高考物理一轮复习 实验四 探究加速度与力、质量的关系教学案.doc

实验四 探究加速度与力、质量的关系1.学会用控制变量法研究物理规律.2.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法.3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律 1实验原理(见实验原理图)(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系(3)作出af图象和a图象，确定其关系2实验器材小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺3实验步骤(1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m和小车的质量m.(2)安装：按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)(3)平衡摩擦力：在长木板的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：小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m，重复步骤.在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.描点作图，作af的图象保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量m，重复步骤和，作a图象【规律方法总结】1注意事项(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)实验条件：mm.(4)一先一后一按：改变拉力和小车质量后，每次开始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2误差分析(1)因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力(2)摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差3数据处理(1)利用xat2及逐差法求a.(2)以a为纵坐标，f为横坐标，根据各组数据描点，如果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，为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比高频考点一实验原理与实验操作例1某实验小组利用下图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)下列做法正确的是_。(填字母代号)a调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行b在调节木板倾斜度平衡木块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木块上c实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源d通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量_木块和木块上砝码的总质量。(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力f的关系，分别得到如图中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为甲、乙，由图可知，m甲_m乙，甲_乙。(选填“大于”“小于”或“等于”)(3)对木块由牛顿第二定律得：fmgma即afg。由上式与题图结合可知：，甲g乙g。即：m甲乙答案：(1)ad(2)远小于(3)小于大于【变式探究】利用如图2所示装置可以做力学中的许多实验图2(1)以下说法正确的是()a用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和长木板间的摩擦阻力的影响b用此装置“研究匀变速直线运动”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量c用此装置“探究加速度a与力f的关系”时，必须设法消除小车和长木板间的摩擦阻力的影响d用此装置“探究加速度a与力f的关系”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量(2)本装置中要用到打点计时器，如图3所示为实验室常用的两种计时器，其中甲装置用的电源要求是()图3a交流220 v b直流220 vc交流46 v d直流46 v(3)在利用此装置“探究加速度a与力f的关系”时，实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如图4所示已知打点计时器接在频率为50 hz的交流电源上，则此次实验中打点计时器打下a点时小车的瞬时速度为_m/s.(结果保留2位有效数字)图4答案(1)cd(2)a(3)0.53(3)打点计时器打下a点时小车的瞬时速度为va m/s0.53 m/s. 学【举一反三】(1)我们已经知道，物体的加速度a同时跟合外力f和质量m两个因素有关要研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是_(2)某同学的实验方案如图5所示，她想用砂桶的重力表示小车受到的合外力f，为了减小这种做法带来的实验误差，她先做了两方面的调整措施：图5a用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是_b使砂桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于_(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时，处理方案有两种：a利用公式a计算；b根据a利用逐差法计算两种方案中，你认为选择方案_比较合理答案(1)控制变量法(2)a.平衡摩擦力b砂桶的重力(3)b【变式探究】某实验小组利用图6所示的装置探究加速度与力、质量的关系图6下列做法正确的是_(填字母代号)a调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行b在调节木板倾斜度平衡木块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木块上c实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源d通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量_木块和木块上砝码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图7所示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力f的关系，分别得到图中甲、乙两条直线设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为甲、乙，由图可知，m甲_m乙，甲_乙(选填“大于”、“小于”或“等于”)图7答案ad远小于小于大于对木块由牛顿第二定律得：fmgma即afg.由上式与题图结合可知：，甲g乙g.即：m甲m乙，甲乙高频考点二数据处理与误差分析例2用如图8所示装置做“探究物体的加速度跟力的关系”的实验实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度图8(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫块的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_(2)图9为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，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个点迹没有标出，测出各计数点到a点之间的距离，如图所示已知打点计时器接在频率为50 hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a_ m/s2.