2018高中物理第四章牛顿运动定律4.4创新性实验揭秘练习新人教版必修1.doc

创新性实验揭秘

（答题时间：30分钟）
1. 如下图所示，一端带有定滑轮的长木板上固定有甲、乙两个光电门，与之相连的计时器可以显示带有遮光片的小车在其间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质细绳相连的轻质测力计能显示挂钩处所受的拉力，不计空气阻力及一切摩擦。

（1）在探究“合外力一定时，加速度与质量的关系”时，要使测力计的示数等于小车所受合外力，操作中必须满足________________；要使小车所受合外力一定，操作中必须满足________________________。
实验时，先测出小车质量m，再让小车从靠近光电门甲处由静止开始运动，读出小车在两光电门之间的运动时间t，改变小车质量m，测得多组m、t的值，建立坐标系描点作出图线。下列能直观得出“合外力一定时，加速度与质量成反比”的图线是________。

（2）如下图甲所示，抬高长木板的左端，使小车从靠近光电门乙处由静止开始运动，读出测力计的示数F和小车在两光电门之间的运动时间t0，改变木板倾角，测得多组数据，得到的F－的图线如图乙所示。

图甲　　　　　　　　 图乙
实验中测得两光电门的距离L＝0.80 m，砂和砂桶的总质量m1＝0.34 kg，重力加速度g取9.8 m/s2，则图线的斜率为________（结果保留两位有效数字）；若小车与长木板间的摩擦不能忽略，测得的图线斜率将________（填“变大”、“变小”或“不变”）。
2.（山东理综）某同学利用如图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律。物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）。从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示，打点计时器电源的频率为50 Hz。

①通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点______和________之间某时刻开始减速。
②计数点5对应的速度大小为________m/s，计数点6对应的速度大小为________m/s。（保留三位有效数字）
③物块减速运动过程中，加速度的大小为a＝______m/s2，若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数（g为重力加速度），则计算结果比动摩擦因数的真实值________（填“偏大”或“偏小”）。
3. 下图为用速度传感器和拉力传感器验证“质量一定时加速度与物体所受合外力成正比”的实验装置示意图。

实验主要步骤如下：
①在长木板上的A、B两点各安装一个速度传感器，测量出A、B两点间的距离L。
②将拉力传感器固定在小车的左端，把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连。
③接通电源，将小车自C点释放，小车在细线拉动下运动。记录细线拉力F的大小以及小车经过A、B时的速率vA、vB。
④由运动学公式计算出小车的加速度a，并将测得的拉力和加速度填入实验数据表格中。
⑤改变所挂钩码的数量，重复③、④的操作。
实验数据表格如下：
次数
F/N
a/（m·s－2）
1
0.60
0.80
2
1.04
1.68
3
1.42
2.44
4
2.62
4.84
5
3.00
5.72
（1）由表中数据，在下图所示的坐标纸上作出a－F实验图线（图中已画出的为理论图线）。

（2）实验图线与理论图线存在偏差的主要原因是____________________________。
（3）下列不必要的实验要求是______（请填写选项前对应的字母）
A. 要保持小车（含拉力传感器）的质量M不变
B. 要保证小车（含拉力传感器）的质量M远大于所挂钩码的质量m
C. 两速度传感器间的距离要适当大些
D. 要保持细线方向与木板平面平行
4. 如下图所示为某同学探究加速度与力和质量关系的实验装置，两个相同质量的小车放在光滑水平板上，前端各系一条细绳，绳的一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可放砝码。两小车后端各系一条细绳，一起被夹子夹着使小车静止。打开夹子，两小车同时开始运动；关上夹子，两小车同时停下来，用刻度尺测出两小车的位移，下表是该同学在几次实验中记录的数据。

图10
实验
次数
车号
小车质
量（g）
小盘质
量（g）
车中砝码
质量（g）
盘中砝码
质量（g）
小车位
移（cm）
1
甲
50
10
0
0
15
乙
50
10
0
10
30
2
甲
50
10
0
10
27.5
乙
50
10
50
10
14
3
甲
50
10
0
0
18
乙
50
10
10
10

请回答下述问题：
（1）在每一次实验中，甲、乙两车的位移之比等于______之比，请简要说明实验原理
________________________________________________________________________；
（2）第一次实验是控制了____________不变的，在实验误差范围内可得出的结论是：
________________________________________________________________________；
（3）第二次实验是控制了____________不变的，在实验误差范围内可得出的结论是：
________________________________________________________________________；
（4）第三次实验时，该同学先测量了甲车的位移，再根据前两次实验的结论，计算出乙车应该发生的位移，然后再测量了乙车的位移，结果他高兴地发现，理论的预言与实际符合得相当好。请问，他计算出的乙车位移应该是________________。
5.（成都模拟）某实验小组利用如下图所示的实验装置来探究，当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系。

（1）由图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x＝24 cm，由下图中游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________cm。该实验小组在做实验时，将滑块从上图所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1＝____________，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2＝________，则滑块的加速度的表达式a＝________。（以上表达式均用字母表示）

