2023-2024学年高中物理人教版（2019）必修第一册课后习题 第4章 2-实验：探究加速度与力、质量的关系（含答案）

2.实验:探究加速度与力、质量的关系
必备知识基础练
1.图甲为探究加速度与力、质量的关系的实验装置。
(1)在补偿阻力的过程中,若所有的操作均正确,打出的纸带如图乙所示,根据纸带点迹可判断应适当　　　　(选填“减小”或“增大”)木板的倾角,直至小车匀速运动;
(2)补偿阻力后,当满足小车质量m0远大于钩码质量m的条件时,小车所受的合力可近似等于钩码的重力。实验中,当所挂钩码数量一定时,研究小车加速度a与其质量m0的关系,由于未满足上述质量条件,实验结果得到的图像可能是　　　　;
(3)图丙为实验中打出的一条纸带,纸带上有七个相邻的计数点,每个相邻计数点间有4个点未标出,经测量:xAB=4.21 cm、xBC=4.63 cm、xCD=5.04 cm、xDE=5.50 cm,=5.92 cm,xFG=6.35 cm。已知电源的频率为50 Hz,则小车的加速度a=　　　　m/s2。(结果保留2位有效数字)
丙
2.(2022山东菏泽高一期末)某同学用带有滑轮的长木板、小车、打点计时器、沙和沙桶等,做探究物体的加速度与力的关系的实验。
甲
乙
丙
(1)图甲为其安装的实验装置,在该装置中有一处明显的错误,是　　　　(选填“a”“b”“c”或“d”)处。
(2)纠正错误后,正确操作实验中打出了一条纸带,从比较清晰的点开始,在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E,相邻两个计数点之间都有4个点没有标出,测出各计数点到A点的距离,如图乙所示。已知打点计时器工作电源的频率为50 Hz,则此次实验中打C点时小车运动的速度vC=　　　 m/s,小车的加速度a=　　　 m/s2(结果保留两位有效数字)。
(3)实验时改变沙桶内沙的质量,分别测量小车在不同外力作用下的加速度,根据测得的多组数据画出a-F关系图像,如图丙所示。图线的上端明显偏离直线,造成此现象的主要原因是　　　　(选填下列选项的序号)。
A.小车与平面轨道之间存在摩擦
B.平面轨道倾斜角度过大
C.所挂沙桶和沙的总质量过大
D.所用小车的质量过大
关键能力提升练
3.(2022广西玉林模拟)图甲为验证牛顿第二定律的实验装置示意图。连接在小车后面的纸带穿过电火花计时器,小车和挂在竖直面内的拉力传感器,用一条柔软的轻绳通过光滑的定滑轮和动滑轮连接起来,拉力传感器是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置,用于测小车受到拉力的大小。
甲
乙
丙
(1)在安装器材时,要调整定滑轮的高度,使系小车的轻绳与木板平行。你认为这样做的目的是　　　　(填字母代号)。
A.防止电火花计时器在纸带上打出的点痕不清晰
B.在平衡摩擦力后使轻绳拉力等于小车受到的合力
C.防止小车在木板上运动过程中发生抖动
D.保证小车最终能够实现匀速直线运动
(2)实验中　　　　(选填“需要”或“不需要”)满足所挂钩码质量远小于小车质量。
(3)第一实验小组在实验中得到如图乙所示一条纸带的一部分,用毫米刻度尺测量并在纸带上标出了这部分的长度,相邻两计数点间的距离如图乙所示,相邻两计数点间还有4个计时点未标出,已知电火花计时器使用的交变电源的频率为50 Hz,根据图中数据计算得加速度大小为　　　　 m/s2。(计算结果保留两位有效数字)
(4)第二实验小组根据测量数据作出如图丙所示的a-F图像,该同学做实验时存在的问题是　。
4.某同学探究小车加速度与力的关系的实验装置如图甲所示,他将光电门固定在水平轨道上的B点,用不同重物通过细线拉同一小车,每次小车都从同一位置A由静止释放。
甲
(1)若遮光条的宽度d=4.7 mm,实验时将小车从位置A由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt,则小车经过光电门时的速度为v=　　　　　(用字母表示)。
(2)测出多组重物的质量m和对应遮光条通过光电门的时间Δt,通过描点作出线性图像,研究小车加速度与力的关系,处理数据时应作出　　　　　图像。
A.Δt-m B.Δt2-m
C.-m D.-m
(3)有一位同学通过实验测量作出的图线如图乙所示,试分析:
乙
图线不通过坐标原点的原因是________________________;_____________________________;
②图线上部弯曲的原因是_____________________________________。
2.实验:探究加速度与力、质量的关系
1.解析 (1)根据纸带点迹可判断小车做加速运动,则应适当减小木板的倾角,直至小车匀速运动。
(2)当满足m m0的条件时,小车所受的合力可近似等于钩码的受力,随着逐渐增大,即m0逐渐减小,则不再满足m m0的条件,实际测得的加速度a=小于近似后计算得到的加速度a'=,所以图像将向下弯曲。故选B。
(3)根据Δx=aT2解得a== m/s2=0.43 m/s2。
答案 (1)减小　(2)B　(3)0.43
2.解析 (1)木板带滑轮的一端应该放在桌子边缘,则错误之处是a。
(2)由于每两个计数点之间还有四个计时点,则计数点之间的时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s,根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度知vC==0.54 m/s,由逐差法得a==1.0 m/s2。
(3)根据牛顿第二定律,对沙桶mg-F=ma,对小车F=m0a
解F=,本实验是把沙和沙桶的重力当作小车的合力,a与F成线性关系。而根据F=可知,只有m m0时才成立。故A、B、D错误,C正确。
答案 (1)a　(2)0.54　1.0　(3)C
3.解析 (1)实验中调节定滑轮高度,使轻绳与木板平行,可在平衡摩擦力后使轻绳的拉力等于小车所受的合力,如果不平行,轻绳的拉力在垂直于木板的方向上就有分力,改变了摩擦力就不能使轻绳拉力等于小车所受的合力,故A、C、D错误,B正确。
(2)由于本实验中的力传感器可以读出绳的拉力,所以不需要满足所挂钩码质量远小于小车质量。
(3)因纸带上两相邻计数点的时间间隔为T=0.10 s,设x1=9.50 cm,x2=11.00 cm,x3=12.50 cm,x4=14.00 cm,a=,代入数值得a=1.5 m/s2。
(4)图像在F轴上的截距不为零。说明力传感器显示有拉力时,小车仍然静止,这是没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够造成的。
答案 (1)B　(2)不需要　(3)1.5　(4)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够
4.解析 (1)小车经过光电门时的速度v=。
(2)由mg=m车a,v2=2aL,v=,可得m,故D正确。
(3)①图线不通过坐标原点而与F轴相交,说明没有补偿阻力或补偿阻力不够。
②图线上部弯曲是因为随着m的增大,不能满足重物质量远小于小车的质量的关系。