2019年高考物理一轮复习专题02验证牛二测动摩擦因数含解析2.pdf
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1、验证牛二 测动验证牛二 测动摩擦因数摩擦因数 【纲要导引】【纲要导引】 验证牛二属于高考力学实验的常考题型,测动摩擦因数可借助同样的器材进行测量。考题对应考法多变, 难度中等,需要同学们理清考法和对应实验结论。 【点拨练习】【点拨练习】 考点一 常规实验验证牛顿第二定律考点一 常规实验验证牛顿第二定律 1.平衡摩擦1.平衡摩擦 方法:方法:平衡摩擦力时,小车连接纸带,不挂 m不挂 m,轻推小车,纸带上打出等间距的点。 原因分析:1平衡摩擦力过度 2忘记把砝码盘质量计入动力 原因分析: 平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力 2.实验条件2.实验条件 平衡摩擦力后,取 M 为研究对象取 M 为研究对象,主
2、观上把 mg 当作小车的动力可得: 而实际上:对 m 得:,对 M 得:。合并得:,故实测值比理论值小TMa 实验要求,后期图象的弯折原因分析:此时不满足。 不满足时,为了得到线性的图像,可以把 m 和 M 系统当做研究对象把 m 和 M 系统当做研究对象,每次取下作为动力的钩码或砝码 后放入小车以保持系统总质量不变。根据得故斜率不变。 1 【12 年全国】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t 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
3、下列实验步骤中的填空: 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。 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。 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。 按住小车,改变小车中砝码的质量,重复步骤。 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。 以砝码的质量 m 为横坐标,为纵坐标,在坐标纸上做出m 关系图线。若加速度与小车和砝码的总 质量成反比,则与 m 处应成 关系(填“线性”或“非
4、线性” ) 。 (2)完成下列填空: ()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 。 ()设纸带上三个相邻计数点的间距为 s1、s2、s3a 可用 s1、s3和t 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。 ()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)间隔均匀;线性。 (2) ()远小于小车及其所载砝码总质量。
5、 ();24.2mm;47.2mm;1.15;(), 【解析】 (1)平衡摩擦力的标准为小车可以匀速运动,打点计时器打出的纸带点迹间隔均匀。 由 a,故+,故与 m 成线性关系。 (2) ()设小车的质量为 M,小吊盘和盘中物块的质量为 m,设绳子上拉力为 F, 以整体为研究对象有 mg(m+M)a 解得 a 以 M 为研究对象有绳子的拉力 FMamg 显然要有 Fmg 必有 m+MM,故有 Mm,即只有 Mm 时才可以认为绳对小车的拉力大小等于小吊盘 和盘中物块的重力。所以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 物块的质量之和应该远小于小车及其所载砝码总质量。
6、 ()设纸带上三个相邻计数点的间距为 s1、s2、s3。 由匀变速直线运动的推论得:xaT2 即 s3s12a(5t)2 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 s124.2mm,s347.2mm。 由此求得加速度的大小 a1.15m/s2。 ()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,+ 所以,m 图象的斜率为,故 F,纵轴截距为 bkM, 所以,M 2 【12 年安徽】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)
7、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 AM20
8、g,m10g、15g、20g、25g、30g、40g BM200g,m20g、40g、60g、80g、100g、120g CM400g,m10g、15g、20g、25g、30g、40g DM400g,m20g、40g、60g、80g、100g、120g (3)图 2 是试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 sAB4.22cm、sBC4.65cm、sCD5.08cm、sDE 5.49cm、 sEF5.91cm、 sFG6.34cm 已知打点计时器的工作频率为50Hz, 则小车的加速度a m
