题目内容

4.现要验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律.如图1所示,甲、乙、丙、丁四个实验小组分别采用所示的实验装置.已知他们使用的小车完全相同,小车的质量为M,重物的质量为m.甲、乙、丙三组同学直接按图完成实验,丁组同学按先按图1丁将木板有定滑轮的一端垫起,调整木板倾角,小车恰好带着重物沿木板斜向下匀速运动.再按图2A保持长木板倾角不变,取下细绳和重物,将小车与纸带相连,然后接通电源释放小车,使之由静止开始加速运动并在纸带上打点.试回答下列问题:

(1)实验时必须平衡小车和长木板之间的摩擦力的实验小组是甲乙丙.
(2)实验时必须满足“M>>m”的实验小组是甲.
(3)实验时各组同学的操作均完全正确,甲、乙、丙三组作出的a-F图线如图2(B)中A、B或C所示,则甲、乙、丙三组实验对应的图线依次是CAB.
(4)实验时丁组同学操作的小车加速下滑时受到的合力F=mg,该组同学在保持小车质量不变的情况下,通过调整改变小车所受合力,多次实验,由实验数据作出的a-F图线如图2(C)所示,则小车的质量=2.0kg(保留两位有效数字)

分析 (1)本实验探究当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力的关系,三个实验小组都需要平衡摩擦力;
(2)只有用重物的重力代替绳子的拉力,才需要满足M>>m;
(3)若用重物的重力代替绳子的拉力,要满足M≥m,随着m的增大,不满足M>>m时,图象出现弯曲,还有两组根据绳子拉力相等时,加速度的大小来判断;
(4)小车受到的合力等于重物的重力,根据图示图象求出小车的质量.

解答 解:(1)本实验探究当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力的关系,所以三个实验小组都需要平衡摩擦力,即甲乙丙都需要平衡摩擦力,
(2)乙和丙绳子的拉力可以由弹簧测力计和力传感器直接得到,不需要用重物的重力代替,所以乙丙两组不需要满足M>>m,而甲组用重物的重力代替绳子的拉力,要满足M>>m,
(3)甲组用重物的重力代替绳子的拉力,要满足M≥m,随着m的增大,不满足M>>m时,图象出现弯曲,所以甲组对应的是C,
根据装置可知,乙图中小车受到的拉力大于弹簧测力计的示数,丙图中受到的拉力等于力传感器的示数,当F相等时,乙组的加速度大,所以乙组对应A,丙组对应B,
(4)平衡摩擦力后,小车加速下滑时受到的合力F=mg;由牛顿第二定律得:a=$\frac{1}{M}$F,由图2(C)所示的a-F图线可知:图象斜率:k=$\frac{1}{M}$,则小车的质量:M=$\frac{1}{k}$=2.0kg.
故答案为:(1)甲乙丙;(2)甲;(3)CAB;(4)mg;2.0.

点评 解决实验问题首先要掌握该实验原理,了解实验的操作步骤和数据处理以及注意事项,同时要熟练应用所学基本规律解决实验问题.探究加速度与力、质量关系实验要采用控制变量法,当钩码的质量远小于小车的总质量时,可以近似认为小车受到的拉力等于钩码的重力,若用力传感器,则不需要满足此条件.

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