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匀速直线
压力
接触面越粗糙
2:1
0
3
伸长量
(c)
等于
1.6
【分析】
1. 第(1)问:要测量滑动摩擦力的大小,根据二力平衡的原理,当物块做匀速直线运动时,弹簧测力计对物块的拉力与滑动摩擦力是一对平衡力,大小相等,此时弹簧测力计的示数就等于滑动摩擦力的大小,所以需要让物块做匀速直线运动。
2. 第(2)问:分析(a)、(b)两图,二者接触面都是木板,粗糙程度相同,(b)中物块A上放置了砝码,压力更大,弹簧测力计的示数更大,说明滑动摩擦力更大,由此可得出接触面粗糙程度相同时,压力对滑动摩擦力的影响。
3. 第(3)问:分析(a)、(c)两图,二者压力相同(都是物块A的重力),接触面分别是木板和毛巾,毛巾更粗糙,弹簧测力计示数$F_{1} < F_{3}$,说明滑动摩擦力更大,由此可得出压力一定时,接触面粗糙程度对滑动摩擦力的影响。
4. 第(4)问:已知接触面粗糙程度一定时,滑动摩擦力与压力成正比。(c)中压力是物块A的重力,(d)中压力是物块A和B的总重力(二者重力相同),即(d)中压力是(c)的2倍,所以滑动摩擦力也为2倍,匀速运动时拉力等于滑动摩擦力,因此$F_{4}:F_{3}=2:1$。
【解析】
(1) 根据二力平衡条件,当物块沿水平方向做匀速直线运动时,弹簧测力计的拉力与滑动摩擦力是一对平衡力,大小相等,此时弹簧测力计的示数等于滑动摩擦力的大小,因此实验中需拉着物块做匀速直线运动。
(2) 对比(a)、(b)两图,接触面粗糙程度相同,(b)中物块A的压力更大,弹簧测力计示数更大,滑动摩擦力更大,可得结论:在接触面粗糙程度相同时,压力越大,滑动摩擦力越大。
(3) 对比(a)、(c)两图,压力相同,(c)中接触面为毛巾,比木板更粗糙,弹簧测力计示数$F_{1} < F_{3}$,滑动摩擦力更大,可得结论:压力一定时,接触面越粗糙,滑动摩擦力越大。
(4) 由题意,接触面粗糙程度一定时,滑动摩擦力与压力成正比。(c)中压力为$G_A$,(d)中压力为$G_A+G_B=2G_A$,则滑动摩擦力$f_4=2f_3$;由于物块做匀速直线运动,拉力等于滑动摩擦力,因此$F_4:F_3=f_4:f_3=2:1$。
【答案】
(1) 匀速直线
(2) 压力
(3) 接触面越粗糙
(4) $2:1$
【知识点】
滑动摩擦力的影响因素、二力平衡的应用、控制变量法
【点评】
本题是探究滑动摩擦力影响因素的经典实验,核心考查控制变量法的应用和二力平衡原理的理解,需要学生通过对比实验,明确不同变量对滑动摩擦力的影响,掌握实验分析的方法。
【难度系数】
0.7
【分析】
第(1)问:首先分析实验数据,在弹性限度内弹簧的伸长量与拉力成正比。观察数据可知,当拉力不超过3N时,拉力每增加1N,弹簧伸长量的增加量相同,满足正比关系;当拉力超过3N后,伸长量的变化不再符合正比规律,说明弹簧超出弹性限度。因此要确定拉力的上限为3N,且是弹簧的伸长量与拉力成正比(注意区分弹簧长度和伸长量,弹簧有原长,长度包含原长,而伸长量是长度的变化量)。
第(2)问:弹簧不受拉力时存在原长,因此图像起点应在纵轴(拉力为0时,弹簧长度不为0);当拉力不大于3N时,弹簧长度随拉力增大线性增长,超过3N后,弹簧长度不再随拉力增大而变化。对比三幅图:图(b)起点在原点,不符合弹簧有原长的特点;图(d)拉力超过一定值后仍持续伸长,与实验数据不符;只有图(c)先从纵轴某点线性上升,达到3N左右后保持水平,与实验数据一致。
【解析】
