2017年高考物理（第02期） 专题三 牛顿运动定律 课时1 验证牛顿运动定律 Word版含解析

2017年高考物理（第02期） 专题三 牛顿运动定律 课时1 验证牛顿运动定律 Word版含解析

‎1．（2016·新课标全国Ⅲ卷）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：‎ ‎（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快，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s，绘制s-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s-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 ‎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。‎ ‎（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，重力加速度取g=9.8 m/s2）。‎ ‎（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 ‎2．（2014·新课标全国Ⅰ卷）某同学利用图（a）所示实验装置即数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图（b）所示，实验中小车（含发射器）的质量为200 g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：‎ 图（a） 图（b）‎ ‎（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 （填“线性”或“非线性”）的关系。‎ ‎（2）由图（b）可知，图线不经过原点，可能的原因是 。‎ ‎（3）若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是 ，钩码的质量应满足的条件是 。‎ ‎3．用如图1所示的实验装置验证牛顿第二定律。‎ ‎（1）下列做法正确的是 （填字母代码）‎ A．调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行 B．在调节木板倾斜程度平衡小车受到的滑动摩擦力时，将装有砂的砂桶通过定滑轮拴在小车上 C．实验时，先放开小车再接通打点计时器的电源 D．通过增减小车上的砝码改变质量时，需要再次调节木板倾斜度 E．为取绳子拉力近似等于砂和砂桶总重力，应保证砂和小桶的总质量远小于小车的质量 ‎（2）如图2所示为某次实验得到的纸带，纸带中相邻计数点间的距离已标出，相邻计数点间还有四个点没有画出。由此可求得小车的加速度大小 m/s2；‎ ‎（3）保持小车的质量M不变，改变砂桶与砂的总重力F，多次实验，根据得到的数据，在a-F图象中描点（如图3所示），结果发现右侧若干个点明显偏离直线，造成此误差的主要原因是 ，若不断增加砂桶中砂的质量，a–F图象中各点连成的曲线将不断延伸，加速度的趋向值为 。‎ ‎4．‎ ‎“用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图a所示，实验中用所挂钩码的重量作为细线对小车的拉力F，通过增加钩码的数量，多次测量，可得小车运动的加速度a和所受拉力F的关系图象。他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a-F图线，如图b所示 ‎（1）图线__________（填“①”或者“②”）是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的；‎ ‎（2）在轨道水平时，小车运动的阻力_________N；‎ ‎（3）图b中，拉力F较大时，a-F图线明显弯曲，产生误差，为避免此误差可采取的措施是______（填选项字母）‎ A．调整轨道的倾角，在未挂钩码时使小车能在轨道上匀速运动 B．在增加钩码数量的同时在小车上增加砝码，使钩码的总质量始终远小于小车的总质量 C．将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替钩码的重力 D．更换实验中使用的钩码规格，采用质量较小的钩码进行上述实验 ‎5．如图1所示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=48.0 cm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。