高中物理人教版 (2019)必修 第一册第四章 运动和力的关系2 实验：探究加速度与力、质量的关系练习题

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1.在探究加速度与力、质量的关系的实验中,某组同学使用的实验装置如图甲所示。
(1)该小组同学实验前先平衡阻力,关于平衡阻力,下列说法正确的是 。
A.应将小车前的细线连接好,并在滑轮上挂上重物,改变垫块的高度,轻推小车,使小车恰能匀速运动
B.应取下小车前的细线,装上纸带,改变垫块的高度,打开电源,轻推小车,使小车恰能匀速运动
C.每次改变小车受到的拉力后都需要重新平衡阻力
(2)实验中为使弹簧测力计的示数F等于小车受到的合力, (选填“需要”或“不需要”)重物的质量远小于小车和车上砝码的总质量。
(3)安装调试实验装置后,该组同学保持小车和车上砝码的总质量m'不变,改变重物的质量,探究加速度与力的关系。多次实验得出数据,画出a-F图像如图乙所示,那么该组同学实验中出现的问题可能是 。
A.实验中平衡阻力过度
B.所挂重物的质量过大
C.实验中小车质量发生变化
(4)在探究加速度与力的关系之后,该小组同学保持弹簧测力计示数不变,改变车上砝码的质量,探究加速度与质量的关系,多次实验得出数据后,为了直观判断二者间的关系,下列做法、判断及结论正确的是 。
A.作出a-m'图像,若图像为双曲线的一支,则说明当力一定时,加速度与质量成正比
B.作出a-m'图像,若图像为过原点的直线,则说明当力一定时,加速度与质量成反比
C.作出a-图像,若图像为双曲线的一支,则说明当力一定时,加速度与质量成反比
D.作出a-图像,若图像为过原点的直线,则说明当力一定时,加速度与质量成反比
答案(1)B (2)不需要 (3)A (4)D
解析(1)平衡阻力时要取下小车前的细绳,垫高平板右端,让小车在平板上能做匀速直线运动,这样小车重力的下滑分力与阻力抵消。一次平衡完成后,当改变小车的质量时由于重力的下滑分力与阻力均同比例变化,所以不需另外重新平衡阻力,选项B正确,A、C错误。
(2)弹簧测力计与细绳串联在一起,所以任何情况下弹簧测力计的示数都等于拉力,所以不必满足重物的质量远小于小车及小车上砝码的总质量。
(3)画出的a-F图像不过原点,在纵轴上有截距,即F=0时,小车就有了加速度,所以是平板太陡了,平衡阻力过度,小车的质量和钩码的质量并不影响纵轴上的截距,选项A正确。
(4)若作出的a-m'图像是双曲线,则说明F一定时,a与质量成反比。或者若作出的a-图像是过原点的直线,则说明力一定时,a与质量成反比,选项D正确。
2.如图所示,小明同学利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。在长木板上相距为l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。实验中使用的小车及拉力传感器总质量约为200 g,每个钩码的质量约为50 g。
主要实验步骤如下:
①调整长木板的倾斜角度,平衡小车受到的阻力;
②按住小车,读出拉力传感器的读数F;
③释放小车,让小车依次经过A、B两点处的速度传感器,记录速度vA和vB,并计算出小车加速度a;
④增加钩码数量,重复步骤②③,得到多组数据,并作出a-F图像。
(1)步骤①中平衡阻力的具体做法是 。
A.不挂钩码,逐步调节木板的倾斜程度,使静止的小车开始运动
B.挂上钩码,逐步调节木板的倾斜程度,使小车在木板上保持静止
C.不挂钩码,调节木板到一定的倾斜程度,轻轻推动小车,使小车经过两个速度传感器时速度相同
D.挂上钩码,调节木板到一定的倾斜程度,轻轻推动小车,使小车经过两个速度传感器时速度相同
(2)步骤③中小车加速度a= (请用题中符号表示)。
(3)根据本实验作出的a-F图像最接近 。
答案(1)C (2) (3)A
解析(1)使小车经过两个速度传感器时速度相同,说明小车做匀速直线运动,处于平衡状态,重力沿斜面向下的分力等于阻力,平衡了阻力,选项C正确。
(2)根据匀变速直线运动的位移与速度公式=2al,可以求出a=。
(3)已平衡阻力,小车所受拉力由拉力传感器直接测出,加速度和F满足线性关系,由分析得选项A正确。
3.某组同学做了探究加速度与力、质量的关系实验。图甲为实验装置简图,A为小车,B为电火花计时器,C为装有细砂的小桶,D为一端带有定滑轮的长方形木板,实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力,小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。
甲
(1)图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为 m/s,小车的加速度大小为 m/s2。(均保留两位有效数字)
乙
(2)在探究加速度a与质量m的关系时,某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了描点,但尚未完成图线,如图丙所示。请继续帮助该同学作出坐标系中的图线。
丙
丁
(3)在探究加速度a与合力F的关系时,该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示,该图线不通过坐标原点,试分析原因___________________________。
答案(1)1.6 3.2 (2)见解析图
(3)实验前平衡阻力过度
解析(1)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度,即B点的瞬时速度,
故vB==m/s=1.6m/s。
由逐差法求解小车的加速度
a==m/s2=3.2m/s2。
(2)根据坐标系中各点连成一条直线,连接时应使直线过尽可能多的点,不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧,离直线较远的点应视为错误数据,不予考虑,连线如图所示。
(3)图线在纵轴上有截距,说明实验前平衡阻力过度。
4.某同学利用图甲所示实验装置及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,如图乙所示。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:
甲
乙
(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成 (选填“线性”或“非线性”)关系。
(2)由图乙可知,a-m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 。
答案(1)非线性 (2)存在摩擦力 (3)调节轨道的倾斜度以平衡阻力 远小于小车的质量
解析(1)由题图乙可知小车的加速度与钩码的质量成非线性关系。
(2)a-m图线不经过原点,在m轴上有截距,即挂上钩码后小车加速度仍为零,可能的原因是存在摩擦力。
(3)本实验直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则应采取的措施是调节轨道的倾斜度以平衡阻力,钩码的质量应满足的条件是远小于小车的质量。
5.探究加速度与力、质量的关系的实验装置如图甲所示。
(1)在平衡小车与长木板之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02 s,从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,测量并标出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a= m/s2。
(2)平衡阻力后,将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表所示。
请根据实验数据在如图所示坐标系中作出a-F的关系图像。
(3)根据提供的实验数据作出的a-F图线不通过原点,主要原因是 。
答案(1)0.16 (2)见解析图
(3)计算F时忘记加入砝码盘的重力
解析(1)由题意可知计数点间的时间间隔T=5T0=0.1s。
由题图乙可知Δx=0.16cm=1.6×10-3m,由Δx=aT2可得a=0.16m/s2。
(2)a-F图线如图所示。
(3)平衡小车与长木板之间的摩擦力后,a-F图像仍不通过原点,是由于在计算F时忘记加入砝码盘的重力,使作出的图像向左平移。砝码盘中砝码总重力F/N
0.196
0.392
0.588
0.784
0.980
加速度a/(m·s-2)
0.69
1.18
1.66
2.18
2.70