2021届高考物理二轮复习实验精解训练（4）实验：探究加速度与力、质量的关系

2021届高考物理二轮复习实验精解训练（4）

实验：探究加速度与力、质量的关系

1.为了探究加速度与力的关系，使用如图所示的气垫导轨装置进行实验，其中为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑块通过光电门时，光束被遮挡的时间都可以被测量并记录。滑块连同上面固定的挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为s，牵引钩码的质量为m。回答下列问题。

（1）实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？答：___________。

（2）若取，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是______。

A.5 g B.15 g C.40 g D.400 g

（3）在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求得的加速度的表达式为：___________（用表示）。

2.如图甲所示,某同学设计了一个测量滑块与木板间动摩擦因数的实验装置,装有定滑轮的长木板固定在水平实验台上,木板上有一滑块,滑块右端固定一个动滑轮，钩码和弹簧测力计通过绕在滑轮上的细线相连,放开钩码,滑块在长木板上做匀加速直线运动.

实验得到一条如图乙所示的纸带,相邻两计数点之间的时间间隔为0.1 s,由图中的数据可知,滑块运动的加速度大小是_____________.(计算结果保留两位有效数字)

读出弹簧测力计的示数F,处理纸带,得到滑块运动的加速度a;改变钩码个数,重复实验.以弹簧测力计的示数F为纵坐标,以加速度a为横坐标,得到的图像是斜率为k,纵轴截距为b的一条倾斜直线,如图丙所示.已知滑块和动滑轮的总质量为m,重力加速度为g,忽略滑轮与细线之间的摩擦.则滑块和木板之间的动摩擦因数___________.

3.在探究加速度与力、质量的关系实验中,如图甲所示,将一端带有滑轮的长木板放在水平桌面上,小车通过轻细绳跨过定滑轮与砂桶连接,小车与纸带相连,打点计时器所用交流电的频率为,平衡摩擦力后,在保持实验小车质量不变的情况下,打开电源,释放小车,根据纸带得到小车运动的加速度为a;多次改变砂桶和砂子的总质量m,根据纸带计算出对应的加速度.

(1)在验证“质量一定,加速度a与合外力F的关系”时,某学生根据实验数据作出了如图乙所示的图像,其中图线不过原点并在末端发生了弯曲,产生这两种现象的原因可能有______.

A.木板右端垫起的高度过大

B.木板右端垫起的高度过小

C.砂桶和砂子的总质量m远小于小车的质量M

D.砂桶和砂子的总质量m未远小于小车的质量M

(2)实验过程中打出的一条理想纸带如图丙所示,图中为相邻的计数点,相邻两计数点间还有4个打出的点未画出,则小车运动的加速度______(结果保留三位有效数字).

(3)小车质量M一定,改变砂桶中砂子的质量,根据实验数据描绘出的小车加速度a与砂桶和砂子的总质量m之间的关系图像如图丁所示,则小车的质量________kg.(g取)

4.某同学欲运用牛顿第二定律测量滑块的质量M，其实验装置如图甲所示，设计的实验步骤为：

（1）调整长木板倾角，当钩码的质量为时滑块恰好沿木板向下做匀速运动；

（2）保持木板倾角不变，撤去钩码，将滑块移近打点计时器，然后释放滑块，滑块沿木板向下做匀加速直线运动，并打出点迹清晰的纸带如图乙所示（打点计时器的工作频率为50 Hz）。

请回答下列问题：

①打点计时器打下D点时，滑块的速度_______m/s；（结果保留3位有效数字）

②滑块做匀加速直线运动的加速度______；（结果保留3位有效数字）

③滑块的质量__________（用字母a、和当地重力加速度g表示）。

（3）保持木板倾角不变，挂上质量为m（均小于）的钩码，滑块沿木板向下匀加速运动，测出滑块的加速度；多次改变钩码的质量，分别求出相应的加速度。

（4）若绳的拉力与所挂钩码的重力大小相等，作出图像如图丙所示，则由图丙可求得滑块的质量__________kg。（g取，结果保留3位有效数字）

5.某同学设计了如图甲所示的装置来探究小车的加速度与所受合力的关系。将装有力传感器的小车放置于水平长木板上，缓慢向小桶中加入细砂，直到小车刚开始运动为止，记下传感器的最大示数，以此表示小车所受摩擦力的大小。再将小车放回原处并按住，继续向小桶中加入细砂，记下传感器的示数。