9、/s2(结 果保留 2 位有效数字) 【答案】 (1)B (2)C (3)0.42 【解析】 (1)将不带滑轮的木板一端适当垫高,在不挂沙和沙桶的情况下使小车恰好做匀速运动,以使小 车的重力沿斜面分力和摩擦力抵消,那么小车的合力就是绳子的拉力要判断是否是匀速运动,我们可以 从打出的纸带相邻的点的间距来判断小车是否做匀速运动,故选 B (2)当 mM 时,即当沙和沙桶的总重力要远小于小车的重力,绳子的拉力近似等于沙和沙桶的总重 力故选 C (3)相邻的两个计数点之间还有四个点未画出,相邻的计数点时间间隔为 0.1s 利用匀变速直线运动的推论xat2,sDEsAB3a1T2,sEFsBC3a2T2
10、,sFGsCD3a3T2 a0.42m/s2 3 【16 年新课标 3】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 中置于试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 N5 个,每个质量均为 0.010kg。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 n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余 Nn 个钩码仍留在小车内;用手按住 小车并使轻绳与木板平行。
11、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 st 图象,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。n2 时的 st 图象如图(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。 n12345 a/ms20.20 0.580.781.00 (4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出 an 图象。从图象可以看出: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 an 图象求得小车(空载)的质量为 kg(保留 2 位有效数字,重力加速度取 g9.8 ms2) 。
12、(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) Aan 图线不再是直线 Ban 图线仍是直线,但该直线不过原点 Can 图线仍是直线,但该直线的斜率变大 【答案】 (3)0.40; (4)如图所示;(5)0.45;BC 【解析】(3) 物体做匀加速直线运动, 对应的 xt 图象为曲线, 由图象可知, 当 t2.0s 时, 位移为 : x0.80m ; 则由 x代入数据得:a0.40m/s2; (4)在图 C 中作出点(2,0.40) ,并用直线将各点相连,如图所示; (5)由图 c 可知,当 n4 时,加速度为 0.78m/s2,由牛顿第二定律可知:
13、40.019.8(m+50.01)0.78 解得:m0.45kg; (6)若木板水平,则物体将受到木板的摩擦力;则有: nm0gmg+(5n)m0g(m+5m0)a; a 故说明图象仍为直线,但不再过原点;并且斜率增大;故 BC 正确; 4 【14 年新课标 1】某同学利用图甲所示实验装置及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,如图乙所示,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” )
14、关系; (2)由图乙可知,am 图线不经过原点,可能的原因是 ; (3)若利用本实验来验证“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)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力;远小于小车的质量 【解析】 (1)根据该同学的结果得出 am 图线是曲线,即小车的加速度与钩码的质量成非线性关系; (2)从上图中发现直线没过原点,当 a0 时,m0,即 F0,也就是说当绳子上拉力不为 0 时,小车的 加速度为 0,所以可能的原因是存在摩擦
15、力 (3)若利用本实验来验证“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: 调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力,即使得绳子上拉力等于小车的合力 根据牛顿第二定律得,整体的加速度 a,则绳子的拉力 FMa,知钩码的质量远小于小 车的质量时,绳子的拉力等于钩码的重力,所以钩码的质量应满足的条件是远小于小车的质量 5 【13 年天津】某实验小组利用图 1 的装置探究加速度与力、质量的关系。 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
16、擦力时,将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴木块上 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 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,或近似于) 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 2 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 甲,乙,由图可知,m甲 m乙