‎ 图1‎ 图2‎ ‎（1）实验主要步骤如下：‎ ‎①将拉力传感器固定在小车上；‎ ‎②平衡摩擦力，让小车做 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）下表中记录了实验测得的几组数据，vB2-vA2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= ，请将表中第3次的实验数据填写完整（结果保留三位有效数字）；‎ 次数 F（N）‎ vB2-vA2（m2/s2）‎ a（m/s2）‎ ‎1‎ ‎0.60‎ ‎0.77‎ ‎0.80‎ ‎2‎ ‎1.04‎ ‎1.61‎ ‎1.68‎ ‎3‎ ‎1.42‎ ‎2.34‎ ‎4‎ ‎2.62‎ ‎4.65‎ ‎4.84‎ ‎5‎ ‎3.00‎ ‎5.49‎ ‎5.72‎ ‎（3）由表中数据，在图2坐标纸上作出a-F关系图线；‎ ‎（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 。‎ ‎6．如图（a）所示为某同学设计的“探究加速度与物体所受合力F及质量m 的关系”实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板。在实验中认为细线对小车拉力F的大小等于砝码和小桶的总重力，小车运动加速度a可用纸带上的点求得。‎ ‎（1）关于该实验，下列说法中正确的是 。‎ A．用砝码和小桶的总重力来表示F，会产生偶然误差 B．为消除摩擦力对实验的影响，可以把木板D的左端适当垫高 C．电火花计时器使用交流电源 D．木板D的左端被垫高后，图中细线应保持水平 ‎（2）图（b）是实验中获取的一条纸带的一部分，其中0、1、2、3、4是计数点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示，打“3”计数点时小车的速度大小为 m/s，由纸带求出小车的加速度的大小a= m/s2。（计算结果均保留2位有效数字）‎ ‎（3）在“探究加速度与力的关系”时，保持小车的质量不变，改变小桶中砝码的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F关系图线如图（c）所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因为 。‎ ‎7．为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图甲所示的实验装置，其中M为小车的质量，m为砂和砂桶的质量。（不计滑轮、细绳和弹簧测力计的质量）‎ ‎（1）关于实验操作过程和注意事项，下列说法正确的是 （多选，填正确选项前的字母）‎ A．连接弹簧测力计的细线必须与长木板平行 B．实验中要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M C．为了减小实验误差，要将带滑轮的长木板右端适当垫高，平衡摩擦力 D．实验时应先接通电源，再释放小车，同时记录弹簧测力计的示数 ‎（2）某次实验中，该同学得到如图乙所示的一条纸带（相邻两计数点间还有四个点没有画出），已知打点计时器采用的是频率为的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为 （结果保留三位有效数字）。‎ ‎（3）多次改变砂和砂桶的质量m，得到多组小车的加速度a和弹簧测力计的示数F的数据，以小车的加速度a为横坐标，弹簧测力计的示数F为纵坐标，作出图线，若图线的斜率为k，则小车的质量为 （用k表示）。‎ ‎8．如图所示为探究物体运动加速度与物体质量、物体受力关系的实验装置，砂和砂桶质量用m表示，小车和车上所加砝码总质量用M表示，小车运动加速度用a表示。‎ ‎（1）实验过程中需要适当抬起长木板的一端以平衡小车所受到的摩擦力，该步骤中木板被抬起的角度与小车质量 （选填“有关”或“无关”）；‎ ‎（2）在探究加速度与小车受力关系的过程中，甲和乙两小组分别用下列两组数据进行实验操作，其中你认为合理的是 （选填“甲”或“乙”）；‎ M甲=500 g M乙=500 g 甲m（g）‎ ‎20‎ ‎22‎ ‎24‎ ‎26‎ 乙m（g）‎ ‎20‎ ‎30‎ ‎40‎ ‎50‎ ‎（3）在探究加速度与小车质量关系过程中，应该保持 不变，通过增减小车中砝码改变小车质量M，实验测出几组a、M数据，下列图线能直观合理且正确反映加速度a与小车质量M关系的是 。‎ ‎9．如图所示，一端带有定滑轮的长木板上固定有甲、乙两个光电门，与之相连的计时器可以显示带有遮光片的小车在其间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质细绳相连的轻质测力计能显示挂钩处所受的拉力。‎ ‎（1）在探究“质量一定时，加速度与合外力的关系”时，要使测力计的示数等于小车所受合外力，必须进行的操作是 。然后保证小车的质量不变，多次向砂桶里加砂，测得多组a和F的值，画出的a-F图象是 。‎ ‎（2）在探究“合外力一定时，加速度与质量的关系”时，先测出小车质量m，再让小车从靠近光电门甲处由静止开始运动，读出小车在两光电门之间的运动时间t。