（1）打点计时器接通频率为50 Hz的交流电源，释放小车，打出如图乙所示的纸带。从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离，则小车的加速度________。

（2）改变小桶中细砂的重力，多次重复实验，获得多组数据，描绘小车加速度a与合力的关系图像。不计纸带与打点计时器间的摩擦。下列图像中可能正确的是_______。

A. B. C. D.

（3）同一次实验中，小车释放前传感器示数与小车加速运动时传感器示数的关系是_______（选填“<”“=”或“>”）。

（4）关于该实验，下列说法中正确的是(   )

A.小车和传感器的总质量应远大于砂桶和砂的总质量

B.实验中需要将长木板右端垫高

C.实验中需要测出小车和传感器的总质量

D.用加砂的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，可更方便地获取多组实验数据

6.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块，使小车（和钩码）可以在木板上匀速下滑。

（2）将n（依次取）个钩码挂在轻绳右端，其余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，绘制图像，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。时的图像如图（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。

（4）利用表中的数据在图（c）中补齐数据点，并作出图像。从图像可以看出：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）利用图像求得小车（空载）的质量为_______kg（保留2位有效数字，重力加速度取）。

（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. 图线不再是直线

B. 图线仍是直线，但该直线不过原点

C. 图线仍是直线，但该直线的斜率变大

7.“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。小车后面固定一条纸带，穿过电火花打点计时器，细线一端连着小车，另一端通过光滑的定滑轮和动滑轮与挂在竖直面内的拉力传感器相连，拉力传感器用于测小车受到的拉力的大小。

（1）关于平衡摩擦力，下列说法正确的是________。

A.平衡摩擦力时，需要在动滑轮上挂上钩码

B.改变小车质量时，需要重新平衡摩擦力

C.改变小车拉力时，不需要重新平衡摩擦力

（2）实验中__________（选填“需要”或“不需要”）满足所挂钩码质量远小于小车质量。

（3）某同学根据实验数据作出了加速度a与力F的关系图像如图乙所示，图线不过原点的原因是__________。

A.钩码质量没有远小于小车质量

B.平衡摩擦力时木板倾角过大

C.平衡摩擦力时木板倾角过小或未平衡摩擦力

8.某组同学设计的“探究加速度与力、质量的关系”实验装置简图如图甲所示，A为小车，B为电火花打点计时器，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长木板。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。

（1）某次实验时，测得小车和小车上砝码的总质量为800 g，则细砂和小桶的总质量较为合理的是_______。

A.50 g B.500 g C.5 kg D.50 kg

（2）如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，根据纸带可求得电火花打点计时器打B点时的速度为_________m/s，小车的加速度大小为_________。（结果均保留两位小数）

（3）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都在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像（如图丙所示）。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。

答案以及解析

1.答案：（1）见解析

（2）D

（3）

解析：（1）取下牵引钩码，滑块放在任意位置都不动；或取下牵引钩码，轻推滑块，数字计时器记录的两个光电门的光束被遮挡的时间相等。

（2）在探究加速度与力关系的实验中，钩码的质量与滑块连同上面固定的挡光片的总质量的关系满足时，才能近似认为滑块受到的拉力等于钩码受到的重力，故D不合适。

（3）当滑块通过光电门时，光束被遮挡的时间为，对应的速度分别为，根据求出加速度。

2.答案：2.4;

解析：由逐差法可知滑块的加速度;

滑块受到的拉力为弹簧测力计示数的两倍,即,滑块受到的摩擦力为,由牛顿第二定律可得,解得,由图像丙所给信息可得图像截距为,斜率,解得.

