【学海导航】2016届高三物理一轮总复习配套课件：第2章 相互作用 第2节 力的合成与分解 (7)

第4节实验：验证牛顿第二定律考点1：数据处理及误差分析例1：(2013·天津卷)某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系．(1)下列做法正确的是______(填字母代号)．A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴木块上C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________________木块和木块上硅码的总质量(填“远大于”，“远小于”，或“近似于”)．(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图中甲、乙两条直线．设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲______m乙，μ甲____μ乙(填“大于”、“小于”或“等于”)．【解析】(1)在利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系实验中，调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行，选项A正确．木块下滑时受到重力、支持力、细线拉力和摩擦力，要使细线拉力等于木块的合力，需要使木板倾斜，木块重力沿斜面方向的分力等于摩擦力．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，应该去掉装有砝码的砝码桶，选项B错误．实验时，先接通打点计时器的电源再放开木块，选项C错误．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度，选项D正确．(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量远小于木块和木块上硅码的总质量．(3)在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，由牛顿第二定律，F－μmg＝ma，得到a＝F/m－μg.对比图象，可得m甲小于m乙、μ甲大于μ乙．答案：(1)AD(2)远小于(3)小于大于【变式训练1】图甲为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图．砂和沙桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M.实验中用砂和沙桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小．(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行．接下来还需要进行的一项操作是.A．将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节m的大小，使小车在砂和沙桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B．将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和沙桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动C．将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和沙桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动B(2)实验中要进行质量m和M的选取，以下最合理的一组是.A．M＝200g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40gB．M＝200g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120gC．M＝400g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40gD．M＝400g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120gC(3)图乙是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出．量出相邻的计数点之间的距离分别为：sAB＝4.22cm、sBC＝4.65cm、sCD＝5.08cm、sDE＝5.49cm、sEF＝5.91cm，sFG＝6.34cm.已知打点计时器的工作频率为50Hz，则小车的加速度a＝m/s2(结果保留2位有效数字)．0.42【解析】(1)小车在运动过程中受到重力、支持力、纸带的拉力、木板对小车的摩擦力和细线拉力的作用．为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合力，因此应把木板的一端垫起适当的高度，以使重力、支持力、纸带的拉力和摩擦力的合力为零，即小车做匀速运动，因此在进行这一操作时，不应挂沙桶，小车应连接纸带，A、C项错误；B项正确．(2)由于绳子的拉力不易测量，本实验中用砂和沙桶的总重力来代替绳的拉力，而沙桶做加速运动，设加速度大小为a，则T＝m(g－a)，当沙桶的加速度很小时，T近似等于mg，因此实验中应控制实验条件，使沙桶的加速度很小．只有当小车的质量远大于砂和沙桶的总质量时，小车和沙桶的加速度才很小，绳的拉力才近似等于砂和沙桶的总重力．C项正确．(3)相邻两计数点间的时间T＝0.1s，由Δs＝aT2可得a＝sFG＋sEF＋sDE－sCD＋sBC＋sAB3T2，代入数据解得a＝0.42m/s2.考点2：实验原理及其迁移能力例2：某实验小组利用如图所示的气垫导轨实验装置来探究合力一定时，物体的加速度与质量之间的关系．(1)做实验时，将滑块从图所示位置由静止释放，由数字计时器(图中未画出)可读出遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt1、Δt2；用刻度尺测得两个光电门中心之间的距离x，用游标卡尺测得遮光条宽度d.则滑块经过光电门1时的速度表达式v1＝______；滑块加速度的表达式a＝______.(以上表达式均用已知字母表示)．(2)为了保持滑块所受的合力不变，可改变滑块质量M和气垫导轨右端高度h，关于“改变滑块质量M和气垫导轨右端的高度h”的正确操作方法有______．A．M增大时，h增大，以保持二者乘积增大B．M增大时，h减小，以保持二者乘积不变C．M减小时，h增大，以保持二者乘积不变D．M减小时，h减小，以保持二者乘积减小【解析】(1)由速度的定义式可得滑块经过光电门1时的速度表达式v1＝dΔt1；经过光电门2时的速度表达式v2＝dΔt2；由2ax＝v22－v21，解得滑块加速度的表达式a＝dΔt22－dΔt122x.(2)滑块沿斜面向下运动所受合外力为Mgsinθ＝Mgh/L，为了保持滑块所受的合力不变，M增大时，h减小，以保持二者乘积不变；或M减小时，h增大，以保持二者乘积不变，选项B、C正确．答案：(1)dΔt1dΔt22－dΔt122x(2)BC【变式训练2】如图为用拉力传感器和速度传感器探究“加速度与物体受力的关系”实验装置．用拉力传感器记录小车受到拉力的大小，在长木板上相距L＝48.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器，分别记录小车到达A、B时的速率．(1)实验主要步骤如下：①将拉力传感器固定在小车上；②调整长木板的倾斜角度，以平衡小车受到的摩擦力，让小车在不受拉力作用时能在木板上做匀速直线运动；③把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；④接通电源后自C点释放小车，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力F的大小及小车分别到达A、B时的速率vA、vB；⑤改变所挂钩码的数量，重复④的操作．(2)上表中记录了实验测得的几组数据，v2B－v2A是两个速度传感器记录速率的平方差，则加速度的表达式a＝v2B－v2A2L，，请将表中第3次的实验数据填写完整2.44(结果保留三位有效数字)；(3)由表中数据在坐标纸上描点并作出a－F关系图线(图略)；(4)对比实验结果与理论计算得到的关系图线(图中已画出理论图线)，造成上述偏差的原因是没有完全平衡摩擦力.