专题57 探究牛顿第二定律实验—七年高考（2011-2017）物理试题分项精析版 8页

1．【2011·浙江卷】在“探究加速度与力、质量的关系”实验时，已提供了小车，一端附有定滑轮的 长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线。为了完成实验，还须从下图中选取实验器材，其名 称是 ① （漏选或全选得零分）；并分别写出所选器材的作用 ② 。 【答案】①学生电源、电磁打点计时器、钩码、砝码或电火花计时器、钩码、砝码 ②学生电源为电磁打点计时器提供交流电源；电磁打点计时器（电火花计时器）记录小车运动的位置 和时间；钩码用以改变小车的质量；砝码用以改变小车受到的拉力的大小，还可以用于测量小车的质量。 【考点定位】“探究加速度与力、质量的关系”实验 2．【2012·安徽卷】图 1 为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图。砂和砂桶的总质量为 m ，小车 和砝码的总质量为 M。实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小。 （1）试验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一滑轮的高度，使细线 与长木板平行．接下来还需要进行的一项操作是 A．将长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节 m 的大小， 使小车在砂和砂桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动。 B．将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和砂桶，给打点 计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动。 C．将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运 动． （2）实验中要进行质量 m 和 M 的选取，以下最合理的一组是 A．M=20 g，m=10g、15 g、20 g 、25 g、30 g、40 g B．M =200 g，m=20 g、40 g、60 g 、80 g、100 g、120 g C．M =400 g，m=10 g、15 g、20 g 、25 g、30 g、40 g D．M =400 g，m=20 g、40 g、60 g 、80 g、100 g、120 g （3）图 2 是实验中得到的一条纸带， A 、 B 、C 、 D 、 E 、 F 、G 为 7 个相邻的计数点，相邻的两 个计数点之间还有四个点未画出。量出相邻的计数点之间的距离分别为 ABs =4.22 cm、 BCs =4.65 cm、 CDs =5.08 cm、 DEs =5.49 cm、 EFs =5.91 cm、 FGs =6.34 cm 。已知打点计时器的工作频率为 50 Hz，，则 小车的加速度 a= m/s2 （结果保留 2 位有效数字）。 【答案】（1）B （2）C （3）0.42 【考点定位】此题考查“验证牛顿第二定律”的实验 3．【2014·新课标全国卷Ⅰ】某同学利用图（a）所示实验装置即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（b）所示，实验中小车（含发射器）的质量为 200g，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： （1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成 （填“线性”或“非线性”）的关系。 （2）由图（b）可知， a m 图线不经过远点，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）调整轨道倾斜度以平衡摩擦力 远小于小车质量 【考点定位】探究牛顿第二定律实验探究 4．【2012·山东卷】某同学利用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议所示。打点计时器电源的频率为 50Hz。 （1）通过分析纸带数据，可判断物块在相邻计数点 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 a/g 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”）。 【答案】（1）6，7；（2）1.00，1.20；（3）2.00，偏大 【解析】（1）从纸带上的数据分析得知：在点计数点 6 之前，两点之间的位移逐渐增大，是加速运动， 在计数点 7 之后，两点之间的位移逐渐减小，是减速运动，所以物块在相邻计数点 6 和 7 之间某时刻开始 减速。 （2） 46 5 1.00 /2 xv m sT   由 2 1x a T ＝ 可得加速时加速度 2 1 2.00 /a m s＝ ，则计数点 6 的速度 6 5 1 1.00 2 0.10 1.20 /v v a T m s      。 （3）由纸带可知，计数点 7 往后做减速运动，根据作差法得： 20.046 0.066 0.0861 0.1060 2.00 /0.04a m s     ．所以大小为 22.00 /m s 。 测量值与真实值比较，测量值偏大，因为实验中存在阻力，比如：没有考虑纸带与打点计时器间的摩 擦；没有考虑空气阻力等． 【考点定位】本题考查动摩擦因数测量和牛顿第二定律及其相关知识 5．【2016·全国新课标Ⅲ卷】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 N=5 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快，使小车（和钩码）可以在 木板上匀速下滑。 （2）将 n（依次取 n=1，2，3，4，5）个钩码挂在轻绳右端，其余 N－n 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 s-t 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。n=2 时的 s-t 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。 