2024-2025学年高考物理必考实验专题突破四验证牛顿第二定律含解析

PAGE2025年高考物理必考试验四：验证牛顿其次定律1.试验原理(1)保持质量不变,探究加速度与合力的关系。(2)保持合力不变,探究加速度与质量的关系。(3)作出a-F图象和a-1m2.试验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、沟通电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。3.试验步骤(1)测量:用天平测量小盘和砝码的质量m',小车的质量m。(2)安装:依据如图所示的装置把试验器材安装好,但是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(不给小车牵引力)。(3)平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,使小车能匀速下滑。(4)操作:①小盘通过细绳绕过定滑轮系在小车上,先接通电源,后放开小车,打点结束后先断开电源,再取下纸带。②保持小车的质量m不变,变更小盘和砝码的质量m',重复步骤①。③在每条纸带上选取一段比较志向的部分,测加速度a。④描点作图,以m'g作为拉力F,作出a-F图象。⑤保持小盘和砝码的质量m'不变,变更小车质量m,重复步骤①和③,作出a-1m4.数据分析(1)利用Δx=aT2及逐差法求a。(2)以a为纵坐标,F为横坐标,依据各组数据描点,假如这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比。(3)以a为纵坐标,1m为横坐标,描点、连线,假如该线为过原点的直线,就能判定a与m5.留意事项(1)平衡摩擦力:适当垫高木板的右端,使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动。(2)不重复平衡摩擦力。(3)试验条件:m≫m'。(4)“一先一后一按”:变更拉力或小车质量后,每次起先时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后释放小车,且应在小车到达滑轮前按住小车。【最新高考真题解析】1.（2024年北京卷）在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”试验中，做如下探究：（1）为猜想加速度与质量的关系，可利用图1所示装置进行对比试验。两小车放在水平板上，前端通过钩码牵引，后端各系一条细线，用板擦把两条细线按在桌上，使小车静止。抬起板擦，小车同时运动，一段时间后按下板擦，小车同时停下。对比两小车的位移，可知加速度与质量大致成反比。关于试验条件，下列正确的是：________(选填选项前的字母)。A.小车质量相同，钩码质量不同B.小车质量不同，钩码质量相同C.小车质量不同，钩码质量不同（2）某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系，设计试验并得到小车加速度与质量的7组试验数据，如下表所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点，请将余下的一组数据描在坐标纸上，并作出图像______。次数12345670.620.560.480.400.320.240.150.250.290330.400.500.71100（3）在探究加速度与力的关系试验之前，须要思索如何测“力”。请在图3中画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量，下列说法正确的是：__________（选填选项前的字母）。A．使小车沿倾角合适的斜面运动，小车受力可等效为只受绳的拉力B．若斜面倾角过大，小车所受合力将小于绳的拉力C．无论小车运动的加速度多大，砂和桶的重力都等于绳的拉力D．让小车的运动趋近于匀速运动，砂和桶的重力才近似等于绳的拉力【答案】(1).B(2).(3).A【解析】【详解】（1）[1]为了探究加速度与质量的关系，必需限制小车所受拉力相同，而让小车的质量不同，所以钩码质量相同，故B正确。（2）[2]数据描点和图像如图所示（3）[3]A．使小车沿倾角合适的斜面运动，小车所受重力沿斜面的分力刚好等于小车所受的摩擦力，则小车受力可等效为只受绳的拉力，故A正确；B．若斜面倾角过大，重力沿斜面的分力大于摩擦力，小车所受合力将大于绳的拉力，不利于简化“力”的测量，故B错误；C．由牛顿其次定律可知，无论小车运动的加速度多大，砂和桶的重力都大于绳的拉力，故C错误；D．当小车的质量远大于砂和桶的质量时，砂和桶的重力近似等于绳的拉力，故D错误。故选A。2.（2024年浙江卷）做“探究加速度与力、质量的关系”试验时，图甲是教材中的试验方案；图乙是拓展方案，其试验操作步骤如下：（ⅰ）挂上托盘和砝码，变更木板倾角，使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑；（ⅱ）取下托盘和砝码，测出其总质量为m，让小车沿木板下滑，测出加速度a；（ⅲ）变更砝码质量和木板倾角，多次测量，通过作图可得到的关系。①试验获得如图所示的纸带，计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出，则在打d点时小车的速度大小_____（保留两位有效数字）；②须要满意条件的方案是_____（选填“甲”、“乙”或“甲和乙”）；在作图象时，把作为F值的是_____（选填“甲”、“乙”或“甲和乙”）。【答案】(1).0.18～0.19(2).甲(3).甲和乙【解析】【详解】①[1]．打点计时器打点周期由匀加速直线运动中，平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得，在打d点时小车的速度②[2][3]．在图甲的试验方案中，由托盘和砝码的重力供应拉力，让小车做匀加速直线运动，由牛顿其次定律可得则则绳子对小车的拉力当时，绳子拉力近似等于托盘和砝码的重力。故甲须要满意。在图乙试验方案中，挂上托盘和砝码，小车匀速下滑，设斜面的倾斜角为，斜面和纸带对小车的摩擦力或阻力总和为f，则有取下托盘和砝码，小车做匀加速直线运动，由牛顿其次定律可得即故乙方案中，不须要满意。在甲乙方案中，均用托盘和砝码的重力mg作为小车匀加速的直线运动的合力及F。【典例1】(多选)在用试验探究加速度与力、质量的关系时,下列关于试验的思路和数据分析中,正确的是()。A.试验的基本思路之一是保持物体质量不变,测量物体在不同力作用下的加速度,分析加速度与力的关系B.试验的基本思路之一是保持物体所受力相同,测量质量不同的物体在该力作用下的加速度,分析加速度和质量的关系C.处理试验数据时,以a为纵坐标,F为横坐标,依据数据在坐标系中描点,若这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比D.在处理数据时,以a为纵坐标,M为横坐标,依据数据在坐标系中描点,若这些点不在一条过原点的直线上,说明a与M成反比【解析】本试验是利用限制变量法得到a、F、M三者的关系,A、B、C三项符合试验的思路和处理数据的要求;在a-M图象中的点,不是一条过原点的直线,不能说明a与M成反比,故D项错误。【答案】ABC【针对训练1】某试验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)(多选)下列做法正确的是(填字母代号)。

