衡水中学物理最经典-实验拓展与创新

实验拓展与创新

用气垫导轨替代长木板，将气垫导轨调成水平，不用再平衡摩擦力．

通过

4．(2015·课标卷Ⅱ，22)某同学用图(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数．已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示，图中标出了五个连续点之间的距离．

(1)物块下滑时的加速度a＝________ m/s2，打C点时物块的速度v＝________ m/s；

(2)已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是________(填正确答案标号)．

A．物块的质量B．斜面的高度

C.斜面的倾角

【解析】(1)根据纸带数据可知，加速度a＝

(x CD＋x DE)－(x AB＋x BC)

4T2＝3.25 m/s

2；打C 点时物块的速度v C＝

x BD

2T≈1.79 m/s.

(2)由牛顿第二定律得加速度a＝g sin θ－μg cos θ，所以要求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是斜面的倾角．

【答案】(1)3.25 1.79(2)C

5．(2018·山东日照市高三上学期期中)如图1所示，某同学设计了一个测量滑块与木板间的动摩擦因数的实验装置，装有定滑轮的长木板固定在水平实验台上，木板上有一滑块，滑块右端固定一个动滑轮，钩码和弹簧测力计通过绕在滑轮上的轻绳相连，放开钩码，滑块在长木板上做匀加速直线运动．

图1

(1)实验得到一条如图2所示的纸带，相邻两计数点之间的时间间隔为0.1 s ，由图中的数据可知，滑块运动的加速度大小是________m/s 2.(计算结果保留两位有效数字)

图2

(2)读出弹簧测力计的示数F ，处理纸带，得到滑块运动的加速度a ；改变钩码个数，重复实验．以弹簧测力计的示数F 为纵坐标，以加速度a 为横坐标，得到的图象是纵轴截距为b 的一条倾斜直线，如图3所示．已知滑块和动滑轮的总质量为m ，重力加速度为g ，忽略滑轮与绳之间的摩擦．则滑块和木板之间的动摩擦因数μ＝________.

图3

【解析】 (1)加速度a ＝x BD －x OB 4T 2＝0.192－0.096 14×0.01

m/s 2＝2.4 m/s 2. (2)滑块受到的拉力F T 为弹簧测力计示数的两倍，即：

F T ＝2F

滑块受到的摩擦力为：F f ＝μmg

由牛顿第二定律可得：F T －F f ＝ma

解得力F 与加速度a 的函数关系式为：F ＝m 2a ＋μmg 2

由图象所给信息可得图象截距为：b ＝μmg 2

解得：μ＝2b mg

. 【答案】 (1)2.4 (2)2b mg

命题点2 实验装置的创新

6．(2014·课标卷Ⅰ，22)某同学利用图(a)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(b)所示．实验中小车(含发射器)的质量为200 g ，

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”)关系．

(2)由图(b)可知，a-m图线不经过原点，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________________________________________________________________________．【解析】(1)把图(b)中的点用平滑线连接后，可以看出，am图线是曲线，即非线性．

(2)由图象可知，当加速度为0时，拉力不为零，所以除拉力外小车还受到摩擦力的作用．

(3)改进要求：第一，图线不过原点，要平衡摩擦力，所以调整轨道的倾斜度．第二，要使小车受到的合外力等于钩码的重力，要求钩码质量不能太大，即远小于小车的质量．【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的质量

7．在用DIS研究小车加速度与外力的关系时，某实验小组先用如图(a)所示的实验装置，重物通过滑轮用细线拉小车，在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器，位移传感器(发射器)随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器(接收器)固定在轨道一端，实验中力传感器的拉力为F，保持小车[包括位移传感器(发射器)]的质量不变，改变重物重力重复实验

若干次，得到加速度与外力的关系如图(b)所示．

(a)

(b)

(1)小车与轨道的滑动摩擦力F f ＝________ N.

(2)从图象中分析，小车[包括位移传感器(发射器)]的质量为________kg.