3.答案：(1)AD

(2)1.60

(3)0.5

解析：(1)图像不过原点的原因是平衡摩擦力过度,图像末端发生弯曲的原因是不满足砂和砂桶的质量远小于小车的质量,A、D正确.

(2)根据得,

.

(3)设绳子的拉力为T,对砂桶和砂子受力分析,由牛顿第二定律得,对小车受力分析得,联立解得,则图像的斜率,所以小车的质量.

4.答案：（2）①1.69

②3.88

③

（4）0.200

解析：从图乙中可知，，，，。

（2）①相邻计数点间的时间间隔为，。

②根据逐差法可得滑块的加速度

③滑块做匀速运动时受力平衡，由平衡条件得，撤去钩码后滑块做匀加速直线运动时，受到的合外力，由牛顿第二定律得，解得。

（4）滑块做匀速运动时受力平衡，由平衡条件得，挂上质量为m的钩码时滑块沿木板向下做匀加速直线运动，受到的合外力为，由牛顿第二定律得，解得，由图丙所示图像可知，解得。

5.答案：（1）0.16

（2）B

（3）>

（4）D

解析：（1）小车的加速度

。

（2）由题意易知，描绘的小车加速度a与合力的关系图像，相当于已平衡摩擦力后描绘的小车加速度与作用力关系图像，且均为小车受到的力，可由力传感器直接得出，故图像应为过原点的倾斜直线，B项正确。

（3）小车加速运动时绳的拉力小于砂和砂桶的总重力（等于车静止时绳的拉力），故。

（4）本实验中力的大小可由力传感器直接得出，不需要使小车和传感器的总质量远大于砂和砂桶的总质量，A项错误；用加砂的方法改变拉力的大小，每次砂的质量可增加得很少，而挂钩码每次质量增加得多，故前者可更方便地获取多组实验数据，D项正确；用力传感器测出了摩擦力，不需要平衡摩擦力，B项错误；本实验是探究小车的加速度与合力的关系，只要保持小车和传感器的总质量不变，不需要测出它们的具体数值，C项错误。

6.答案：（3）0.39（在0.37~0.49范围内都可）

（4）如图所示

（5）0.45（在0.43~0.47范围内都可）

（6）BC

解析：（3）由得：，在图像中找一点坐标，代入公式即可求出a。

（5）对小车和钩码组成的系统应用牛顿第二定律：，则，图像的斜率，从而可解出M。

（6）对于已平衡摩擦力的情况，对整体应用牛顿第二定律：，则①；对于木板水平的情况，对整体应用牛顿第二定律：，整理得：②，比较①②可见，B、C均正确。

7.答案：（1）C

（2）不需要

（3）B

解析：（1）平衡摩擦力时，小车不受拉力作用下做匀速直线运动，所以不能在动滑轮上挂上钩码，故A错误；平衡摩擦力时有：，即有，与质量无关，故B错误；改变小车拉力时不需要重新平衡摩擦力，故C正确。

（2）由于力传感器可以读取细线的拉力，所以不需要满足所挂钩码质量远小于小车质量。

（3）由题图乙可知，没有挂钩码时小车具有加速度，说明平衡摩擦力时木板倾角过大，故选B。

8.答案：（1）A

（2）1.63；1.72

（3）见解析图

解析：（1）为了使细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，则需要满足小车和小车上砝码的总质量远大于细砂和小桶的总质量，若小车和小车上砝码的总质量为800 g，则细砂和小桶的总质量较为合理的是50 g，选项A正确，B、C、D错误。

（2）B点的瞬时速度等于这段位移的平均速度

故。

由可得，小车的加速度

。

（3）由坐标系中标注点可看到这些点大致在一条直线上，过这些点作一条直线，即a与的关系图像，如图所示。