(1) 分析实验数据:当拉力为0N、1N、2N、3N时,弹簧的伸长量随拉力增大均匀增加,符合正比关系;当拉力超过3N后,伸长量与拉力不再成正比,说明弹簧超出弹性限度。因此在拉力不大于$\boldsymbol{3N}$的情况下,弹簧的$\boldsymbol{伸长量}$跟钩码的拉力成正比。
(2) 弹簧具有原长,拉力为0时弹簧长度不为0,图像起点应在纵轴;拉力不大于3N时,弹簧长度随拉力线性增长,超过3N后长度不再变化。对比三图:
图(b)起点在原点,不符合弹簧有原长的实际;
图(d)拉力超过一定值后仍持续伸长,与实验数据不符;
图(c)符合“有原长、弹性限度内线性增长、超限度后长度不变”的规律,因此与实验数据相符的是图$\boldsymbol{(c)}$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{3}$;$\boldsymbol{伸长量}$
(2) $\boldsymbol{(c)}$
【知识点】
弹簧弹性限度;伸长量与拉力的正比关系;物理图像分析
【点评】
本题考查弹簧测力计的核心工作原理,重点在于区分弹簧“长度”与“伸长量”的不同,理解弹性限度的意义,同时需要结合实验数据解读物理图像,是对实验探究能力和图像分析能力的基础考查。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 第(1)问:当木块做匀速直线运动时,水平方向上受到的拉力和摩擦力是一对平衡力,根据二力平衡条件,这两个力大小相等,所以弹簧测力计的示数等于摩擦力的大小。
2. 第(2)问:先确定弹簧测力计的分度值,图中弹簧测力计的分度值为0.2N,指针指向1.6N的位置,因此示数为1.6N。
3. 第(3)问:根据表格中的数据,在坐标系中找到对应的压力和摩擦力的坐标点,然后用平滑的直线将这些点连接起来,即可得到摩擦力随压力变化的图像。
4. 第(4)问:观察画出的图像,是一条过原点的倾斜直线,说明当接触面粗糙程度一定时,摩擦力与压力的比值是定值,即二者成正比。
5. 第(5)问:探究摩擦力与接触面积的关系时,需要控制压力大小和接触面粗糙程度不变。将木块锯掉一半后,不仅接触面积减小了,木块对水平面的压力也减小了一半,没有控制压力不变,因此得出的结论是错误的。
【解析】
(1) 实验时,木块在水平木板上做匀速直线运动,水平方向上拉力与滑动摩擦力是一对平衡力,根据二力平衡条件,弹簧测力计的示数等于摩擦力的大小。
(2) 由图(a)可知,弹簧测力计的分度值为0.2N,指针指向1.6N刻度线处,因此示数为$\boldsymbol{1.6N}$。
(3) 根据表格数据,在图(b)的坐标系中依次描出压力与对应摩擦力的点,然后用平滑直线连接各点,得到过原点的倾斜直线(图像如参考答案所示)。
(4) 从绘制的图像可以看出,当接触面粗糙程度一定时,摩擦力随压力的增大而增大,且二者的比值恒定,因此摩擦力跟压力成正比。
(5) 将木块沿竖直方向锯掉一半时,木块对水平面的压力也变为原来的一半,没有控制压力大小不变,不符合控制变量法的要求,因此得出的结论是错误的,理由是没有控制压力相同。
【答案】
(1) 等于
(2) $\boldsymbol{1.6}$
(3) (图像见参考答案链接)
(4) 正比
(5) 错误;没有控制压力相同
【知识点】
二力平衡的应用;滑动摩擦力的影响因素;控制变量法
【点评】
本题是探究滑动摩擦力影响因素的经典实验题,综合考查了二力平衡条件的应用、弹簧测力计的读数、图像绘制以及控制变量法的实验思想。既注重对实验原理的理解,也考查了学生分析实验数据、归纳实验结论的能力,其中第(5)问容易因忽略控制变量而出错,需要学生熟练掌握控制变量法的应用。
【难度系数】
0.7