17、甲 乙(填“大于” 、“小于”或“等于” ) 【答案】AD; 远小于;小于,大于。 【解析】A、调节滑轮的高度,使牵引木块的细绳与长木板保持平行,否则拉力不会等于合力,故 A 正确 ; B、在调节模板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时,不应悬挂“重物” ,故 B 选项错误; C、打点计时器要“早来晚走”即实验开始时先接通打点计时器的电源待其平稳工作后再释放木块,而当实 验结束时应先控制木块停下再停止打点计时器,故 C 选项错误; D 平衡摩擦力后,有 mgsinmgcos,即 tan,与质量无关,故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,故 D 正确; 选择 AD; 按照教材
18、上的理论若以砝码桶及砝码作为小木块的外力,则有 a,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 mgTma,对小木块有 TMa综上有:小物块的实 际的加速度为 a,只有当 mM 时,才能有效的保证实验的准确性; 当没有平衡摩擦力时有:Tfma,故 aTg,即图线斜率为,纵轴截距的大小为 g。 观察图线可知 m甲小于 m乙,甲大于 乙; 6 【09 年上海】如图为“用 DIS(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置 (1)在该实验中必须采用控制变量法,应保持 不变,用钩码所受的重力作为 ,用 DIS 测小 车的加速度 (2)改变所挂钩码
19、的数量,多次重复测量在某次实验中根据测得的多组数据可画出 aF 关系图线(如 图所示) 分析此图线的 OA 段可得出的实验结论是 (单选题)此图线的 AB 段明显偏离直线,造成此误差的主要原因是 (A)小车与轨道之间存在摩擦 (B)导轨保持了水平状态 (C)所挂钩码的总质量太大 (D)所用小车的质量太大 【答案】 (1)小车的总质量,小车所受外力, (2)在质量不变的条件下,加速度与外力成正比, C, 【解析】 (1)因为要探索“加速度和力的关系”所以应保持小车的总质量不变,钩码所受的重力作为小车 所受外力;(2)由于 OA 段 aF 关系为一倾斜的直线,所以在质量不变的条件下,加速度与外力成
20、正比; 由实验原理:mgMa 得 a,而实际上 a,可见 AB 段明显偏离直线是由于没有满足 Mm 造成的 考点二 测动摩擦因数考点二 测动摩擦因数 1.静态法:1.静态法: 滑块连着水平绳,绳另一端连着小桶和沙子,慢慢增加沙子,直到滑块开始运动,则沙子和桶的重力为滑 块和木板的摩擦力。 (此方法不宜用钩码或砝码) 。 滑块连着水平绳,绳另一端连着小桶和沙子,慢慢增加沙子,直到滑块开始运动,则沙子和桶的重力为滑 块和木板的摩擦力。 (此方法不宜用钩码或砝码) 。 2.动态法: 2.动态法: ,测出 a,天平量出 m 和 M 质量,算出摩擦力和摩擦系数。,测出 a,天平量出 m 和 M 质量,算
21、出摩擦力和摩擦系数。 结果测量值偏大,原因是把纸带、绳子等其他摩擦计入滑块的摩擦结果测量值偏大,原因是把纸带、绳子等其他摩擦计入滑块的摩擦 1 (2018新课标)某同学用图(a)所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数,跨过光滑定滑轮的 细线两端分別与木块和弹簧秤相连,滑轮和木块间的细线保持水平,在木块上方放置砝码,缓慢向左拉动 水平放置的木板,当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时,弹簧秤的示数即为木块受到的滑动 摩擦力的大小。某次实验所得数据在 下表中给出,其中 f4的值可从图(b)中弹簧秤的示数读出。 砝码的质量 m/kg0.050.100.150.200.25 滑动摩擦力2.15
22、2.362.55f42.93 回答下列问题: (1)f4 N; (2)在图(c)的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出 fm 图线; (3) f 与 m、 木块质量 M、 木板与木块之间的动摩擦因数 及重力加速度大小 g 之间的关系式为 f , fm 图线(直线)的斜率的表达式为 k ; (4)取 g9.80m/s2,由绘出的 fm 图线求得 (保留 2 位有效数字) 【答案】 (1)2.75;(2)如图所示;(3)(M+m)g;g;(4)0.38(0.370.41 均正确) 【解析】 (1)由图可以看出,弹簧秤的指针在 2.70 和 2.80 之间,读数为 2.75N; (2)图中确定 m0.0
23、5kg 和 m0.20kg 时的点,通过描点后,画图如图所示 (3) f 与 m、 木块质量 M、 木板与木块之间的动摩擦因数 及重力加速度大小 g 之间的关系式为 f (M+m) g ; k 的表达式为 kg; (4)由图象可以得出斜率为 k3.75,所以0.38。 2 (2014山东)某实验小组利用弹簧秤和刻度尺,测量滑块在木板上运动的最大速度。 实验步骤: 用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力,记作 G; 用装有橡皮泥的滑块放在水平木板上,通过水平细绳和固定弹簧秤相连,如图甲所示,在 A 端向右拉动 木板,待弹簧秤实数稳定后,将读数记为 F; 改变滑块上橡皮泥的质量,重复步骤,实验数据如表所
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- 2019 年高 物理 一轮 复习 专题 02 验证 牛二测动 摩擦 因数 解析
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