下,改变m和m'的大小,测出不同m下系统的加速度a,然后通过实验数据的分析就可求出滑块与木板间的动摩擦因数.‎ ‎(1)该同学手中有打点计时器、纸带、质量已知且可随意组合的砝码若干、滑块、一端带有定滑轮的长木板、细线,为了完成本实验,得到所要测量的物理量,还应有　　　　　. ‎ ‎ 　　　　　　　　　　　　　‎ A.秒表 ‎ B.毫米刻度尺 C.天平 ‎ D.低压交流电源 ‎(2)实验中,该同学得到一条较为理想的纸带,如图乙所示,从清晰的O点开始,每隔4个点取一计数点(中间4个点没画出),分别记为A、B、C、D、E、F,各计数点到O点的距离为OA=1.61 cm,OB=4.02 cm,OC=7.26 cm,OD=11.30 cm,OE=16.14 cm,OF=21.80 cm,打点计时器打点频率为50 Hz,则由此纸带可得到打E点时滑块的速度vE=　　　　　m/s,此次实验滑块的加速度a=　　　　　m/s2.(结果均保留两位有效数字) ‎ ‎(3)在实验数据处理中,该同学以m为横轴,以系统的加速度a为纵轴,绘制了如图丙所示的实验图线,结合本实验可知滑块与木板间的动摩擦因数μ=　　　　　.(g取10 m/s2) ‎ 答案(1)BD　(2)0.53　0.81　(3)0.3‎ 解析(1)打点计时器通过打点即可知道时间,故不需要秒表,故A错误;实验需要测量两点之间的距离,需要毫米刻度尺,故B正确;本实验中可以不测滑块的质量,而且砝码的质量已知,天平可以不选,故C错误;打点计时器要用到低压交流电源,故D正确.‎ ‎(2)每隔4个点取一计数点,相邻计数点之间的时间间隔为0.1 s,故用平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得:vE=OF-OD‎2T‎=‎‎21.80-11.30‎‎0.2‎×10-2 m/s≈0.53 m/s 由图乙知x1=1.61 cm,x2=(4.02-1.61)cm=2.41 cm,x3=(7.26-4.02)cm=3.24 cm,x4=(11.30-7.26)cm=4.04 cm,x5=(16.14-11.30)cm=4.84 cm,x6=(21.80-16.14)cm=5.66 cm,所以滑块的加速度a=x‎4‎‎+x‎5‎+x‎6‎-x‎1‎-x‎2‎-‎x‎3‎‎9‎T‎2‎≈0.81 m/s2‎ ‎(3)对ABC系统应用牛顿第二定律可得a=mg-μ(M+m')gM+‎m‎0‎‎=‎mg(1+μ)‎M+‎m‎0‎-μg 所以a-m图象中,纵轴的截距为-μg,‎ 故-μg=-3 m·s-2,μ=0.3.‎