(3)该实验小组为得到a 与F 成正比的关系，应将斜面的倾角θ调整到tan θ＝________.

【解析】 (1)根据图象可知，当F ＝0.67 N 时，小车开始有加速度，则F f ＝0.67 N.

(2)根据牛顿第二定律a ＝F －F f M ＝1M F －F f M

，则a -F 图象的斜率表示小车[包括位移传感器(发射器)]质量的倒数，则

M ＝1k ＝4.0－2.05.0－2.0＝23

≈0.67 kg. (3)为得到a 与F 成正比的关系，则应该平衡摩擦力，则有：

Mg sin θ＝μMg cos θ

解得：tan θ＝μ，

根据F f ＝μMg 得：μ＝0.6723

×10＝0.1 所以tan θ＝0.1.

【答案】 (1)0.67 (2)0.67 (3)0.1

命题点3 实验原理的创新

8．(2013·课标卷Ⅰ，22)图(a)为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图．实验步骤如下：

图(a)

①用天平测量物块和遮光片的总质量M 、重物的质量m ；用游标卡尺测量遮光片的宽度d ；用米尺测量两光电门之间的距离s ；

②调整轻滑轮，使细线水平；

③让物块从光电门A 的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A 和光电门B 所用的时间Δt A 和Δt B ，求出加速度a ；

④多次重复步骤③，求a 的平均值a ；

⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数μ.

回答下列问题：

(1)测量d 时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图(b)所示，其读数为________cm.

图(b)

(2)物块的加速度a 可用d 、s 、Δt A 和Δt B 表示为a ＝________.

(3)动摩擦因数μ可用M 、m 、a 和重力加速度g 表示为μ＝________.

(4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于________(选填“偶然误差”或“系统误差”)．

【解析】 (1)d ＝0.9 cm ＋12×0.05 mm ＝0.9 cm ＋0.060 cm ＝0.960 cm.

(2)由v ＝Δx t 得，v A ＝d Δt A ，v B ＝d Δt B

，物块做匀加速直线运动，则v 2B －v 2A ＝2ax ，即????d Δt B 2－????d Δt A 2＝2as ，得a ＝12s ???

?????d Δt B 2－????d Δt A 2. (3)整体运用牛顿第二定律得：mg －μMg ＝(M ＋m )a ，则μ＝mg －(M ＋m )a Mg

. (4)由实验装置引起的误差为系统误差．

【答案】 (1)0.960 (2)12s ???

?????d Δt B 2－????d Δt A 2 (3)mg －(M ＋m )a Mg

(4)系统误差 9．某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系．弹簧测力计固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接，在桌面上画出两条平行线MN 、PQ ，并测出间距d .开始时将木板置于MN 处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧测力计的示数F 0，以此表示滑动摩擦力的大小．再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧

测力计的示数F 1，然后释放木板，并用停表记下木板运动到PQ 处的时间t .

(1)木板的加速度可以用d 、t 表示为a ＝________ ；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是(一种即可)

________________________________________________________________________.

(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a 与弹簧测力计示数F 1的关系．下列图象能表示该同学实验结果的是________ .

(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是________ . a ．可以改变滑动摩擦力的大小

b ．可以更方便地获取多组实验数据

c ．可以比较精确地测出摩擦力的大小

d ．可以获得更大的加速度以提高实验精度

【解析】 (1)由d ＝12at 2可得a ＝2d t 2.减小偶然误差的主要方法是多次测量，求平均值． (2)由题意可知，F 1是水瓶的重力，设绳中拉力为F T ，对木板，a ＝F T －F 0M 板

，在M 板?m 水时F T ≈F 1，a ＝F 1－F 0M

，排除a 、b 选项；逐渐增加水的质量，将不再满足F T ≈F 1，而是F T

(3)用加水的方法改变拉力的大小可以改变质量且可以连续改变．

【答案】 (1)2d t 2 保持F 1不变，重复实验多次测量，求平均值 (2)c (3)bc