A.调整滑轮的高度,使牵引小车的细绳与长木板保持平行B.调整木板倾斜度,平衡小车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小车上C.试验时,先放开小车再接通打点计时器的电源D.通过增减小车上的砝码变更质量时,不须要重新调整木板的倾斜度(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力,应满意的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量m(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)小车和小车上砝码的总质量M。

(3)小明和小红在同一试验室,各取一套图示的装置放在水平桌面上,小车上均不放砝码,在没有平衡摩擦力的状况下,探讨加速度a与拉力F的关系,分别得到图中甲、乙两条直线。设小明和小红用的小车质量分别为m甲、m乙,小明和小红用的小车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。(选填“大于”“小于”或“等于”)

【解析】(1)试验中细绳要与长木板保持平行,A项正确;平衡摩擦力时不能将装有砝码的砝码桶通过细绳绕过滑轮拴在小车上,B项错误;试验时应先接通电源再放开小车,C项错误;平衡摩擦力后,变更小车上的砝码的质量后不再须要重新平衡摩擦力,D项正确。(2)由整体法和隔离法得到绳的拉力F=Ma=MmgM+m=11+mMmg,可见,当砝码桶和桶内砝码的总质量m远小于小车和小车上砝码的总质量(3)不平衡摩擦力,则F-μmg=ma,a=Fm-μg,图线斜率大的小车的质量小,纵轴截距肯定值大的动摩擦因数大,因此m甲<m乙,μ甲>μ乙【答案】(1)AD(2)远小于(3)小于大于【典例2】如图所示是某同学探究加速度与力、质量的关系时已接通电源刚要释放纸带时的状况,请你改正该同学的5个差错:(1)电源;

(2)打点计时器位置;

(3)滑轮位置;

(4)小车位置;

(5)长木板。

【解析】探究加速度与力、质量的关系时,打点计时器应接沟通电源,且要固定在长木板无滑轮的一端,即应靠右端;释放纸带时小车应靠近打点计时器;连接小车的细线应保持与长木板平行,故应调整滑轮位置使拉线水平;试验时应平衡摩擦力,使小车所受重力沿斜面方向的分力与小车所受摩擦力平衡,故应垫高长木板右端以平衡摩擦力。【答案】(1)应用沟通电源(2)应靠右端(3)应使拉线与长木板平行(4)应靠近打点计时器(5)应垫高右端平衡摩擦力【针对训练2】“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的试验装置如图甲所示,回答下列问题。甲(1)试验中打出了一条纸带。纸带上A、B、C、D、E、F、G这些点的间距如图乙中所示,其中每相邻两点间还有4个计时点未画出,依据测量结果计算:打C点时纸带的速度大小为m/s;纸带运动的加速度大小为m/s2。(结果保留3位有效数字)

