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1、專題限時訓(xùn)練13 力學(xué)實驗與創(chuàng)新
時間:45分鐘
1.(2018·武漢華師一附中模擬)為了探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,甲、乙、丙三位同學(xué)分別設(shè)計了如圖所示的實驗裝置,小車總質(zhì)量用M表示(乙圖中M包括小車與傳感器,丙圖中M包括小車和與小車固連的滑輪),鉤碼總質(zhì)量用m表示.
(1)為便于測量合外力的大小,并得到小車總質(zhì)量一定時,小車的加速度與所受合外力成正比的結(jié)論,下列說法正確的是( BC )
A.三組實驗中只有甲需要平衡摩擦力
B.三組實驗都需要平衡摩擦力
C.三組實驗中只有甲需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小車的總質(zhì)量M的條件
D.三組實驗都需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小
2、車的總質(zhì)量M的條件
(2)若乙、丙兩位同學(xué)發(fā)現(xiàn)某次測量中力傳感器和測力計讀數(shù)相同,通過計算得到小車加速度均為a,a=g,g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?,則乙、丙兩人實驗時所用小車總質(zhì)量之比為12,乙、丙兩人實驗用的鉤碼總質(zhì)量之比為12.
解析:(1)為了便于測量合外力的大小,甲圖通過鉤碼的總質(zhì)量對應(yīng)的重力即為合外力,而乙圖是力傳感器的示數(shù),丙圖則是測力計的2倍,因此它們都必須平衡摩擦力,故A錯誤,B正確;由于甲圖通過鉤碼的總質(zhì)量對應(yīng)的重力即為合外力,因此三組實驗中只有甲需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠小于小車的總質(zhì)量M的條件,故C正確,D錯誤.
(2)根據(jù)牛頓第二定律,則有:F=M乙a,2F=M丙a
3、;因此乙、丙兩人實驗時所用小車總質(zhì)量之比為12;由牛頓第二定律,對砝碼進行研究,則有m乙g-F=m乙a,而m丙g-F=m丙2a,因a=g,解得m乙m丙=12;即乙、丙兩人實驗用的鉤碼總質(zhì)量之比為12.
2.小白用如圖所示的裝置驗證“力的平行四邊形定則”,其部分實驗操作如下.
(1)請完成下列相關(guān)內(nèi)容:
a.在木板上記下懸掛兩個鉤碼時彈簧末端的位置O.
b.卸下鉤碼,然后將兩繩套系在彈簧下端,用兩彈簧測力計將彈簧末端拉到同一位置O,記錄細繩套AO、BO的方向及兩彈簧測力計相應(yīng)的讀數(shù).圖中B彈簧測力計的讀數(shù)為11.40 N.
c.小白在坐標(biāo)紙上畫出兩彈簧拉力FA、FB的大小
4、和方向如圖所示,請你用作圖工具在圖中坐標(biāo)紙上作出FA、FB的合力F′.
d.已知鉤碼的重力,可得彈簧所受的拉力F如圖所示.
e.最后觀察比較F和F′,得出結(jié)論.
答案:圖見解析
(2)本實驗采用的科學(xué)方法是C.
A.理想實驗法 B.控制變量法
C.等效替代法 D.建立物理模型法
解析:b.圖中B彈簧測力計的讀數(shù)為11.40 N;c.圖線如圖:
3.如圖甲所示,某組同學(xué)借用“探究a與F、m之間的定量關(guān)系”的相關(guān)實驗思想、原理及操作,進行“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”的實驗:
(1)為達到平衡阻力的目的,取下細繩及托盤,通過調(diào)整墊片的位置,改變長木板傾斜程度,根據(jù)
5、打出的紙帶判斷小車是否做勻速直線(或勻速)運動.
(2)連接細繩及托盤,放入砝碼,通過實驗得到圖乙所示的紙帶.紙帶上O為小車運動起始時刻所打的點,選取時間間隔為0.1 s的相鄰計數(shù)點A、B、C、D、E、F、G.實驗時小車所受拉力為0.2 N,小車的質(zhì)量為0.2 kg.
請計算小車所受合外力做的功W和小車動能的變化ΔEk.補填表中空格(結(jié)果保留至小數(shù)點后第四位).
O—B
O—C
O—D
O—E
O—F
W/J
0.043 2
0.057 2
0.073 4
0.091 5
0.111_5
ΔEk/J
0.043 0
0.057 0
0.073 4
0.0
6、90 7
0.110_5
分析上述數(shù)據(jù)可知:在實驗誤差允許的范圍內(nèi)W=ΔEk,與理論推導(dǎo)結(jié)果一致.
(3)實驗前已測得托盤質(zhì)量為7.7×10-3 kg,實驗時該組同學(xué)放入托盤中的砝碼質(zhì)量應(yīng)為0.015 kg(g取9.8 m/s2,結(jié)果保留至小數(shù)點后第三位).
解析:(1)若已平衡摩擦力,則小車在木板上做勻速直線運動.
(2)從紙帶上的O點到F點,W=F·=0.2×0.557 5 J=0.111 5 J,打F點時速度vF== m/s=1.051 m/s,ΔEk=Mv=×0.2×1.0512 J≈0.110 5 J.
(3)打B點時小車的速度為vB== m/s=0.655 5 m/s,
7、所以小車的加速度a== m/s2≈0.99 m/s2.