n 1 2 3 4 5 2/ m sa  0.20 0.58 0.78 1.00 （4）利用表中的数据在图（c）中补齐数据点，并作出 a-n 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 a–n 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 g=9.8 m·s–2）。 （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．a–n 图线不再是直线 B．a–n 图线仍是直线，但该直线不过原点 C．a–n 图线仍是直线，但该直线的斜率变大 【答案】（3）0.39（4）如图所示（5）0.45（6）BC 【解析】（3）因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，故将（2，0.78）代入 21 2s at 可得 20.39 m / sa  。 （4）根据描点法可得如图所示图线 【考点定位】验证牛顿第二定律的应用 【方法技巧】对于高中实验，要求能明确实验原理，认真分析各步骤，从而明确实验方法；同时注意 掌握图象的性质，能根据图象进行分析，明确对应规律的正确应用。 6．【2013·天津卷】某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。 （1）下列做法正确的是 ，（填字母代号） A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行 B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上 C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源 D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度 （2）为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码 桶及桶内砝码的总质量 木块和木块上砝码的总质量。（填“远大于”、“远小于”或 “近似等于“） （3）甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有 平衡摩擦力的情况下，研究加速度 a 与拉力 F 的关系，分别得到图中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块 质量分别为 m 甲、m 乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m 甲 m 乙， μ甲 μ乙。（填“大于”、“小于”或“等于”） 【答案】 （1）AD （2）远小于 （3）小于 大于 （2）按照教材上的理论若以砝码桶及砝码作为小木块的外力，则有  a mg M  ，而实际实验过程中砝 码桶及砝码也与小木块一起做匀加速运动，即对砝码桶及砝码有 mg-T=ma，对小木块有 T=Ma．综上有：小 物块的实际的加速度为 a mg mg M m M   ＜ ，只有当 m＜＜M 时，才能有效的保证实验的准确性。 （3）当没有平衡摩擦力时有：T-f=ma，故 1a T gm   ，即图线斜率为 1 m ，纵轴截距的大小为μg．观 察图线可知 m 甲小于 m 乙，μ甲大于μ乙。 【考点定位】探究加速度与物体质量、物体受力的关系 7．【2012·大纲全国卷】图 1 为验证牛顿第二定律的实验装置示意图。图中打点计时器的电源为 50Hz 的交流电源，打点的时间间隔用Δt 表示。在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来研究“在 外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”。 （1）完成下列实验步骤中的填空： ①平衡小车所受的阻力：小吊盘中不放物块，调整木板右端的高度，用手轻拨小车，直到打点计时器 打出一系列________的点。 ②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码。 ③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有点迹的纸带，在纸带上标出小车中砝码的质量 m。 ④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③。 ⑤在每条纸带上清晰的部分，每 5 个间隔标注一个计数点。测量相邻计数点的间距 s1，s2，…。求出与 不同 m 相对应的加速度 a。 ⑥以砝码的质量 m 为横坐标， a 1 为纵坐标，在坐标纸上做出 a 1 -m 关系图线。若加速度与小车和砝码的 总质量成反比，则 a 1 与 m 处应成_________关系（填“线性”或“非线性”）。 （2）完成下列填空： （ⅰ）本实验中，为了保证在改变小车中砝码的质量时，小车所受的拉力近似不变，小吊盘和盘中物 块的质量之和应满足的条件是_______________________。 （ⅱ）设纸带上三个相邻计数点的间距为 s1、s2、s3。a 可用 s1、s3 和Δt 表示为 a=__________。图 2 为用米尺测量某一纸带上的 s1、s3 的情况，由图可读出 s1=__________mm，s3=__________mm。由此求得加速 度的大小 a=__________m/s2。 （ⅲ）图 3 为所得实验图线的示意图。设图中直线的斜率为 k，在纵轴上的截距为 b，若牛顿定律成立， 则小车受到的拉力为___________，小车的质量为___________。 【答案】（1）①均匀⑥线性 （2）（ⅰ）远小于小车和小车中砝码的质量之和 （ⅱ） t ss 10 - 13 24.1 47.3 1.16 （ⅲ） 1 k b k （ⅱ）设纸带上三个相邻计数点的间距为 1 2 3s s s、 、 ，由匀变速直线运动的推论得： 2x aT  ，即  2 3 1 2 5s s a t   ，   3 1 250 s sa t   。图 2 为用米尺测量某一纸带上的 1 3s s、 的情况，由图可读出 1 324.2 47.2s mm s mm ， 。由此求得加速度的大小   23 1 2 1.15 / 50 s sa m t s    。 （ⅲ）设小车质量为 M，小车受到外力为 F，由牛顿第二定律有 F m M a （ ） ； 所以， 1  m M a F F   ，所以，1 ma  图象的斜率为  1 F ，故 1F k  ，纵轴截距为 Mb kMF   ，所以， bM k  。 【考点定位】本题考查验证牛顿第二定律实验。