改变小车质量m，测得多组m、t的值，建立坐标系描点作出图线。下列能直观得出“合外力一定时，加速度与质量成反比”的图线是 。‎ ‎10．某同学用图示的装置来验证加速度和质量成反比。在自制的双层架子上固定平板玻璃，架子放在水平桌面上。连接小车的细绳跨过定滑轮与小桶相连。实验步骤如下：‎ ‎①在两个小桶中装入适量细砂，并使两桶质量（含砂子）相同；‎ ‎②两车紧靠架子左边的挡板，在乙车上放一个砝码，同时释放两车，当车运动一段时间后，用手机对整个装置进行拍照。在照片上，通过装置上的刻度尺，测出甲、乙两车运动的距离x1、x2；‎ ‎③在乙车上逐渐增加砝码个数，重复步骤②。‎ ‎（1）本实验的原理是通过验证小车发生的位移与小车的质量成________，来验证合外力一定时加速度与质量成反比。‎ ‎（2）实验前，该同学将装置的左端适当垫高了一些，目的是________。实验过程中________（填“甲”或“乙”）车受到的拉力更接近沙桶（含沙子）的重力。‎ ‎（3）若该同学以为横坐标，以乙车（含砝码）的质量m为纵坐标，作出的图线是直线，该直线的斜率为________（填“甲车”“乙车（含砝码）”或“沙桶（含沙子）”）的质量。‎ ‎1．（3）0.39 （4）如图所示 （5）0.45 （6）BC ‎【解析】（3）因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，故将（2，0.78）代入可得。‎ ‎（4）根据描点法可得如图所示图线 ‎（5）根据牛顿第二定律可得，代入m=0.010 kg，n=1、2、3、4、5，以及相应的加速度求可得。‎ ‎（6）因为如果不平衡摩擦力，则满足的形式，所以故直线不过原点，但仍是直线，A错误B正确；随着n的增大，小车的总质量在减小，故直线的斜率变大，故C正确。‎ ‎2．（1）非线性 （2）存在摩擦力 （3）调整轨道倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车质量 ‎【解析】（1）该同学描绘的加速度和钩码质量的图象是一条曲线而不是直线，所以是非线性关系；‎ ‎（2）根据图（b）可知当钩码有一定质量，即细线有一定拉力时，小车加速度仍等于0，说明小车合力等于0，所以可能除拉力外小车还受到摩擦力的作用；‎ ‎（3）实验改进部分由两个要求，第一个就是图象不过原点，需要平衡摩擦力，所以需调整轨道倾斜度，第二个就是图象是曲线，因为小车的合力即细线拉力并不等于钩码重力，拉力为，只有当时。，图象近似为直线。‎ ‎【方法技巧】从原理出发，即F=ma，分析不过原点，不成正比的原因，重点是对原理的理解。‎ ‎3．（1）AE （2）1.5 （3）沙桶的质量较大 g ‎【解析】（1）调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行，故A正确；在调节木板倾斜度平衡小车受到的滑动摩擦力时，不能将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在小车上，故B错误；实验时，应先接通电源，再释放小车，故C错误；通过增减小车上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度，故D错误；当砂和小桶的总质量远小于小车的质量时，系统的加速度较小，可取绳子拉力近似等于砂和砂桶总重力，故E正确。故选AE。‎ ‎（2）根据匀变速直线运动的判别式得：，，解得a=1.5 m/s2；‎ ‎（3）由于OA段a–F关系为一倾斜的直线，所以在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；由实验原理：mg=Ma，得，而实际上，可见AB段明显偏离直线是由于没有满足M>>m造成的，因为钩码的重力在这个实验中充当小车所受到的合外力，当钩码的重力非常大时，它将带动小车近似做加速度为g 的运动，此时由于T=Ma，因此，拉力约为小车与发射器的总重力，即Mg。‎ ‎4．（1）① （2）0.5N （3）C ‎【解析】（1）当滑块在水平轨道上运动时，由于受到摩擦力作用，故当F达到一定条件时，滑块才具有加速度，所以①是在轨道右侧抬高情况下得到的图象 ‎（2）图线②是在轨道水平时做的实验，由图象可知：当拉力等于0.5 N时，加速度恰好为零，即刚好拉动小车，此时 ‎（3）随着钩码的数量增大到一定程度时图（b）的图线明显偏离直线，造成此误差的主要原因是所挂钩码的总质量太大，而我们把用钩码所受重力作为小车所受的拉力，所以消除此误差可采取的简便且有效的措施应该测量出小车所受的拉力，即在钩码与细绳之间放置一力传感器，得到力F的数值，在作出小车运动的加速度a和力传感器读数F的关系图象，C正确。‎ ‎5．