乙丙(2)某次利用上述已调整好的装置进行试验时,保持钩码总个数不变,小车自身的质量为M且保持不变,在小车上加不同质量m的钩码,并测出小车中不同钩码质量所对应的加速度a,以m为横坐标,1a为纵坐标,在坐标纸上作出如图丙所示的1a-m关系图线,试验结果验证了牛顿其次定律。假如图中纵轴上的截距为b,直线的斜率为k,则小车受到的拉力大小为,小车的质量为【解析】(1)因纸带上两相邻计数点的时间间隔T=0.10s,设s1=9.50cm,s2=11.00cm,s3=12.55cm,s4=14.00cm,s5=15.50cm,s6=17.05cm,则打C点时纸带的速度大小vC=s2+sa=(s4+s5+(2)当小车上的砝码质量为零时,小车加速度a0=1b,设小车的质量为M,则小车此时受到的拉力F=Ma0=Mb;图中直线的函数关系式为1a=km+b,依据牛顿其次定律有F=(m+M)a,变式得1a=1Fm+MF,联立可得【答案】(1)1.181.50(2)1k【典例3】图甲为验证牛顿其次定律的试验装置示意图,图中打点计时器所接电源的频率为50Hz。某小组同学保持木块质量M不变,探究加速度a与合力F的关系。某次试验的纸带如图乙所示,每5个点取一个计数点,则打下B点时木块的速度v=m/s,木块的加速度a=m/s2。但该组同学由于疏忽没有平衡摩擦力f(带滑轮的长木板水平),得到a-F图象如图丙所示。则木块与木板间的动摩擦因数μ=,图象后段出现弯曲的缘由是。(g=10m/s2,结果保留2位小数)

【解析】依题意知纸带相邻两计数点的时间间隔T=0.1s,由公式v=xAB+xBC2T得v≈0.44m/s;由匀变速直线运动规律及逐差法Δx=aT2得a≈0.42m/s2;依据图象和牛顿其次定律公式可得【答案】0.440.420.10不再满意砝码桶和砝码的总质量m≪M【针对训练3】在“探究加速度与力、质量的关系”的试验中,某小组设计了如图甲所示的试验装置。图中上下两层水平轨道表面光滑,两小车前端系上细线,细线跨过滑轮并挂上砝码盘,两小车尾部细线连到限制装置上,试验时通过限制装置使两小车同时起先运动,然后同时停止。(1)在安装试验装置时,应调整滑轮的高度,使;在试验时,为减小系统误差,应使砝码盘和砝码的总质量小车的质量(选填“远大于”“远小于”或“等于”)。

(2)本试验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小,能这样比较,是因为

。

(3)试验中获得的数据如下表所示:小车Ⅰ、Ⅱ的质量约为200g。试验次数小车拉力F/N位移x/cm1Ⅰ0.1Ⅱ0.246.512Ⅰ0.229.04Ⅱ0.343.63(续表)试验次数小车拉力F/N位移x/cm3Ⅰ0.341.16Ⅱ0.444.804Ⅰ0.436.43Ⅱ0.545.56在第1次试验中小车Ⅰ从A点运动到B点的位移如图乙所示,请将测量结果填到表中空格处。通过分析,可知表中第次试验数据存在明显错误,应舍弃。

【解析】(1)拉小车的水平细线要与轨道平行;只有砝码盘和砝码的总质量远小于小车质量,才能认为砝码盘和砝码的总重力等于细线拉小车的力。(2)对初速度为零的匀加速直线运动,时间相同时,依据运动学公式x=12at2,得a1a(3)刻度尺的最小刻度是1mm,要估读到毫米的下一位,读数为23.80cm-0.50cm=23.30cm。第3次试验中小车Ⅰ、Ⅱ的拉力之比明显小于它们的位移之比,故第3次试验数据存在明显错误。【答案】(1)细线与轨道平行(或水平)远小于(2)两小车从静止起先做匀加速直线运动,且两小车的运动时间相等(3)23.30(23.28~23.32均对)3【典例4】某试验小组利用如图甲所示的试验装置测量小滑车和木板之间的动摩擦因数。主要试验步骤如下:①将带滑轮的长木板固定在水平桌面上,按图连接试验装置,小滑车置于打点计时器旁边,牵引端只挂一个钩码。②接通电源,由静止释放小滑车,小滑车运动至木板左端旁边时制动小滑车,关闭电源,取下纸带,计算加速度a1。③依次从小滑车上取下第一个、其次个、第三个……钩码挂在牵引端,重复步骤②,分别计算加速度a2、a3、a4、…。④在a-m坐标系中描点,用直线拟合,计算动摩擦因数(m为牵引端钩码总质量)。请回答下列问题:(1)关于试验原理及操作,下列说法正确的是。