小車所受的拉力F=(m0+m)(g-a),所以盤中砝碼的質(zhì)量m=-m0= kg≈0.015 kg.
4.如圖甲為某一同學(xué)探究功與速度變化關(guān)系的實驗圖,在水平臺面上放一長木板,板的右端有一個定滑輪,細繩一端連接小車,另一端跨過定滑輪,連接裝有砝碼的托盤,將小車同紙帶移近打點計時器,由靜止釋放托盤,每次托盤下落高度一定,木板足夠長,小車沒有碰到右側(cè)滑輪(小車在碰到右側(cè)滑輪之前,托盤已經(jīng)著地),將小車中的砝碼依次移至托盤中,釋放托盤,多次實驗打下紙帶,實驗中小車質(zhì)量為M,托盤質(zhì)量為m0,每個砝碼的質(zhì)量也為m0,所有砝碼與托盤的總質(zhì)量為m,托
8、盤下落的高度為h,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.
(1)減小實驗誤差,實驗操作中先將長木板放置在水平桌面上,接下來再進行一項調(diào)節(jié)是B.(填正確答案標(biāo)號)
A.將長木板一端墊高,釋放空托盤讓其拖動小車拉著紙帶運動并打點,判斷小車是否做勻速運動
B.將長木板一端墊高,撤除細繩,用手撥動小車后讓其拉著紙帶運動并打點,判斷小車是否做勻速運動
C.將長木板一端墊高,撤除細繩,讓小車自行下滑拉著紙帶并打點,然后判斷小車是否做勻加速運動
D.每移動一次砝碼,小車對木板的壓力都不同,導(dǎo)致摩擦力不同,所以都應(yīng)平衡一次摩擦力
(2)實驗中,用不同數(shù)目的砝碼拉動小車拖動紙帶圖乙是一條實驗紙帶,O為初始點,紙帶
9、上的點為打點計時器打下的原始點,則對紙帶上的數(shù)據(jù)處理正確的是C(填正確答案標(biāo)號).
A.選取OA間距,求OA間的平均速度
B.選取DE間距,求DE間的平均速度
C.選取DG間距,求DG間的平均速度
D.選取AG間距,求AG間的平均速度
(3)實驗對多次做功的定量記錄和對紙帶的分析,探究功與速度的變化的關(guān)系,在數(shù)據(jù)處理時采用了圖象法處理,縱軸為小車最大速度的平方v2,橫軸為n(托盤中的砝碼個數(shù)n碼=n-1),得到圖丙,圖線為過原點的傾斜直線,說明做功與速度變化的關(guān)系是合外力做的功與速度的平方成正比,圖線斜率的表達式k=.
解析:(1)為了使細繩對小車的拉力等于小車所受的合外力
10、,先調(diào)節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細繩與長木板平行.接下來還需要進行的一項操作是將長木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?,讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶,撤除細繩,給打點計時器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動,即平衡摩擦力,故A、C錯誤,B正確;平衡摩擦力只需要平衡一次,每移動一次砝碼,不需要重新平衡摩擦力,故D錯誤.
(2)我們要求出最后勻速運動時的速度,所以選取后面點跡比較均勻的DG段,求DG間的平均速度,故C正確,A、B、D錯誤.
(3)對小車、砝碼以及托盤整體,根據(jù)動能定理得:
[(n-1)m0+m0]gh=(m+M)v2
整理得:v2=n,
若v2-n圖線為過原點的
11、傾斜直線,則說明合外力做的功與速度的平方成正比,v2-n圖線斜率的表達式為:
k==.
5.(2018·全國卷Ⅱ)某同學(xué)用圖甲所示的裝置測量木塊與木板之間的動摩擦因數(shù).跨過光滑定滑輪的細線兩端分別與木塊和彈簧秤相連,滑輪和木塊間的細線保持水平,在木塊上方放置砝碼.緩慢向左拉動水平放置的木板,當(dāng)木塊和砝碼相對桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動時,彈簧秤的示數(shù)即為木塊受到的滑動摩擦力的大?。炒螌嶒炈脭?shù)據(jù)在表中給出,其中f4的值可從圖乙中彈簧秤的示數(shù)讀出.
砝碼的質(zhì)量m/kg
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
滑動摩擦力f/N
2.15
2.36
2.55
12、f4
2.93
回答下列問題:
(1)f4=2.75 N;
(2)在圖丙的坐標(biāo)紙上補齊未畫出的數(shù)據(jù)點并繪出f-m圖線;
答案:如圖所示
(3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動摩擦因數(shù)μ及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f=μ(M+m)g,f-m圖線(直線)的斜率的表達式為k=μg;
(4)取g=9.80 m/s2,由繪出的f-m圖線求得μ=0.40.(保留2位有效數(shù)字)
解析:(1)對彈簧秤進行讀數(shù)得2.75 N.(2)在圖象上添加(0.05 kg, 2.15 N)、(0.20 kg, 2.75 N)這兩個點,畫一條直線,使盡可能多的點落在這條直線上,不在直線上的點大致均勻分布在直線兩側(cè),如答圖所示.(3)由實驗原理可得f=μ(M+m)g, f-m圖線的斜率為k=μg.(4)根據(jù)圖象求出k=3.9 N/kg,代入數(shù)據(jù)得μ=0.40.
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