（1）匀速直线 （2） 2.44 （3）如图所示 ‎（4）没有完全平衡摩擦力或拉力传感器读数偏大 ‎【解析】（1）平衡摩擦力时，轻推小车，让小车做匀速直线运动即可；‎ ‎（2）根据匀变速直线运动的速度位移公式得，a=，代入数据解得a==2.44 m/s2；‎ ‎（3）根据表格中的数据描点作图，如图所示；‎ ‎（4）对比图象可知，实际图象没有过原点而是和横坐标有交点，造成原因是没有完全平衡摩擦力或拉力传感器读数偏大。‎ ‎6．（1）BC （2）0.26 0.50 （3）平衡摩擦力过度 ‎【解析】（1）由于砝码和小桶加速下滑，处于失重状态，故拉力小于重力，故用砝码和小桶的总重力来表示拉力F，偏大，产生系统误差，不是偶然误差，故A错误；为消除摩擦力对实验的影响，可以把木板D的左端适当垫高来平衡摩擦力，故B正确；打点计时器都使用交流电源，故C正确；木板D的左端被垫高后，图中细线应保持与长木板保持平行，不是水平，故D错误；故选：BC；‎ ‎（2）每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1 s，根据匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，可以求出打纸带上3点时小车的瞬时速度大小。得： ‎ 根据匀变速直线运动的推论公式∆x=aT2可以求出加速度的大小，得：‎ ‎（3）当F=0时，a≠0，也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度，这是平衡摩擦力时木板倾角θ太大，即平衡摩擦力过度引起的。‎ ‎7．（1）ACD （2） （3）‎ ‎【解析】‎ ‎（1）两条绳的拉力的合力即为小车的合力，故弹簧测力计的细线必须与长木板平行，以便减少误差，故选项A正确；拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使小桶（包括砂）的质量远小于车的总质量，故B错误；该题是弹簧测力计测出拉力，从而表示小车受到的合外力，故需要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力，故C正确；打点计时器运动时，都是先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，该实验探究加速度与力和质量的关系，要记录弹簧测力计的示数，故D正确；‎ ‎（2）由于两计数点间还有四个点没有画出，故周期为0.1 s，由可得：。‎ ‎（3）对图象来说，图象的斜率表示小车质量，由题可知，弹簧测力计的示数，故小车质量为。‎ ‎【名师点睛】解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的操作步骤和数据处理的方法以及注意事项，小车质量不变时，加速度与拉力成正比，对图来说，图象的斜率表示小车质量。‎ ‎8．（1）无关 （2）乙 （3）砂和砂筒质量 C ‎【解析】（1）做该实验需要平衡摩擦力，所以在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块的位置，让小车做匀速直线运动，此时满足：mgsin θ=μmgcos θ。由等式可知，平衡摩擦力时，与小车的质量无关。‎ ‎（2）在做探究加速度与小车受力关系的实验过程中，测量的数据要有明显的变化，才能使实验更有说服力。从表格中的数据来看，甲的实验过程中拉力的大小变化很小，则加速度的变化也会很小，这样的实验误差可能会比较大，是不合理的。相比之下，乙的数据更合理。‎ ‎（3）在研究加速度跟小车质量M的关系时，保持砂和砂筒质量m不变，改变小车质量M，在小车质量M远大于砂桶及砂桶中砂质量m时，即当满足M≫m时，可以认为小车受到的拉力（合力）F=mg，此时加速度a与小车质量M成反比，与拉力成正比，以横轴，a为纵轴，则a-图象应是过原点的直线，当小车质量M不远大于重物质量m时，小车受到的拉力明显小于重物重力，a-图象向下弯曲，故选C。‎ ‎【名师点睛】该题考查了力学问题，把长木板的一端垫得过高，使得倾角偏大，会导致重力沿斜面向下的分力增大，摩擦力减小。探究加速度与质量关系时，应控制拉力不变而改变小车质量，实验时要注意小车质量应远大于重物质量。‎ ‎9．（1）平衡摩擦力 C （2）C ‎【解析】（1）在探究“质量一定时，加速度与合外力的关系”时，要使测力计的示数等于小车所受合外力，需平衡摩擦力。测力计的示数为细绳的拉力，即为小车的合力，由牛顿第二定律知，保持M不变，a与F成正比，故图象为过原点的倾斜直线，选项C正确。‎ ‎（2）小车从靠近甲光电门处由静止开始做匀加速运动，位移，所以加速度，合外力一定时，由得，，位移不变故t2与m成正比，选项C正确。‎ ‎10．（1）反比 （2）平衡摩擦力 乙 （3）甲车 ‎【解析】（1）由牛顿第二定律：，小车受到拉力相同时，加速度与质量成反比，而位移与加速度成正比，故位移与质量成反比；‎ ‎（2）将装置的左端适当垫高了一些，目的是平衡摩擦力；由于乙车增加了砝码，故车的质量比沙的质量要大很多；‎ ‎（3）由于小车发生的位移与小车的质量成反比，即：，可知：，故斜率为甲车质量。‎