（2）在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量，总共做了6组实验，得到如下表所示的实验数据。通过分析表中数据，你得出的结论是_______________________________。
m（g）
a（m/s2）
250
2.02
300
1.65
350
1.33
400
1.25
500
1.00
800
0.63
（3）现需通过图象进一步验证你的结论，请利用表格数据，在下图所示的坐标系中描点作出相应图象。

6.（吉林二模）为了探究加速度与力的关系，使用如下图所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录。滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为x，牵引砝码的质量为m。回答下列问题：

（1）实验开始时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？
（2）若取M＝0.4 kg，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. m1＝5 g B. m2＝15 g
C. m3＝40 g D. m4＝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Δt1、Δt2、D、x表示）。

1. （1）小车与滑轮间的细绳与长木板平行；砂和砂桶的总质量远小于小车的质量；C （2）0.54 kg·m或0.54 N·s2　不变
解析：（1）小车受重力，支持力和拉力，小车与滑轮间的细绳与长木板平行，测力计的示数等于小车所受的合外力；要使小车所受合外力一定，操作中必须满足沙和沙桶的总质量远小于小车的质量；小车从靠近甲光电门处由静止开始做匀加速运动，位移
改变小车质量m，测得多组m、t的值，所以加速度，位移不变，所以a与t2成反比，故“合外力一定时，加速度与质量成反比例”的图线是C。
（2）小车由静止开始做匀加速运动，位移，
根据牛顿第二定律得，对于沙和沙桶，

则图线的斜率为
若小车与长木板间的摩擦不能忽略，所示测得图线斜率将不变。
2. ①6　7（或7　6）　②1.00　1.20　③2.00　偏大
解析：①从计数点1到6相邻的相等时间内的位移差Δx≈2.00 cm，在6、7计数点间的位移比5、6计数点间的位移增加了（12.28－11.01） cm＝1.27 cm<2.00 cm，因此，开始减速的时刻在两相邻计数点6和7之间。
②计数点5对应的速度大小为v5＝＝ m/s＝1.00 m/s。
计数点4对应的速度大小为v4＝＝m/s＝0.80 m/s。
根据v5＝，得计数点6对应的速度大小为
v6＝2v5－v4＝（2×1.00－0.80） m/s＝1.20 m/s。
注意：不能用v6＝来计算。
③物块在计数点7到11之间做减速运动，根据Δx＝aT2得
x9－x7＝2a1T2
x10－x8＝2a2T2
故a＝＝≈－2.00 m/s2
物块做减速运动时所受到的阻力包括水平桌面的摩擦阻力和打点计时器对纸带的摩擦阻力，因此根据牛顿第二定律，得μmg＋f＝ma，即μ＝，因此用μ′＝计算出的动摩擦因数比μ的真实值偏大。
3. （1）a－F实验图线如图

（2）没有平衡摩擦力　（3）B
解析：根据实验数据在表中描点连线，图线如下图所示

实验图线不通过原点，与横轴有截距，这表明在有拉力作用的情况下，小车的加速度仍为零，原因是实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。
由于本实验直接由传感器可以得出小车的拉力大小，不需要用重物的重力代替拉力，所以不用满足小车（含拉力传感器）的质量M远大于所挂钩码的质量m。
4.（1）加速度；在t相同的情况下，由x=可得x与a成正比，故有x1∶x2＝a1∶a2　（2）小车质量；小车加速度与合外力成正比　（3）小车所受合外力　小车加速度与质量成反比　（4）30 cm
解析：（1）甲、乙两车的位移之比等于加速度之比，由于两车运动时间相同，由x＝at2得x1∶x2＝a1∶a2；
（2）第一次实验中控制小车质量相同，小车加速度与合外力成正比；
（3）第二次小车所受合外力不变，小车加速度与质量成反比；
（4），x甲∶x乙＝a甲∶a乙＝3∶5，得x乙＝30 cm。
5. （1）0.52　　　 （2）、（3）见解析
解析：（1）由图可知d＝5 mm＋0.1 mm×2＝5.2 mm＝0.52 cm。
遮光条的宽度很小，遮光条通过光电门的时间很短，这段时间内的平均速度即为滑块通过光电门的瞬时速度，故v1＝，v2＝。滑块由光电门1到光电门2做匀加速直线运动，由v－v＝2ax可得a＝。
（2）在合外力不变的情况下，物体运动的加速度跟物体的质量成反比。（或当合外力一定时，在误差允许的范围内，物体质量和加速度的乘积近似相等。）
（3）如图所示

6.（1）取下牵引砝码，M放在任意位置都能静止（取下牵引砝码，轻推滑行器M，数字计时器记录每一个光电门的光束被挡的时间Δt都相等）
（2）D　（3）a＝
解析：（1）取下牵引砝码，M放在任意位置都能静止（或取下牵引砝码，轻推滑行器M，数字计时器记录每一个光电门的光束被挡的时间Δt都相等或近似相等）
（2）本实验的目的是“探究加速度与力的关系”，若将砝码的重力(mg)看做是滑行器(M)的合外力，前提条件是m≪M，故选项D不合适；
（3）由光电门测得的时间可以计算出经过时的速度，，
由可得，
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