2021年高考物理一轮复习微专题训练--专题14 验证牛顿运动定律（重难点精讲）（人教版）

专题 14 验证牛顿运动定律 1．注意事项 (1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻 力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，但要小车拉着纸带． (2)实验时要保证小盘和砝码的总质量 m 小车的质量 M. 2．误差分析因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力 mg 代替小车的拉力，而实 际上小车所受的拉力要 小盘和砝码的总重力． 【例 1】[实验原理]　(1)我们已经知道，物体的加速度 a 同时跟 合外力 F 和质量 m 两个因素有关，要研究这三个物理量之间的 定量关系的思想方法是________． (2)某同学的实验方案如图所示，她想用沙桶的重力表示 小车受到的合外力 F，为了减小这种做法带来的实验误差，她 先做了两方面的调整措施： a．用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是__________________________________． b．使沙桶的总质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于________________． (3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时，处理方案有两种： A．利用公式 a＝2x t2 计算； B．利用逐差法根据 a＝Δx T2计算． 两种方案中，你认为选择方案________比较合理． 【例 2】[实验操作]　在“探究加速度与力、质量的关系”时采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码的 总质量为 M，沙桶及沙的总质量为 m. (1)若已平衡摩擦力，在小车做匀加速直线运动过程中，绳的实际 张力大小 T＝________，当 M 与 m 的大小满足________时，才可认为 绳子对小车的拉力大小等于沙和沙桶的重力． (2)某同学在保持沙和沙桶总质量 m 一定的条件下，探究小车加速 度a与质量M的关系，其具体操作步骤如下，则做法合理的有________． A．平衡摩擦力时，沙桶应用细线通过定滑轮系在小车上且小车后面的纸带也必须连好 B．每次改变小车质量 M 时，都需要重新平衡摩擦力 C．实验时，先接通计时器的电源，再放开小车 D．用天平测出 m 及 M，直接用公式 a＝mg M 求出小车运动的加速度 【例 3】．[实验数据处理]　(2019·宁夏石嘴山高三月考)在“探究加速度与质量的关系”的实验中： (1)备有器材：A.长木板；B.电磁打点计时器、低压交流电源、纸带；C.细绳、小车、砝码；D.装有细 沙的小桶；E.薄木板；F.毫米刻度尺．还缺少的一件器材是________．(2)实验得到如图(a)所示的一条纸带，相邻两计数点的时间间隔为 T；B、C 间距 x2 和 D、E 间距 x4 已量出，利用这两段间距计算小车加速 度的表达式为________． (3)同学甲根据实验数据画出如图(b)所示 a ­ 1 m图 线 ，从图 线 可 得 沙 和 沙 桶 的 总 质 量 为 ________ kg.(g 取 10 m/s2) (4)同学乙根据实验数据画出了图(c)，从图线可知乙同学操作过程中可能________________． 【例 4】．[实验误差分析]　(2019·四川德阳模拟)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 带 滑轮的小车的质量，m 为砂和砂桶的质量．(滑轮质量不计) (1)实验时，一定要进行的操作是________． A．用天平测出砂和砂桶的质量 B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力 C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小 车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数 D．改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带 E．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质 量 m 远小于小车的质量 M (2)该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带(两计数点间还有两个点没有画出)，已知打点计时器采用 的是频率为 50 Hz 的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为________m/s2(结果保留两位有效数字)． (3)以弹簧测力计的示数 F 为横坐标，加速度为纵坐标，画出的图丙图像是一条直线，求得图线的斜率 为 k，则小车的质量为________． 【例 1】解析：(1)要研究三个物理量之间的定量关系的思想方法是控制变量法． (2)用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡摩擦力．实验用沙桶的重力表示小车受到的合外 力，为了减小这种做法带来的实验误差，应使沙桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等 于沙桶的重力． (3)利用实验中打出的纸带求加速度时，需要根据 a＝Δx T2利用逐差法计算，方案 B 比较合理． 答案：(1)控制变量法　(2)a.平衡摩擦力 B．沙桶的总重力　(3)B 【例 2】解析：(1)由牛顿第二定律知，对小车有 T＝Ma，对沙和沙桶有 mg－T＝ma，所以 T＝Mmg M＋m＝ mg 1＋m/M，可见当 M≫m 时，T≈mg. (2)平衡摩擦力时，应在不挂沙桶的情况下让小车带着纸带平衡摩擦力，A 错误；每次改变小车质量 M 时，不需要重新平衡摩擦力，B 错误；实验时，先接通计时器的电源，再放开小车，C 正确；小车运动的加速度必须由纸带上的测量数据计算得到，D 错误． 答案：(1) mg 1＋m/M　M≫m　(2)C 【例 3】解析：(1)本题要测量小车的质量，则需要天平，所以还缺少的一件器材是天平． (2)根据逐差法得 x4－x2＝2aT2，解得 a＝x4－x2 2T2 . (3)根据牛顿第二定律可知，a＝F m，则 F 即为 a­1 m图像的斜率，所以砂和砂 桶的总重力 m′g＝F＝2.4 12 N＝0.2 N，解得 m′＝0.02 kg. (4)由图(c)可知，图线不通过坐标原点，当 F 为某一值时，加速度为 零，可知未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足． 答案：(1)天平　(2)a＝x4－x2 2T2 　(3)0.02(0.018～0.022 均正确)　(4)未 平衡摩擦力或平衡摩擦力不足 【例 4】解析：(1)本题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 砂和砂桶的质量远小于小车的总质量，故 A、E 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 B 正确．使用打点计时器时，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的关系，要记录弹簧测力计的示数，故 C 正确；改 变砂和砂桶质量，即改变拉力的大小，打出几条纸带，研究加速度随力变化关系，故 D 正确． (2)由于两计数点间还有两个点没有画出，计数点间的时间间隔 t＝0.06 s，由 Δx＝aT2 可知，加速度 a＝x4－x1＋x5－x2＋x6－x3 9t2 ＝[(2.80＋3.30＋3.80)－(1.40＋1.90＋2.30)] × 10－2 9 × (0.06)2 m/s2 ≈1.3 m/s2. (3)弹簧测力计的示数 F＝1 2F 合，而 F 合＝Ma，则 a＝ 2 MF，故小车质量为 M＝2 k. 答案：(1)BCD　(2)1.3　(3)2 k