(结果保留两位有效数字)图9(3)实验时改变所挂钩码的质量，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af关系图象，如图10所示此图象的ab段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是_(选填下列选项的序号)图10a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所挂钩码的总质量过大d所用小车的质量过大答案(1)平衡小车运动中所受的摩擦阻力(2)1.0(3)c(3)在实验中认为细绳的张力f就是钩码的重力mg【变式探究】某次“探究加速度a跟物体所受合力f和质量m的关系”实验如下图11(1)图11甲所示为实验装置图图乙为某次实验得到的一段纸带，计数点a、b、c、d、e间的时间间隔为0.1 s，根据纸带可求出小车的加速度大小为_m/s2(结果保留两位有效数字)(2)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，进行多次测量根据实验数据作出了加速度a随拉力f的变化图线，如图12所示图中直线没有通过原点，其主要原因是_.图12(3)保持砂和砂桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度a、质量m及其对应的的数据如表中所示：实验次数12345678小车加速度a/(ms2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车和砝码质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg14.003.453.032.502.001.411.000.60a.请在图13所示坐标纸中画出a图线；图13b根据作出的a图象可以得到的结论是：_.答案(1)0.43(2)实验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)(3)a.见解析图b图线为一条过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量成反比【举一反三】某同学用图甲所示的实验装置验证牛顿第二定律：(1)通过实验得到如图乙所示的af图象，造成这一结果的原因是：在平衡摩擦力时木板与水平桌面的夹角_(选填“偏大”或“偏小”)。(2)该同学在平衡摩擦力后进行实验，实际小车在运动过程中所受的拉力_砝码和盘的总重力(填“大于”“小于”或“等于”)，为了便于探究、减小误差，应使小车质量m与砝码和盘的总质量m满足_的条件。(3)该同学得到如图丙所示的纸带。已知打点计时器电源频率为50 hz。a、b、c、d、e、f、g是纸带上7个连续的点。xxdgxad_cm。由此可算出小车的加速度a_m/s2。(结果保留两位有效数字)(3)由题图丙可读出xad2.10 cm，xdg3.90 cm，所以xxdgxad1.80 cm，根据xat2，解得a5.0 m/s2答案：(1)偏大(2)小于mm(3)1.805.0高频考点三实验拓展与创新例3(2016全国23)某物理课外小组利用图7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，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有n5个，每个质量均为0.010kg.实验步骤如下：图7(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑.(2)将n(依次取n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余nn个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制st图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.(3)对应于不同的n的a值见下表.n2时的st图象如图8所示；由图求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.n12345a/(ms2)0.200.580.781.00图8(4)利用表中的数据在图9中补齐数据点，并作出an图象.从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比.图9(5)利用an图象求得小车(空载)的质量为_kg(保留2位有效数字，重力加速度取g9.8ms2).(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是_(填入正确选项前的标号)a.an图线不再是直线b.an图线仍是直线，但该直线不过原点c.an图线仍是直线，但该直线的斜率变大答案(3)0.39(4)见解析图(5)0.44(6)b解析(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将图中点(2,0.78)代入sat2可得，a0.39m/s2.(4)根据描点法可得如图所示图线.【变式探究】为了探究加速度与力的关系，使用如图15所示的气垫导轨装置进行实验，其中g1、g2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑块通过g1、g2光电门时，光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录滑块连同上面固定的一条形挡光片的总质量为m，挡光片宽度为d，光电门间距离为s，牵引砝码的质量为m.图15回答下列问题：(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？(2)若取m0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是()am15 g bm215 gcm340 g dm4400 g(3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求得的加速度的表达式为_(用t1、t2、d、s表示)答案(1)接通气源，将滑块静置于气垫导轨上，轻推滑块，看其能否做匀速直线运动(2)d(3)a()【举一反三】某同学利用图16(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：图16(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，am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_答案(1)非线性(2)存在摩擦力(3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力远小于小车的质量解析(1)由题图可知小车的加速度与钩码的质量成非线性关系(2)am图线不经过原点，在m轴上有截距，即挂上小钩码后小车加速度仍为零，可能的原因是存在摩擦力12016全国卷 某物理课外小组利用图(a)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，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码本实验中可用的钩码共有n5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下：(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑图1(2)将n(依次取n1，2，3，4，5)个钩码挂在轻绳右端，其余nn个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s t图像，经数据处理后可得到相应的加速度a.(3)对应于不同的n的a值见下表n2时的s t图像如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表n12345a/(ms2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点，并作出an图像从图像可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比图1(5)利用an图像求得小车(空载)的质量为_ kg(保留2位有效数字，重力加速度g取9.8 m/s2)(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是 _(填入正确选项前的标号)aan图线不再是直线ban图线仍是直线，但该直线不过原点can图线仍是直线，但该直线的斜率变大答案：(3)0.39(0.370.49均可)(4)an图线如图所示(5)0.45(0.430.47均可)(6)bc(6)木板水平时要考虑摩擦力的影响，对于挂在下面的n个钩码，有nmgfnma；对于小车(含剩下的钩码)，有fm(nn)mgm(nn)ma；两式相加得nmgm(nn)mg(mnm)a，去中括号得n(mgmg)(mnm)g(mnm)a，移项化简得n(mgmg)(mnm)(ag)，解得angn9.8，可见an图像仍是一条直线，但其斜率要变大，且不过坐标原点学 (2015新课标全国22)某同学用图14(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图14(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斜面的倾角答案(1)3.251.79(2)c (2014新课标22)某同学利用图6(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200g，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：图6(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，am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_【答案】(1)非线性(2)存在摩擦力(3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力远小于小车的质量 (2013天津9(2)某实验小组利用图1所示的装置探究加速度与力、质量的关系图1下列做法正确的是_(填字母代号)a调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行b在调节木板倾斜度平衡木块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木块上c实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源d通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量_木块和木块上砝码的总质量(选填“远大于”、“远小于”或“近似等于”)图2甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图1所示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力f的关系，分别得到图2中甲、乙两条直线设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为甲、乙，由图2可知，m甲_m乙，甲_乙(选填“大于”、“小于”或“等于”)对木块由牛顿第二定律得：fmgma即afg.由上式与题图结合可知：，甲g乙g.即：m甲m乙，甲乙【答案】ad远小于小于大于1为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图所示的实验装置请思考探究思路并回答下列问题：(1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取的做法是_；a将木板不带滑轮的一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动b将木板带滑轮的一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动c将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动d将木板不带滑轮的一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车能够静止在木板上(2)在实验中，得到一条打点的纸带，如图所示，已知相邻计数点间的时间间隔为t，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，则小车加速度的表达式为a_；(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定，探究加速度a与所受外力f的关系，他们在轨道水平和倾斜两种情况下分别做了实验，得到了两条af图线，如图所示图线_(填“”或“”)是在轨道倾斜情况下得到的；小车及车中的砝码总质量m_kg.【答案】(1)c(2)(3)0.5(3)轨道倾斜太大，即使没有钩码拉小车也将加速下滑，因此图线为轨道倾斜情况下得到的由题图中图线可得mgsin fma0，f1mgsin fma1，可得：f1ma0ma1由图象知f11 n，a02 m/s2，a14 m/s2可求得m0.5 kg.2如图所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置，他在气垫导轨上安装了一个光电门b，滑块上固定一遮光条(宽度为d，d较小)，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从a处由静止释放(1)实验时，将滑块从a位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门b的时间t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是_(2)下列不必要的一项实验要求是_(请填写选项前对应的字母)a应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量b应使a位置与光电门间的距离适当大些c应将气垫导轨调节水平d应使细线与气垫导轨平行(3)改变钩码质量，测出对应的力传感器的示数f和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图象，研究滑块的加速度与力的关系，处理数据时应作出_(填“t2f”、“ f”或“f”)图象【答案】(1)遮光条到光电门的距离l(2)a(3)f3如图所示为“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置图图中a为小车，质量为m1，连接在小车后面的纸带穿过电火花打点计时器b，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，p的质量为m2，c为弹簧测力计，实验时改变p的质量，读出测力计不同读数f，不计绳与滑轮的摩擦(1)电火花打点计时器的工作电压为_(填“交”或“直”)流_v.(2)下列说法正确的是()a一端带有定滑轮的长木板必须保持水平b实验时应先接通电源后释放小车c实验中m2应远小于m1d测力计的读数始终为(3)如图为某次实验得到的纸带，纸带上标出了所选的四个计数点之间的距离，相邻计数点间还有四个点没有画出由此可求得小车的加速度的大小是_m/s2(交流电的频率为50 hz，结果保留两位有效数字)(4)实验时，某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的af图象可能是下图中的图线()【答案】(1)交220 (2)b(3)0.50(4)c(4)遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的af图象，应该是当f从某一值开始增大，加速度a才开始增大，所以可能是图线c. 学4某实验小组利用弹簧测力计和刻度尺，测量滑块在木板上运动的最大速度甲乙实验步骤：用弹簧测力计测量橡皮泥和滑块的总重力，记作g；将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上，通过水平细绳和固定弹簧测力计相连，如图甲所示在a端向右拉动木板，待弹簧测力计示数稳定后，将读数记作f；改变滑块上橡皮泥的质量，重复步骤；实验数据如下表所示：g/n1.502.002.503.003.504.00f/n0.590.830.991.221.371.61如图乙所示，将木板固定在水平桌面上，滑块置于木板上左端c处，细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物p连接，保持滑块静止，测量重物p离地面的高度h；滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的d点(未与滑轮碰撞)，测量c、d间的距离s.完成下列作图和填空：(1)根据表中数据在给定坐标纸上作出fg图线(2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数_(保留2位有效数字)(3)滑块最大速度的大小v_(用h、s、和重力加速度g表示)【答案】(1)如图所示(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42均正确)(3)5某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图18所示已知小车质量m214.6 g，砝码盘质量m07.8 g，所使用的打点计时器交流电频率f50 hz.其实验步骤是：图18a按图中所示安装好实验装置；b调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速直线运动；c取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；d将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；e重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复bd步骤，求得小车在不同合外力f作用下的加速度回答下列问题：(1)按上述方案做实验