A.试验中必需平衡摩擦力B.滑轮与小滑车间的细绳应与木板平行C.必需保证牵引端钩码的总质量远小于小滑车和车上钩码的总质量D.还须要测得小滑车的质量(2)某条纸带测量数据如图乙所示,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AB=4.22cm、BC=4.65cm、CD=5.08cm、DE=5.49cm、EF=5.91cm、FG=6.34cm。已知打点计时器的实际工作频率为50Hz,则小滑车的加速度值a=m/s2。(结果保留2位有效数字)

乙(3)测得a-m图线在a轴上的截距为b,已知重力加速度为g,则小滑车与木板间的动摩擦因数的表达式为。

【解析】(1)此试验测量小滑车和木板之间的动摩擦因数不须要平衡摩擦力,所以A项错误;因用钩码的重力当拉力,所以滑轮与小滑车间的细绳应与木板平行,不平行则是拉力的分力,所以B项正确;题中钩码和小滑车总质量不变,加速度为两者共有,不用满意C项条件,所以C项错误;用图象法处理试验数据,不用测得小滑车的质量,所以D项错误。(2)因纸带上两相邻计数点的时间间隔T=0.10s,设s1=4.22cm,s2=4.65cm,s3=5.08cm,s4=5.49cm,s5=5.91cm,s6=6.34cm,则a=(s4+s5(3)由牛顿其次定律得mg-μ(M-m)g=Ma,得a=(1+所以b=-μg有μ=-bg【答案】(1)B(2)0.42(3)μ=-b【针对训练4】某同学设计了一个如图甲所示的装置用来测定滑块与木板间的动摩擦因数,其中A为滑块,质量为M,B和C是质量可调的砝码,不计绳和滑轮的质量及它们之间的摩擦,装置水平放置。试验中该同学在砝码总质量(m+m'=m0)保持不变的条件下,变更m和m'的大小,测出不同m下系统的加速度,然后通过试验数据的分析就可求出滑块与木板间的动摩擦因数。(1)该同学手中有打点计时器、纸带、质量已知且可随意组合的砝码若干、滑块、一端带有定滑轮的长木板、细线,为了完成本试验,得到所要测量的物理量,还应有。

A.秒表B.毫米刻度尺C.天平 D.沟通电源(2)试验中,该同学得到一条较为志向的纸带,如图乙所示,从清楚的O点起先,每隔4个点取一计数点(中间4个点没画出),分别记为A、B、C、D、E、F,各计数点到O点的距离为OA=1.61cm,OB=4.02cm,OC=7.26cm,OD=11.30cm,OE=16.14cm,OF=21.80cm,打点计时器打点频率为50Hz,则由此纸带可得到打E点时滑块的速度v=m/s,此次试验滑块的加速度a=m/s2。(结果均保留2位有效数字)

(3)在试验数据处理中,该同学以m为横轴,以系统的加速度a为纵轴,绘制了如图丙所示的试验图线,结合本试验可知滑块与木板间的动摩擦因数μ=。(g取10m/s2)

【解析】(1)打点计时器通过打点即可知道时间,故不须要秒表,A项错误;试验须要测量两点之间的距离,故须要毫米刻度尺,B项正确;本试验中可以不测滑块的质量,而且砝码的质量已知,故天平可以不选,C项错误;打点计时器要用到沟通电源,故D项正确。(2)每隔4个点取一计数点,相邻计数点之间的时间间隔为0.1s,故由平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得vE=DF2T≈0由Δx=aT2可得a=xCF-x(3)对A、B、C系统应用牛顿其次定律可得a=mg-μ(所以a-m图象中,纵轴的截距为-μg,故-μg=-3m/s2,解得μ=0.3。【答案】(1)BD(2)0.530.81(3)0.3【典例5】某物理课外小组利用图甲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