备考2024届高考物理一轮复习分层练习第三章运动和力的关系实验四探究加速度与物体受力物体质量的关系

实验四探究加速度与物体受力、物体质量的关系1.[2024浙江名校联考]如图所示为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置.（1）该实验中需要把带滑轮的长木板右端垫高来补偿阻力的影响，在操作此步骤时需要　C　（单选）.A.悬挂槽码同时连接纸带并使用打点计时器B.悬挂槽码但不使用纸带和打点计时器C.不悬挂槽码但要连接纸带并使用打点计时器D.不悬挂槽码也不使用纸带和打点计时器（2）在质量不变的情况下探究加速度与合力的关系时，应该保持　　　的总质量M不变，多次改变　　　　的总质量m并测量出每次对应的加速度.根据实验数据描绘出　　　　进而得出实验结论.下列答案组合中正确的是　A　（单选）.A.小车和车内砝码、槽码、a－mg图像B.槽码、小车和车内砝码、a－mg图像C.小车和车内砝码、槽码、a－M－1图像D.槽码、小车和车内砝码、a－M－1图像解析　（1）补偿阻力补偿的是小车和纸带受到的阻力，所以应不悬挂槽码但要连接纸带并使用打点计时器，C正确.（2）当小车的质量远大于槽码的质量时，可近似认为细线对小车的拉力大小等于槽码重力的大小，所以在质量不变的情况下探究加速度与合力的关系时，应该保持小车和车内砝码的总质量M不变，多次改变槽码的总质量m并测量出每次对应的加速度，根据实验数据描绘出a－mg图像进而得出实验结论，A正确. 2.如图甲所示为某实验小组在水平桌面上探究带滑轮小车的加速度与所受合外力关系的实验装置.请回答下列问题：（1）甲同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带，其中s1＝6.20cm，s2＝14.02cm，s3＝23.44cm，s4＝34.47cm，相邻两计数点间还有4个计时点未标出，已知交流电频率为50Hz，根据数据计算出的加速度为　1.61　m/s2.（结果保留3位有效数字）（2）乙同学调整长木板和滑轮，使长木板水平且细线平行于长木板，改变桶中砂子的质量，依次记录力传感器的示数F并求出所对应的带滑轮小车的加速度大小a，画出的a－F图像是一条直线，如图丙所示，则可求得带滑轮小车的质量为　0.3　kg，由于没有平衡摩擦力造成a－F图像不过坐标原点，则求得带滑轮小车的质量　无影响　（选填“偏大”“偏小”或“无影响”）.图丙解析　（1）由逐差法得加速度a＝xCE－xAC4t2，又t＝5T＝5f、xAC＝s2、xCE＝s4－s2，由以上解得a≈1.61m/s2.（2）由牛顿第二定律得2F－f＝Ma，整理得a＝2MF－fM，又由图丙可知图线的斜率k＝3－10.5－0.2kg－1＝203kg－1，则2M＝203kg－1，解得M＝0.3kg；若平衡了摩擦力，则有a＝2MF，显然图线的斜率不变，则带滑轮小车的质量测量值不受影响. 3.[实验目的创新/2024安徽滁州开学测试]某实验小组设计了如图甲所示实验装置，探究滑块与长木板之间的动摩擦因数.将一端带有定滑轮且表面平整的长木板固定在水平桌面上，滑块置于长木板左端，滑块上面固定一个小遮光片.将滑块和托盘用轻细绳连接，在靠近托盘处连接力传感器，在长木板右侧某位置固定光电门，并连接好数字计时器.当地重力加速度为g.实验过程如下.图甲图乙　　　　　　　　　　图丙（1）用游标卡尺测量遮光片的宽度，如图乙所示，则遮光片的宽度d＝　6.70　mm.（2）滑块静置于长木板上，记录遮光片中线在长木板上的投影位置，用刻度尺测量出该位置到光电门的水平距离x；用手托住托盘，将若干砝码置于托盘内，由静止释放托盘，当遮光片经过光电门时，数字计时器记录遮光时间为t，力传感器记录此过程中绳的拉力为F.（3）将滑块再次置于初始位置，增加砝码数量后，重复实验，记录数据.利用图像处理数据，作出F－1t2图像如图丙所示，由图像可知其纵截距为b，斜率为k.（4）滑块和遮光片的总质量m＝　2kxd2　；滑块和长木板间的动摩擦因数μ＝　bd22kxg　.（用题目所给物理量符号表示）解析　（1）游标尺的分度值为0.05mm，由图乙可知，遮光片的宽度d＝6mm＋14×0.05mm＝6.70mm.（4）设滑块运动加速度为a，由牛顿第二定律可得F－μmg＝ma，当遮光片经过光电门时，速度为v＝dt，由速度—位移关系可得v2＝2ax，整理可得F＝md22xt2＋μmg，由图丙可知，md22x＝k，μmg＝b，解得m＝2kxd2，μ＝bd22kxg. 4.[图像创新/2024江西宜春丰城中学校考]某同学做“探究小球加速度与合外力的关系”实验的装置如图甲所示，他用无线力传感器来测量绳子的拉力.他将无线力传感器和小车固定在一起，将细绳的一端挂一小球，另一端系在传感器的挂钩上，调整细绳与木板平行.已知打点计时器的打点周期为0.02s.（1）实验中打出的其中一条纸带如图乙所示，由该纸带可求得小球的加速度a＝　1.10　m/s2（结果保留3位有效数字）.（2）本实验中，保持绳端所挂小球质量不变，先按住小车，记下传感器读数为T；而后在小车上陆续放置钩码，让小车运动，从而得到绳子的不同拉力大小F与小球（含钩码和传感器）相应的加速度大小a，作出a－（T－F）图像.则下列图像中正确的是　B　.（3）在保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力F的关系时，另一同学在木板水平及倾斜两种情况下分别做了实验得到了如图丙所示的两条平行的a－F图线，根据图线可求出小车与木板之间的动摩擦因数为μ＝　0.02　.（重力加速度大小g＝10m/s2） 解析　（1）相邻计数点间的时间间隔T＝0.1s，根据逐差法可得，小球的加速度a＝xCE－xAC4T2＝1.10m/s2.（2）根据题意有T＝m球g、F＝m车a、m球g－F＝m球a，联立解得T－F＝m球a，可知a与T－F成正比，故选B.（3）设小车及传感器和钩码的总质量为m，由牛顿第二定律可知，木板水平时有F－μmg＝ma，则有a＝1mF－μg；木板倾斜时有F＋mgsinθ－μmgcosθ＝ma，则有a＝1mF＋（gsinθ－μgcosθ），由题意得木板水平时是图像②，并且两图线平行，则有μg＝0.2m/s2，解得μ＝0.02.5.[装置创新/2023上海]如图所示是某小组同学用DIS研究加速度与力的关系的实验装置（已平衡摩擦力），实验过程中可近似认为钩码受到的总重力等于小车所受的拉力.先测出一个钩码所受的重力为G，之后改变绳端的钩码个数，小车每次从同一位置释放，测出挡光片通过光电门的时间Δt.（1）实验中　B　测出小车质量m车.A.必须B.不必（2）为完成实验还需要测量①　小车释放点到光电门的距离x　；②　遮光条的宽度d　.（3）实际小车受到的拉力小于钩码的总重力，原因是　钩码受重力和拉力作用向下做加速运动，加速度竖直向下，所以细绳对钩码的拉力小于钩码的重力，又细绳对钩码的拉力等于细绳对小车的拉力，所以小车受到的实际拉力小于钩码的总重力.　.（4）若滑轮偏低导致细绳与轨道不平行，则细绳平行时的加速度a1，与不平行时的加速度a2相比，a1　大于　a2.（选填“大于”“小于”或“等于”） 解析　（1）实验的研究对象是小车，由牛顿第二定律可知a＝Fm，显然只需要保证小车的质量不变，就可以得出a与F成正比，因此不必测出小车的质量，故选B.（2）小车经过光电门时挡光片的挡光时间极短，该时间内小车的平均速度近似等于瞬时速度，即为v＝dΔt，由运动学公式得v2＝2ax，联立解得a＝d22x（Δt）2，所以为了完成实验还需要测量小车释放点到光电门的距离x和遮光条的宽度d.（4）本实验已平衡摩擦力，设轨道的倾角为θ，则有mgsinθ＝f＝μmgcosθ，细绳平行时，由牛顿第二定律有T＝ma1，若滑轮偏低导致细绳与轨道不平行，受力方向如图所示，由牛顿第二定律有Tcosβ＋mgsinθ－μ（mgcosθ＋Tsinβ）＝ma2，把mgsinθ＝f＝μmgcosθ代入上式，可得Tcosβ－μTsinβ＝ma2，故a1大于a2.